毕业设计--基于PSPICE的三相SPWM逆变器设计40页

1、基于PSPICE的三相SPWM逆变器设计XXX本科毕业设计（论文） 题目： 基于PSPICE的三相 SPWM逆变器设计 院系： 电力与自动化工程学院 专业年级： 自动化 专业 XXX届 学生姓名：XXX学号：XXX 指导教师：XXXXXX年6月22日【摘 要】与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本文通过利用PSPICE设计分析三相DC/AC逆变器PWM控制电路的方法。重点介绍了方波运行模式下电压型逆变器的特性，输出电压大小和波形的PWM控制基本原理。给出了基于双极性倍频正弦

2、脉冲宽度调制法的DC/AC逆变器的仿真实例，所谓调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。并应用到电力电子技术实验中，取得了良好的效果。 关键词：逆变；PSPICE；仿真；调制法；PWM【Abstract】Corresponds with the rectifier, the DC into alternating current called the inverter. DC power inverter circuit according to the different nature can be divided into

3、two types: DC voltage source is known as voltage-type inverter circuit; DC current source is known as the circuit of current mode. In this paper, design and analysis using PSPICE phase DC / AC inverter PWM control circuit method. Focuses on the square-wave operation mode, the characteristics of inve

4、rter output voltage waveform of the PWM control of the size and basic principles. Multiplier is presented based on a unipolar sinusoidal pulse width modulation of the DC / AC inverter simulation example, the so-called modulation, that is the desired output waveform as the modulation signal, the rece

5、ived signal modulation as a carrier wave by signal get the desired modulation PWM waveform. And applied to the "Power Electronics" experiment, and achieved good results.Key Words: Inverter; PSPICE; simulation; modulation; PWM目录1 引言.12 ORCAD PSPICE.4 2.1. ORCAD PSPICE简介.42.1.1 ORCAD PSPICE的

6、特点.5 2.1.2 启动Capture环境.6 2.1.3 项目管理程序的显示内容.8 2.1.4 放置一般电路元件.9 2.1.5 如何翻转或旋转原件.103 电压型逆变电路.11 3.1. 全桥逆变电路.11 3.2. 三相电压型逆变电路.134 三相SPWM逆变器.20 4.1. PWM控制技术.20 4.1.1 PWM控制的基本原理.20 4.2. SPWM控制技术.21 4.3. SPWM逆变电路及其控制方法.22 4.3.1 单相桥式PWM逆变电路.22 4.3.2 三相桥式SPWM型逆变电路.255 总结.35 5.1. 结论.35 5.2. 三相SPWM逆变器的展望.36致谢

7、.37参考文献.381 引言- 1-逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。逆变器的作用：逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或

8、缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。逆变器的分类：一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40-60%，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波

9、形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总的来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐震荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来， 由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使S

10、PWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点：（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。（2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次

11、谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。所谓的SPWM 波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。把一个正弦波分作几等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM波形。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PW

12、M控制技术的重要理论基础。与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等要三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。存在的问题：在三相桥式逆变电路中，一般采用双极性SPWM调制技术。由于一般功率管子的开通时间小于关断时间，为确保同一桥臂上下两管子不致发生直通故障，通常采用将理想的SPWM驱动信号上升沿（或下降沿）延迟一段时

13、间（即死区时间），但是这同时给逆变器带来了十分有害的死区效应。死区效应已经越来越引起人们的注意，虽然由于SPWM逆变器变频机理所致，其输出电流波形不可能是完全光滑的正弦波，但是死区时间的设置会引起逆变器 输出电流波形的交越失真，甚至引起电机振荡。不少人已提出很多死区补偿措施，但效果不甚理想，诸如存在补偿滞后、增加系统复杂性等问题。死区补偿的基本思想可以从电源的角度出发，其着眼点是如何使逆变器成为一个可以按照所需要求进行调频调压的三相对称正弦波电源。随着全控型快速半导体器件性能价格比的提高和PWM技术的日渐完善和新技术新工艺新材料的使用，SPWM 技术将在电气传动及电力系统中得到更广泛的运用。实

14、际应用：目前，汽车普及率日益升高，车载逆变器将汽车点烟器输出12VDC转换成220 V/50Hz交流电，供一般的电器产品使用。车载逆变器作为一种移动中使用的电源转换器，为人们外出工作或旅游提供了很大的便利，具有广阔的市场前景。汽车上使用的电器多为商用或一般生活用，如车用冰箱、笔记本电脑、手机充电器、汽车DVD等，有些设备方波逆变不能满足其供电要求，如车用冰箱，必须要50Hz的正弦波才能正常工作，因此车载正弦波逆变电源成为一种趋势。电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的发展，促进了脉宽调制控制技术的发展。PWM技术是通过半导体器件的导通和关断，控制脉冲序列的调制周期和脉冲宽度来实现输出频率和电

15、压调节，现已开发出多种PWM信号的形成方法。在现代电力电子系统的设计过程中，对被控系统仿真已成为不可缺少的重要一环，它对系统的分析和研究控制器的设计与参数调试直至实际性能的好坏都起到关键性的作用。系统的计算机仿真，能使先进的控制理论应用于工程设计，缩短设计周期，便于进行最优化设计，提高设计质量。利用仿真技术分析系统响应与参数间的关系，正确指导控制系统调试。电力电子系统级的仿真通常采用MATLAB/SIMULINK程序，作为电路级的EDA程序，PSPICE不仅可以对具体的电路或者器件进行仿真，还提供了对整个系统(包括控制电路、功率主电路及电机)设计、分析的一个平台。这点非常重要，因为脉宽调制方法

16、不同，对PWM逆变器输出的电压波形的质量和输出性能的影响是不同的。几种电力电子仿真软件的特点比较：目前，在应用较广泛的电力电子仿真软件中，PSPICE是应用较多的一种。PSPICE最大的优点就是能够把仿真与电路原理图的设计紧密的结合在一起。PSPICE广泛应用于各种电路分析，可以满足电力电子电路动态仿真的要求。PSPICE的元件模型的特性与实际元件的特性十分相似，因而它的仿真波形与实验电路的测试结果相近，对电路设计有重要指导意义。但PSPICE的仿真数据处理量庞大，仿真和处理速度慢，输出数据格式和兼容性差，这也限制了PSPICE的应用。Saber是一种功能更为强大的电子和电力仿真软件，它可以仿

17、真电力电子元件、电路和系统；不仅具有PSPICE的功能，还能结合数学控制方程模块实现仿真。Saber的仿真结果真实性好，与PSPICE类似。但Saber的数据处理量也相当庞大，仿真的处理速度慢。Saber软件价格高，使用时烦琐复杂，不利于推广应用，较适合于大企业应用1。针对目前电力电子仿真软件的各自特点和电力电子研究的需要，大型科学计算与仿真软件配备了电力系统工具包,这使得MATLAB可以用于电力电子仿真。Power System Blocksets的仿真是基于MATLAB的Simulink图形环境，使用起来十分方便。MATLAB 的强大数字计算功能，使得Power System Blocks

18、ets的控制功能非常强大，尤其是利用其它相关的工具包，电路可以实现极为细致的控制而不需要花费很大的精力。MATLAB 的另一个优点是数据处理十分有效、精确、运行速度较快；数据的兼容性非常好，便于数据的后续处理与分析，尤其是在控制特性的研究分析中，应用十分方便。本文采用PSPICE对DC/AC逆变器进行了瞬态特性分析。ORCAD PSPICE本文采用了通用的电路仿真软件PSPICE对电压源SPWM逆变器进行了仿真研究，论述了直流/交流电功率变换的基本原理，介绍了方波运行模式下电压型逆变器的特性，输出电压大小和波形的PWM控制基本原理。2.1ORCAD PSPICE简介OrCAD 是由OrCAD

19、公司于20 世纪80 年代末推出的EDA软件，它是世界上使用最广的EDA 软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它，相对于其他EDA 软件而言，它的功能也是最强大的。Cadence公司在1999 年与OrCAD 公司合并后，更成为世界上最强大的开发EDA 软件的公司，它的产品OrCAD 世纪集成版OrCAD 9.2 工作于Windows 与WindowsNT 环境下，集成了电原理图绘制、印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真及电路优化设计等功能。其软件系统结构如图1-1 所示。SPICE 程序的全名为Simulation Program with Integrated Circuit Emph

20、asis。顾名思义，它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路（Integrated Circuit: IC）的仿真工作而发展出来的。最早它是由美国加州柏克莱大学发展出雏型，并大力推广至各校园及企业中。而后它改进规成为SPICE2标准，现在世面上的SPICE兼容软件皆基于SPICE2标准。在目前个人电脑上使用的商用电路仿真软件中，以PSpice A/D 系列最受大众欢迎。它是1984年MicroSim公司依SPICE2标准所发展出来，可在IBM及其兼容电脑上执行的SPICE程序。因为PSpice A/D 程序集成了模拟与数字仿真运算法，所以它不只可以仿真纯模拟电路或纯数字电路，更可以非常有效率地并完

21、善地仿真模拟加数字的混合电路。历年来经过多次改版，以其强大的功能及高度的集成性而成为现今个人电脑上最受欢迎的电路仿真软件。最近，EDA（Electronic Design Automation）界的天王厂家OrCAD 相中了PSpice A/D高超的电路仿真能力而加以并购，因此这套程序就正式更名为OrCAD PSpice A/D 了。经过重新集成过后的OrCAD PSpice在整个OrCAD设计环境内的地位如图1-1所示2。图2-1ORCAD设计环境2.1.1 ORCAD PSPICE的特点1）集成性高在 OrCAD 的集成环境内，从调用电路绘制程序Capture CIS 在视窗环境下完成电路

22、图的制作及分析设置，到调用电路仿真程序PSpice 完成仿真与观测结果，再到印刷电路板设计Layout Plus 或可编程逻辑元件设计Express 整个操作步骤完全一气呵成，用户不需要四处切换工作环境，可以省却不少麻烦。2）完整的Probe观测功能在观测仿真结果方面，OrCAD PSpice提供了一个Probe程序来协助用户快速而精准地观察电路特性，另外它也提供了软件测量的功能，可以测量出各式各样基本与衍生的电路特性数据，让用户能够轻易地判断出电路是否合乎要求。必要时，用户可以让PSpice 显示出一些由记录数据所衍生出来的波形数据，譬如波特图、相位边限、迟滞图、上升时间等等。另外，无论是光

23、标功能、分割画面以显示多个输出波形、放大或缩小显示的波形、切换X轴和Y 轴的变量、标注文字等等功能，PSpice 均能完成如曲线跟踪仪(Curve Tracer),示波器（Oscilloscope）、网络分析仪（Network Analyzer）、频谱分析仪（Spectrum Analyzer）、逻辑分析仪(Logic Analyzer)等仪器般的分析功能。而这些功能均可支持鼠标操作，十分方便。3）各种完整的高级仿真功能除了基本的偏压点分析（Bias Point Detail）、直流扫描分析（DC Sweep）、交流扫描分析（AC Sweep）、暂态分析（Transient Analysis）

24、之外，更包含有温度分析（Temperature Analysis）、参数分析（Parametric Analysis）、傅立叶分析（Fourier Analysis）、蒙地卡罗分析（Monte Carlo Analysis）、最差情况分析（Worst Case Analysis）、噪声分析（Noise Analysis）、性能分析（Performance Analysis）等等更进一步的分析工具。4）模块化和层次化设计随着电路日益复杂，电路设计的方法也趋向于模块化和层次化。也就是说，先将整体电路依其特性及复杂度切割成合适的子电路，然后先个别绘制及仿真每一个子电路，待相关的子电路一一完成后，再将

25、它们组合起来继续仿真，最后完成整体电路。OrCAD PSpice 完全提供协助模块化和层次化设计所需的功能。5）模拟行为模型提供了一个简便的方式去仿真一块尚未完成或是极复杂的子电路。用户可自行定义或使用OrCAD PSpice己经内建好的模拟行为模型元件，运用描述电路特性的方式而不需要以真实电路来输入与仿真，如此可大幅精简仿真的时间及复杂度。6）具有模拟和数字仿真能力除了传统的模拟信号仿真之外，OrCAD PSpice A/D 也集成了数字信号仿真的功能，当然它就可以更进一步执行模拟加数字的电路仿真了。7）元件库扩充功能尽管 OrCAD PSpice A/D 已经内建了很多常见的电子元件符号及

26、其对应模型（大约11300个模拟元件与1600个数字元件），但是随着制板技术的进步和新的电子元件不断地问世，又或者内建的元件库内恰好没有合适的元件，这时我们就可以用元件编辑程序新建或修改现有元件的特性以作出合乎我们要求的新元件3。2.1.2 启动Capture环境画面左下方有一个缩小化的Session Log窗口，它是一个负责显示Capture操作流程或是错误信息的窗口。目前因为我们还未在Capture内执行任何操作，所以它现在的内容应该是空白的。由于它的内容全是文字信息，所以在必要时也可以将它存档使用，然后用文字编辑程序观察其内容。图2-2初打开的Capture屏幕画面由FileNewPro

27、ject.功能菜单调出如图2-3 所示的New Project 对话框。请如图2-3 在Name 栏内输入范例项目的名称“三相逆变电路”，然后在Location 栏内输入本项目要储存的磁盘文件夹路径。由于目前我们要建立的是Pspcie AD 电路图，所以请在图2-3画面中的Create a New Project Using栏内选择Analog orMixed-Signal Circuit Wizard选项。图2-3New Project对话框在图2-3的New Project 对话框内设置好项目格式、名称与存放路径之后，进入OrCAD Capture 窗口画面。单击电路编辑区，出现图2-4右

28、侧所示的绘图工具栏。如果我们将鼠标光标在某个工具栏按钮或控制面板上停留一会儿，将会出现一个简短的功能描述。图2-4OrCAD Capture窗口画面2.1.3 项目管理程序的显示内容项目管理程序主要负责收集并组织项目中全部所有必要的资源。这些资源包含有绘图页文件夹、绘图页、使用到的元件与元件库、VHDL文件以及诸如元件清单或网路表等等输出报告。所以，请不要随意地由Windows 资源管理器内移动或删除项目内所参考到的文件，否则项目管理程序将再也不能找到它们了。也就是说，有关于OrCAD文件的操作最好都在项目管理程序完成，以确保项目结构完无一失。项目文件的扩展名为.OPJ，它是一个ASCII文件

29、，所以也能够在任何文本编辑程序观察，当然熟练的OrCAD用户也可以由此调整项目结构。由图2-5中，我们可以看出项目管理程序将项目内涉及的所有相关文件以视觉化的图形显示出来，并将它们适当地分门别类，形成树状结构。在树状结构的最上层（画面的最左边）有三个文件夹，分别是Design Resources 文件夹、Outputs文件夹和PSpice Resources文件夹。在Design Resources文件夹中又分Asn文件夹、Library文件夹。Asn文件夹为设计文件夹，主要内容是存放绘图页文件夹（譬如图2-5中的Schematic1）以及更下层的绘图页（譬如图2-5中的Pagel），而绘图页

30、文件就是放置绘制电路的地方；所以说Asn文件夹就是整个设计电路图间连接关系的缩影。另外，Asn文件夹内还有一个Design Cache（设计快取内存）文件夹，其内容主要是存放所有在绘图页内使用到的元件。Library文件夹显示出我们附加在本项目内供设计文件使用的元件库文件，譬如图2-5中所显示的就是Capture默认的那四个可仿真元件库文件。Outputs文件夹内主要放置一些电路图后续处理所产生的输出文件，譬如DRC文件、网路表（Netlist）文件、元件清单文件等等。图2-5项目管理程序2.1.4 放置一般电路元件由于电路是由元件（含属性Properties )和元件间的连线(Wire)所组

31、成，所以现在我们将所有会使用到的元件都放到空白绘图页上。在选择元件之前，必须先确定是否己将要所有要用到的元件库都载入内存内。选取元件的操作得由PlacePart.功能选项或快捷键Shift+P说起，这会调出如图2-6所示的Place Part 对话框。图2-6Place Part对话框如果我们要放置一个电阻元件（元件名称为R）到绘图页内，首先请在Libraries栏的元件库列表内选好这个元件所在的元件库文件名，譬如图2-6中就是选择了ANALOG元件库。这时元件列表会显示出本元件库内所有的元件名称，我们使用鼠标（或【Tab】键配合【】、【】键与【Enter】键）在此选出适当的元件，在Part:

32、栏内会跟着显示出这个元件的名称，画面右下方会出现这个对应元件的外观。2.1. 如何翻转或旋转元件在取出元件符号而尚未放置到绘图页（这时元件符号可以随着鼠标移动）的情形下，或是元件已经放置在绘图页上，请用鼠标左键在要处理的元件上单击，元件将会进入选取状态而出现虚线边框，此时单击鼠标右键调出快捷功能菜单。选择Mirror Horizontally选项就可以将元件左右翻转，选择Mirror Vertically选项就可以将元件上下翻转，选择Rotate 选项就可以将元件逆时针旋转90°。也可以使用键盘来操作，左右翻转可按【H】键，上下翻转可按【V】键，逆时针旋转可按【R】键或【Ctrl+R

33、】键。3电压型逆变电路直流侧是电压源的称为电压型逆变电路。电压型逆变电路有以下主要特点4：（1） 直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。（2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。（3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变各臂都并联了反馈二极管。下面分别就单相和三相电压型逆变电路进行讨论。3.1全桥逆变电路电压型全桥逆变电路的原理图如图3-1所示，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和桥臂4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对

34、的两个桥臂同时导通，两对交替各导通。其输出电压的波形和半桥电路的波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。图3-1单相全桥逆变电路全桥逆变是单相逆变电路中应用最多的。下面对其电压波形做定量分析。是一个半波对称的基函数：（3-1）其中基波的幅值和基波有效值分别为：（3-2）（3-3）前面分析的都是为正负电压各为的脉冲时的情况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压来实现。下面对其工作过程进行具体分析。设在时刻前和导通，输出电压=，时刻和栅极信号反向，截止，而因负载电感中的电流不能突变，不能立刻导通，导通续流。因为和同时导通，所以输出电压为零。到时刻和栅极信号反向，截止

35、，而不能立刻导通，导通续流，和构成电流通道，输出电压为-。到负载电流过零并开始反向时，和截止，和开始导通，输出电压仍为-。时刻和栅极信号再次反向，截止，而不能立刻导通，导通续流，再次为零。以后的过程和后面类似。这样，输出电压的正负脉冲宽度就各为。改变，就可以调节输出电压。在纯电阻负载时，采用上述移相方法也可以得到相同的结果，只是不再导通，不起续流作用。在为零的期间，4个桥臂均不导通，负载也没有电流。负载电流的波形与负载性质有关：（1） 纯电阻负载时，电流是与电压同相的方波，如图3-2所示。纯电阻负载时，二极管、任何时刻都不导电。（2） 纯电感负载时，电流是三角波，如图3-2所示。在0期间，当为

36、负值时，二极管导电；当为正值时，全控型开关器件导电。逆变电路中与开关管反并联的二极管都是用于感性负载时为感性负载电流提供续流通道。图3-2单相桥式逆变电路电流波形改变开关的门级驱动信号的频率，输出交流电压的频率也随之改变。为保证电路正常工作，和两个开关管不应同时处于通态，和两管不应同时处于通态，否者将出现直流侧短路5。3.2三相电压型逆变主电路三相桥式逆变电路实际应用很广泛，图3-3是电压型桥式逆变电路。同一桥臂上、下上下两个开关互补通、断。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差。这样在任一瞬间，将有三个桥

37、臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。图3-3三相电压型桥式逆变电路下面分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。设负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为，则负载各相的相电压分别为：=-=-=- （3-4）=1/3（+ + ） （3-5）（），、有驱动信号。根据上述分析，负载电阻上的相电压、分别如图3-4、3-5、3-6所示的阶梯波，相位依次相差。图3-4导电波形图3-5导电波形图3-6导电波形负载参数已知时，可以由的波形求出a相电流的波形。图3-7给出的是负载下的波形。上桥臂1中的从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂3中的先导通续流，

38、待负载电流降到零，桥臂3中电流反向时，才开始导通。在0时为桥臂1导电的区间，其中0时为导通，0时为导通；0时为桥臂3导电的区间，其中0时为导通，0时为导通。电感=时，电流的工作波形如图3-7所示：图3-7电流的工作波形电感=时，电流的工作波形如图3-8所示：图3-8电流的工作波形由此可以得出：越大时，的变化率越小。因为串联电感抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。滤除谐波的作用主要由电感完成，因此电感量越大滤除谐波的效果越好。在星形电阻负载下，对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。由图3-8，等效电阻：=+= （3-6）同一个相阶梯波，若将时间坐标的取在阶梯波中点M，纵坐标y位于波形的M点

39、上，则该阶梯波的瞬时值为：图3-8、导通等值电路按图3-9中依序标号的开关器件，其驱动信号彼此间相差，每个开关管的驱动信号持续，在任何时刻都有三个开关管同时导通6。图3-9驱动信号导电波形4三相SPWM逆变器4.1PWM控制技术PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。调制：将一个波形（调制参考波）信号的有关信息加到另一个波形上（载波）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比

40、较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。4.1.1 PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。例如图4-1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图4-1a为矩形脉冲，图4-1b为三角形脉冲，图4-1c为正弦波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图4-1d的单位脉冲函数(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数7。图4-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图4-

41、2a的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图4-1a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出。图4-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。图4-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。4.2SPWM控制技术下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个

42、正弦波。把图4-3a的正弦波分成N等分，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到图4-3b所示的序列脉冲。图4-3用PWM波代替正弦半波详细的分析结论是：对开关器件的通、断状态进行实时、适式的控制，使多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅里叶分析可以得知，输出电压中除基波外仅含有与开关频率倍数相对应的某些高次谐波而消除了

43、许多低次谐波，开关频率（输出电压频率）越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波8。如果按同一比例的正弦规律改变图4-3b中所有矩形脉波的宽度，则可以成比例地调控输出电压中的基波电压数值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方法被称为正弦脉宽调制SPWM。各种PWM控制策略，特别是正弦脉宽调制SPWM控制已在逆变技术中得到广泛应用。4.3SPWM逆变电路及其控制方法PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎采用了PWM技术。如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出

44、来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等要三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广，本文主要介绍这种控制方法。4.3.1 单相桥式PWM逆变电路由于实际

45、中应用的主要是调制法，下面结合具体电路对这种方法作进一步说明。图4-4是采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。具体的控制规律如下：在输出电压的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压等于直流电压；V4关断时，负载通过V1和VD3续流，=0。在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时。因为负，故实际上从VD1和VD4流过，仍有=；V4关断，V3开通后，从V3和VD1续流

46、，=0。这样总可以得到和零两种电平。同样在的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压可以得到-和零两种电平。图4-4单相桥式PWM逆变电路控制V3和V4通断的方法如图4-5所示。调制信号为正弦波，载波在的正半周为正极性的三角波，在的负半周为负极性的三角波。在和的交点时刻控制IGBT的通断。在正半周，V1保持通态，V2保持断态，当时使V4导通，V3关断，=；当时使V4关断，V3导通，=0。在的负半周，V1保持断态，V2保持通态，当时使V3导通，V4关断，=-；当时使V3关断，V4导通，=0。这样就得到了SPWM波形的。像这种在的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种极

47、性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。图4-5单极性PWM控制方式波形和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。图4-4的单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图4-6所示。采用双极性方式时，在的半个周期内，三角载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。在的一个周期内，输出的PWM波只有+和-两种电平，而不象单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。在的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。即当时，给V1和V4以导通信号，给V2和V3以关断信号，这是如0，则V1和V4通，

48、如0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是输出电压=。当时，给V2和V3以导通信号，给V1和V4以关断信号，这时如0，则V2和V3通，如0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是=-9。图4-6双极性PWM控制方式波形4.3.2 三相桥式SPWM型逆变电路图4-7是三相桥式SPWM型逆变电路，这种电路都是采用双极性控制方式。图4-7三相桥式SPWM型逆变电路图4-8中三角形高频载波V1幅值为、频率为，三相调制参考信号正弦电压为V2、V3、V4。图4-8双极性三角载波及三相调制参考波的波形电力电子的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采

49、用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。内部电路如图4-9所示。图4-9光电耦合器光电耦合器是一种把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电路

50、等封装在同一管座内的器件。当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发光，光接受器件接受光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就实现了“电光电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。光电耦合器因为其独特的结构特点，因此在实际使用过程中，具有以下明显的优点：(1) 能够有效抑制接地回路的噪声，消除地干扰，使信号现场与主控制端在电气上完全隔离，避免了主控制系统受到意外损坏。(2) 体积小，器件多采用双列直插封装，具有单通道、双通道以及多达八通道等多种结构，使用十分方便。(3) 由于“光”传输的单向性，所

51、以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。图4-10运算放大器如果在、端分别同时加输入电压-、+，则有：= （4-1） 其中：开环电压放大倍数。这种输入方式称为差动输入，称为差动输入电压。反相比例器：输入信号加入反相输入端，电路如图4-11所示。图4-11反相比例器解方程：= -（-）/（+ ）（+）+（-） （4-2）因为一般很大，很小，很大。所以= -（4-3）由此可以得出：主电路输出电压= -同一相上下两个臂交替导电，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。主电路输出电压波形如图所示：图4-12Vpwm1输出电压波形图4-13Vpwm4输出电压波形正弦调制参

52、考波的幅值与调制参考波的频率共同产生三相调制参考波正弦电压V2(t)、V3(t)、V4(t)。V2(t)、V3(t)、V4(t)再与频率和幅值都固定的双极性三角载波电压V1(t)相比较产生驱动信号控制6个全控型开关器件的通、断状态，从而控制逆变器输出的三相交流相电压的瞬时值。a、b、c三相的PWM控制通常公用一个三角波载波V1，三相的调制信号V2、V3、V4依次相差。a、b和c各相功率开关器件的控制规律相同，先以a相为例来说明。V2V1时，给上桥臂以导通信号，给下桥臂以关断信号，则a相相对于直流电源假想中点N的输出电压= /2。当V2V1时，给以导通信号，给以关断信号，则=-/2。和的驱动信号始终是互补的。当给（）加导通信号时，可能是（）导通，也可能是二极管（）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定，这种和单相桥式PWM型逆变电路在双极性控制时的情况相同。b相及c相的控制方式都和