第六章：无源逆变

1、无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-1无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-2 无源逆变无源逆变直流直流 交流（向负载直接供电）交流（向负载直接供电） 无源逆变电路简称无源逆变电路简称逆变电路逆变电路通常由全控器件构成通常由全控器件构成 逆变与变频逆变与变频逆变电路经常与变频的概念联系在一起逆变电路经常与变频的概念联系在一起变频电路：交交变频和交直交变频两种变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。分组成，后一部分就是逆变。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息

2、学院6-3 无源逆变技术的应用无源逆变技术的应用逆变电路交流负载供电交流负载供电直流电源给交流负载供电直流电源给交流负载供电无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-4交流电源：交流电源：如列车照明、感应加热电源、如列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（电解电镀电源、不停电电源（UPS）、高频）、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等焊机、高频电子镇流器和航空电源等 。 无源逆变技术的应用无源逆变技术的应用交流调速系统：交流调速系统：如铁道牵如铁道牵引、大型工矿机车、城市引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨有轨交通（地铁和轻轨车）、矿井提升设备等。车）、矿井提升设

3、备等。RO1 Brake Control+24VBrake Resistor无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-5 按电路结构分类按电路结构分类桥式桥式零式零式 按输出相数分类按输出相数分类单相单相多相多相 按调制方法分类按调制方法分类PWM（脉冲宽度调制）（脉冲宽度调制）PAM（脉冲宽度调制）（脉冲宽度调制）方波、阶梯波方波、阶梯波 按开关器件导通的角度分类按开关器件导通的角度分类180 导电型导电型120 导电型导电型无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-6 按直流侧电源的性质分类按直流侧电源的性质分类（常用此分类）（常用此分类）电压型逆变器电压型逆变

4、器 电流型逆变器电流型逆变器直流侧电源为直流侧电源为准恒压源准恒压源直流侧电源为直流侧电源为准恒流源准恒流源无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-76.16.1 无源逆变电路的原理无源逆变电路的原理6.3 6.3 三相逆变器工作原理三相逆变器工作原理6.46.4 PWM技术技术6.56.5其它其它PWMPWM控制方法控制方法6.66.6三电平逆变器的原理三电平逆变器的原理无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-8 要求：要求： 了解了解无源逆变电路的分类；无源逆变电路的分类；掌握掌握电压型逆变电电压型逆变电路的工作原理、特点；路的工作原理、特点；掌握掌握三相电

5、压型逆变电三相电压型逆变电路的结构、方波控制情况下工作原理分析、电路的结构、方波控制情况下工作原理分析、电压波形、电流波形；压波形、电流波形；了解了解三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路的结构；的结构；掌握掌握电压型逆变电路与电流型逆变电电压型逆变电路与电流型逆变电路的特点比较；路的特点比较；理解理解方波控制逆变器的缺点；方波控制逆变器的缺点；掌握掌握SPWM技术。技术。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-9 重点：重点： 三相电压型逆变电路的工作原理和特点、正弦三相电压型逆变电路的工作原理和特点、正弦脉宽调制技术（脉宽调制技术（SPWM技术）。技术）。 难点：难点： 脉宽

6、调制技术、分频比的选取对逆变器输出电脉宽调制技术、分频比的选取对逆变器输出电压的影响。压的影响。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-10一、一、 单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路(电压型电压型)1、电路结构、电路结构2、工作原理、工作原理/波形分析波形分析T1导通、导通、T2截止：截止：Uan=Ud /2T1截止、截止、T2导通：导通： Uan=-Ud /2Z+nC01C02T1T2iZD1D2(a)电路OO驱动T1驱动T1驱动T2T023T02T0驱动T23T04T04T0OvanD1T1D2T2iZmiZm=18VDf0L12VDiZiZOD1T1D2T2iZR-L(b

7、)电压波形(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形(e)R-L负载电流波形图6.1单相半桥逆变电路及电压电流波形aVD无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-11由工作原理由工作原理/波形分析得到的结论波形分析得到的结论Z+nC01C02T1T2iZD1D2(a)电路OO驱动T1驱动T1驱动T2T023T02T0驱动T23T04T04T0OvanD1T1D2T2iZmiZm=18VDf0L12VDiZiZOD1T1D2T2iZR-L(b)电压波形(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形(e)R-L负载电流波形图6.1单相半桥逆变电路及电压电流波形aVD T1、T2轮流导

8、通，轮流导通， 使使直流直流交流交流 改变改变T1、T2的切换频率，便的切换频率，便可改变输出交流电的频率可改变输出交流电的频率变频变频。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-12Z+nC01C02T1T2iZD1D2(a)电路OO驱动T1驱动T1驱动T2T023T02T0驱动T23T04T04T0OvanD1T1D2T2iZmiZm=18VDf0L12VDiZiZOD1T1D2T2iZR-L(b)电压波形(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形(e)R-L负载电流波形图6.1单相半桥逆变电路及电压电流波形aVD 与输出电压同方向的电流流与输出电压同方向的电流流过开关管过

9、开关管T，反方向的电流流，反方向的电流流过二极过二极D，因此在，因此在电压型逆变电压型逆变器器中二极中二极D是不可少的，它提是不可少的，它提供了反向电流通路，故称为供了反向电流通路，故称为反反馈二极管馈二极管。同时。同时D又起着使负又起着使负载电流连续的作用，因此又称载电流连续的作用，因此又称为为续流二极管续流二极管。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-13Z+nC01C02T1T2iZD1D2(a)电路OO驱动T1驱动T1驱动T2T023T02T0驱动T23T04T04T0OvanD1T1D2T2iZmiZm=18VDf0L12VDiZiZOD1T1D2T2iZR-L(b

10、)电压波形(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形(e)R-L负载电流波形图6.1单相半桥逆变电路及电压电流波形aVD T1、T2不能同时导通，否不能同时导通，否则将出现直流电源短路则将出现直流电源短路贯穿短路贯穿短路。因此。因此电压型逆变电压型逆变器器同一桥臂上、下管的控制同一桥臂上、下管的控制必须遵循必须遵循“先断后开先断后开”原则。原则。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-143、基本关系、基本关系输出电压有效值输出电压有效值输出电压表达式输出电压表达式基波电压有效值基波电压有效值电感负载电流峰值电感负载电流峰值R-L负载电流基波负载电流基波分量分量5 , 3 ,

11、 1sin2ndantnnUuddUUU45. 0221)sin()(2)(12211tLRUtioLfUdom08/I2422/12/02dTodoanUdtUTU无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-151、电路结构、电路结构2、工作原理、工作原理/波形分析波形分析T1 、T4导通，导通，T2 、T3截截止：止：Uan=Ud T1 、T4截止，截止，T2 、T3导导通：通： Uan=-Ud ZT3T4iZD3D4(a)电路O驱动T2uan图6.2单相全桥逆变电路及电压、电流波形bT1T2D1D2aUD驱动T1、 T4O、 T3驱动T1、 T4(b)负载电压(c)电阻负载电

12、流波形iZO(d)电感负载电流波形iZT0/4T /20T0/43T0L负载R负载D1D4T1T4D2T2D3T3OiZT1T4D1D4D2D3T2T32RL负载(e)R-L负载电流波形无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-163、基本关系、基本关系输出电压表达式输出电压表达式基波电压有效值基波电压有效值电感负载电流峰值电感负载电流峰值R-L负载电流负载电流 其中其中5 , 3 , 1sin4)(nDabtnnUtuDDUUU9 . 0241LfUDom04/I5 , 3 , 11)sin(nnnmotnnZUi22)(LnRZnRLnnarctan无源逆变2022-3-24

13、 长春工业大学人文信息学院6-17一、一、 三相电压型逆变器三相电压型逆变器 负载连接方式负载连接方式型连接型连接Y型连接型连接图6.7电压型三相桥式逆变器电路原理图ZaZbZcD1D3D5D4D6D2T1T3T5T4T6T2nUDabc（一）电路结构（一）电路结构 通常由全控器通常由全控器件组成件组成无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-18 导通顺序导通顺序 六个阶段，依次相差六个阶段，依次相差60 任何时刻有三个管子同时导通任何时刻有三个管子同时导通 各管导通各管导通180 OUG1 tOUG2 tOUG3 tOUG4 tOUG5 tOUG6 tT12T2T3T4T5T

14、6 图6.7电压型三相桥式逆变器电路原理图ZaZbZcD1D3D5D4D6D2T1T3T5T4T6T2nUDabc（二）工作原理（二）工作原理（以以180 导电型方波控制为例导电型方波控制为例）无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-192、各阶段的等值电路及电压值、各阶段的等值电路及电压值图6.7电压型三相桥式逆变器电路原理图ZaZbZcD1D3D5D4D6D2T1T3T5T4T6T2nUDabc无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-203、电压波形、电压波形相电压波形（相电压波形（六阶梯波六阶梯波） 线电压波形（线电压波形（矩形波矩形波）电压型逆变器电压型

15、逆变器： 输出电压波形与负载性质（负载阻抗角）无关。输出电压波形与负载性质（负载阻抗角）无关。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-214、电压表达式、电压表达式相电压表达式相电压表达式线电压表达式线电压表达式.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUudan.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUudab电压型逆变器电压型逆变器方波控制时方波控制时： 输出电压中含有大量的谐波分量，特别是输出电压中含有大量的谐波分量，特别是 5、7、11、13次谐波！次谐波！无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-225、电压表

16、达式、电压表达式（续）（续）相电压有效值相电压有效值线电压有效值线电压有效值dddanUUUU471. 033223342122ddabUUU816. 0)3(242电压型逆变器电压型逆变器方波控制时方波控制时： 交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即方波控制电压型逆变器本身不能调节输出电压。方波控制电压型逆变器本身不能调节输出电压。若想调节逆变器的输出电压，只有通过调节直流若想调节逆变器的输出电压，只有通过调节直流侧电压才能实现。侧电压才能实现。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-231、电路结构：、电路结构：电流型逆变器电流型逆变器

17、： 带感性负载时，输出侧必须接电容以吸收换带感性负载时，输出侧必须接电容以吸收换流时负载电感中存置的能量。流时负载电感中存置的能量。 桥臂必须是桥臂必须是“逆阻型逆阻型”桥臂。桥臂。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-242、工作原理及主要波形、工作原理及主要波形（以（以1200导电方式为例）导电方式为例）功率器件的控制规律功率器件的控制规律OUG1T1OG2OG3OG4OG5T1T2T3T4T5OG6T6T62 22T2T3T42T52T62UUUUU无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-252、工作原理及主要波形、工作原理及主要波形线线电流波形电流波形

18、负载负载型连接时的型连接时的相相电流波形电流波形图6.12电流型三相逆变电路及其波形（b）驱动信号和电流波形（120导电类型）OiaOibOicOiab2 t2ID22电流型逆变器电流型逆变器： 输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）无关！无关！无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-263、线、线电流电流表达式表达式.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttIidA基波电流的幅值为基波电流的幅值为基波电流有效值为基波电流有效值为线电流的有效值为线电流的有效值为ddmAIII1 . 1321ddAIII78. 061ddA

19、III816. 043212无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-27 负载负载 型连接时的型连接时的相电流相电流表达式表达式.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttIidAB电流型逆变器电流型逆变器方波控制时方波控制时： 输出电流中含有大量的谐波分量，特别是输出电流中含有大量的谐波分量，特别是5、7、11、13次谐波！次谐波！ 交流输出电流与直流侧电流的关系固定，交流输出电流与直流侧电流的关系固定，即方波输出电流型逆变器本身不能调节输出电即方波输出电流型逆变器本身不能调节输出电流。若想调节逆变器输出电流，则只有通过调流。若想调节逆变器输出电流，则只有通

20、过调节直流侧电流方式实现。节直流侧电流方式实现。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-281、在电压型逆变器中，同一桥臂上的上、下开关、在电压型逆变器中，同一桥臂上的上、下开关管是否允许同时导通？管是否允许同时导通？2、在电压型逆变器中，为什么开关管两端要反并、在电压型逆变器中，为什么开关管两端要反并二极管？二极管？3、判断对错：、判断对错：（1）电压型无源逆变电路）电压型无源逆变电路 输出电压与负载性质无关输出电压与负载性质无关 输出电流与负载性质无关输出电流与负载性质无关 直流侧电流有脉动直流侧电流有脉动 上、下桥臂的控制需遵循上、下桥臂的控制需遵循“先断后开先断后开”的

21、原则的原则无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-291、电压型逆变器与电流型逆变器特点比较、电压型逆变器与电流型逆变器特点比较：直流侧电路直流侧电路桥臂结构桥臂结构桥臂控制桥臂控制交流输出电路交流输出电路无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-30电压型逆变器与电流型逆变器特点比较电压型逆变器与电流型逆变器特点比较：电压型电压型电流型电流型直流侧直流侧电路电路直流侧直流侧并大电容并大电容，相当于相当于电压源电压源，直，直流侧电容起滤波和流侧电容起滤波和缓冲负载无功的作缓冲负载无功的作用用直流侧直流侧串大电感串大电感，相当于相当于电流源电流源，直，直流侧电感起滤

22、波和流侧电感起滤波和缓冲负载无功的作缓冲负载无功的作用用桥臂结桥臂结构构“逆导型逆导型”桥臂桥臂“逆阻型逆阻型”桥臂桥臂无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-31电压型电压型电流型电流型桥臂控制桥臂控制 上、下桥臂的控制上、下桥臂的控制需遵循需遵循“先断后开先断后开”的原则，并留有足的原则，并留有足够的死区时间，以够的死区时间，以防桥臂贯穿短路防桥臂贯穿短路相邻桥臂的控制相邻桥臂的控制需遵循需遵循“先开后先开后断断”的原则，以的原则，以防负载开路防负载开路交流输出交流输出电路电路输出端不能并接电输出端不能并接电容，以防输出端过容，以防输出端过电流电流输出端必须并接输出端必须并

23、接电容，以吸收感电容，以吸收感性负载换流时电性负载换流时电感上存置的电能感上存置的电能无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-322、电压型逆变器在方波控制时的缺点、电压型逆变器在方波控制时的缺点： 输出电压中输出电压中含有大量的谐波分量含有大量的谐波分量，特别是，特别是 5、7、11、13次谐波！次谐波！ 交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即方波控制电压型逆变器方波控制电压型逆变器本身不能调节输出电本身不能调节输出电压压。若想调节逆变器的输出电压，只有通过。若想调节逆变器的输出电压，只有通过调节直流侧电压，即通过调节直流侧电压，即通过P

24、AM控制方式才能控制方式才能实现。实现。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-33关于关于PWMPWM的若干问题的若干问题1 1、逆变器控制为什么要采用、逆变器控制为什么要采用PWMPWM技术？（方波控技术？（方波控制逆变器的问题制逆变器的问题谐波问题、调压问题）谐波问题、调压问题）2 2、为什么可以用一组脉冲波来等效正弦波呢？、为什么可以用一组脉冲波来等效正弦波呢？（PWMPWM的理论基础的理论基础冲量等效原理）冲量等效原理）Ou tPWM波Ou t无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-343 3、如何等效？（、如何等效？（SPWMSPWM的基本原理）的基

25、本原理）4 4、如何得到、如何得到SPWMSPWM波形？（波形？（SPWMSPWM的实现方法的实现方法离线计算法、调制法离线计算法、调制法单极性调制和双极性单极性调制和双极性调制）调制）5 5、调制法的正弦等效效果如何？（、调制法的正弦等效效果如何？（SPWMSPWM的基波的基波电压问题电压问题分频比分频比N越大，逆变器的输出波越大，逆变器的输出波形越接近正弦。形越接近正弦。）6 6、对脉宽调制的制约条件。、对脉宽调制的制约条件。关于关于PWM的若干问题的若干问题无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-357 7、在变频过程中如何改变、在变频过程中如何改变分频比分频比N？（同步

26、调制、？（同步调制、异步调制问题）异步调制问题）8、如何生成如何生成SPWMSPWM波形？（波形？（SPWMSPWM的实现手段）的实现手段）关于关于PWM的若干问题的若干问题无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-36、方波控制逆变器的输出电压表达式、方波控制逆变器的输出电压表达式相电压表达式相电压表达式线电压表达式线电压表达式.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUudan.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUudab一、为什么要采用一、为什么要采用PWM技术？技术？无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-3

27、7方波控制逆变器的输出电压表达式方波控制逆变器的输出电压表达式（续）（续）相电压有效值相电压有效值线电压有效值线电压有效值dddanUUUU471. 033223342122ddabUUU816. 0)3(242无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-38、方波控制逆变器的问题、方波控制逆变器的问题逆变器本身不能调节输出量幅值逆变器本身不能调节输出量幅值输出量中含有大量的输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波次谐波、解决办法、解决办法采用采用PWM控制技术控制技术无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-39方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f

28、(t)d (t)tOa)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t) 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-40i(t )e(t) 实例实例电路输入：e(t)电路输出：i(t)无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-411、目标函数、目标函数正弦电压正弦电压 使脉冲列电压的作用效果尽量接近正弦波电压的作用使脉冲列电压的作用效果尽量接近正弦波电压的作用效果效果2、基本原理、基本原理（说明（说明SPWM波与正弦波如何等效问题）波与正弦波如何等效问

29、题） 根据冲量等效（面积等效）原理，用一组根据冲量等效（面积等效）原理，用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波。代替正弦波。 按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等效正弦波的幅值。效正弦波的幅值。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-42Ou tSPWM波若要改变等效输出正弦若要改变等效输出正弦波幅值，按波幅值，按同一比例同一比例改改变各脉冲宽度即可。变各脉冲宽度即可。Ou tOu tOu t 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？弦半波？

30、无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-43四、四、SPWM的控制方法的控制方法（说明（说明SPWM波波实现方法实现方法问问题）题）依据依据SPWM的原理，离线的原理，离线计算法计算法根据输出正弦根据输出正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数计算波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉冲的宽度和间隔。波各脉冲的宽度和间隔。v 缺点：计算量大，繁琐。缺点：计算量大，繁琐。调制法调制法将目标函数（波形）作为将目标函数（波形）作为调制信号调制信号，通，通过对过对载波载波的调制得到的调制得到PWM波形。波形。v 一般用等腰三角形波作为载波；一般用等腰三角形波作为载波；v 根据

31、根据输出电压波形的极性输出电压波形的极性可分为可分为单极性单极性（或不（或不对称）对称）调制调制和和双极性双极性（或对称）（或对称）调制调制。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-44 单极性调制单极性调制载波载波在半个周期内三角载波在半个周期内三角载波只有一种极性（在调制波的正半只有一种极性（在调制波的正半周为周为+极性，在调制波的负半周为极性，在调制波的负半周为-极性）。极性）。开关管控制开关管控制正半周正半周：T1导通，导通，T4交替通断（当交替通断（当uruc时导通、时导通、 uruc时导通、时导通、 uruc时时：T1 、T4导通，导通，T2、T3截止，截止，uo=

32、UD uruc时，上桥臂时，上桥臂T1导通，下桥臂导通，下桥臂T4关断，关断，uao=Ud/2；当；当urauc时，时，T4导通，导通，T1关断，关断，uao=-Ud/2。三相调制信号三相调制信号u urara、u urbrb和和u urcrc的相位依次的相位依次相差相差120120。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-49图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud定义载波频率定义载波频率fc与与调制波频率调制波频率fr之比为之比为载波比载波比（分频比）（分频比）NrcffN l三相逆变器一般采用双极性调制三相逆变器一般采用双极性调制无

33、源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-50l三相逆变器一般采用双极性调制三相逆变器一般采用双极性调制图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud定义调制波与载波定义调制波与载波的幅值之比为的幅值之比为调制比调制比（调制深度）（调制深度）McmrmUUM 无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-51l在电压型逆变器输出的在电压型逆变器输出的SPWM电压波形中对负电压波形中对负载有用的只是基波电压，谐波电压在负载上产载有用的只是基波电压，谐波电压在负载上产生谐波电流，只会给负载带来负面影响，如产生谐波电流，只会给负载带来负面影响，

34、如产生谐波损耗、噪音、脉动转矩。因此输出电压生谐波损耗、噪音、脉动转矩。因此输出电压中中基波电压分量越大越好基波电压分量越大越好。0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-52l可以证明当可以证明当n（N） 较大时，较大时，SPWM输出电压波输出电压波形形(uo)中的基波电压与调制信号中的基波电压与调制信号ur的幅值近似成的幅值近似成正比，因此：正比，因此：调节调制信号调节调制信号ur的幅值便可控制输出电压基波的幅值便可控制输出电压基波的幅值的幅值。调节调制信号调节调制信号ur的频率便可控制输出电压基波的频

35、率便可控制输出电压基波的频率的频率0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-53lSPWM脉冲的一般表达式：脉冲的一般表达式：l经数学分析后得到的几个结果和结论：经数学分析后得到的几个结果和结论：（前提条件：（前提条件：n不太少不太少sin( /2n ) /2n sin(d di/2 )ddi/2 ）.)531k()146(sin)(11、kkmtkUtu0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-54 结论一结论一：输出

36、基波电压幅值：输出基波电压幅值U1m与脉宽与脉宽d di有关，有关，因此改变调制信号因此改变调制信号ur的幅值可以改变各脉冲的宽的幅值可以改变各脉冲的宽度，实现对逆变器输出电压基波的平滑调节。度，实现对逆变器输出电压基波的平滑调节。 )196(22) 12(sin411niidmniUUd 此结论说明了如何调节此结论说明了如何调节SPWMSPWM逆变器输出电压问逆变器输出电压问题。题。0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-55 结论二结论二：脉冲宽度与该处正弦值近似成正脉冲宽度与该处正弦值近似成正比，因

37、此输出的比，因此输出的SPWM波是两侧窄、中间宽、波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。)206(sinidminUUd 此结论说明了用调制方法得到的此结论说明了用调制方法得到的SPWMSPWM输出电压输出电压脉冲是按正弦规律分布的。脉冲是按正弦规律分布的。0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-56U1m = Um 此结论进一步说明了如何调节此结论进一步说明了如何调节SPWMSPWM输出电压问输出电压问题，并说明题，并说明SPWMSPWM输出电压

38、的作用效果与其基波输出电压的作用效果与其基波分量的作用效果是一样的。分量的作用效果是一样的。0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U结论三：结论三：SPWM逆变器输出的基波电压与调逆变器输出的基波电压与调制信号的幅值乘正比，该基波电压与被等效的制信号的幅值乘正比，该基波电压与被等效的正弦波电压相等。正弦波电压相等。 无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-57 由整个推导过程得由整个推导过程得结论四结论四：一个调制周期内的一个调制周期内的脉冲数脉冲数n越多，逆变器输出波越多，逆变器输出波形越接近正弦。形越接近正弦。脉冲数脉冲数n能无限多吗？能无

39、限多吗？ 此结论说明了此结论说明了SPWMSPWM输出电压与正弦电压的等效输出电压与正弦电压的等效效果与脉冲数效果与脉冲数n有关，即与载波比（分频比）有关，即与载波比（分频比）N N有关，有关，n越大，等效效果越好。越大，等效效果越好。0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-581、器件的开通时间、器件的开通时间ton、关断时间、关断时间toff对调制比对调制比M的的限制（最小脉宽与最小间歇的限制）：限制（最小脉宽与最小间歇的限制）： 为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成的为保证主电路开关器件的安

40、全工作，必须使调制成的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间于器件的关断时间toff。 因此对因此对M有限制：有限制： M在在01之间，实际上小于之间，实际上小于1。 0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-592、器件开关频率对分频比、器件开关频率对分频比N N的限制：为了使逆变的限制：为了使逆变器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增

41、大器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大N N ，但，但N N必须满足下列条件必须满足下列条件号频率频段内最高正弦调制信关频率功率开关器件的允许开N既然分频比既然分频比N受到限制，那受到限制，那么在调制信号频率变化时应么在调制信号频率变化时应如何改变如何改变N才能保证好的正才能保证好的正弦效果呢？弦效果呢？0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-60l 根据调频过程中载波比的变化情况，根据调频过程中载波比的变化情况，PWMPWM调制方调制方式可分为式可分为异步调制异步调制、同步调制同步调制和和分段同步调

42、制。分段同步调制。1 1、异步调制、异步调制载波信号和调制信号不同步变化的调制方式，载波信号和调制信号不同步变化的调制方式，通常保持通常保持f fc c固定不变，当固定不变，当f fr r变化时，载波比变化时，载波比N N是变是变化的。化的。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-61异步调制异步调制特点：特点：波形对称性差波形对称性差在调制波的半周期内，在调制波的半周期内，PWMPWM波波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后脉冲不对称，半周期内前后1/41/4周期的脉冲也不对周期的脉冲也不对称称；当当

43、f fr r较低时，较低时，N N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小不对称产生的不利影响都较小低频运行区的特低频运行区的特性相对较好；性相对较好；当当f fr r增高时，增高时，N N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉冲不对称的不利影响变大脉冲不对称的不利影响变大高频运行区的高频运行区的特性相对较差特性相对较差。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-622 2、同步调制、同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即

44、变频时使载波与信号波保持同步，即N N等于常数。等于常数。图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud 同步调制三相PWM波形要求：三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。特点：高频运行区特点：高频运行区特性好；低频运行区特性好；低频运行区特性差。特性差。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-63分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz3 3、分段同步调制、分段同步调制异步调制和

45、同步调制的综异步调制和同步调制的综合应用合应用讨论：把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高； 在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换 的方法结论：同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容 易实现可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-64（一）模拟控制生成方式（一）模拟控制生成方式 特点：实时性好，但控制电路复杂，可靠性差特点：实时性好，但控

46、制电路复杂，可靠性差无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-65（二）（二）数字控制生成方式数字控制生成方式专用芯片生成：控制电路简单、可靠且实时性专用芯片生成：控制电路简单、可靠且实时性好。好。用微机实时计算生成用微机实时计算生成SPWMSPWM控制信号：关键问题控制信号：关键问题是如何快速、准确地计算出脉冲宽度。这主要是如何快速、准确地计算出脉冲宽度。这主要取决于脉冲宽度取决于脉冲宽度计算方法计算方法和微机的计算速度。和微机的计算速度。0tu图6.20 双极性PWM控制原理0tcuruofuououDUD-U无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-661、基

47、本概念、基本概念自然采样法自然采样法：按照正：按照正弦调制波与三角载波弦调制波与三角载波的自然交点，采集脉的自然交点，采集脉冲前、后沿时刻，生冲前、后沿时刻，生成成SPWM波形，叫做波形，叫做自然采样法。自然采样法。（Natural Sampling） 1t2t2t1t3TcttABtAtB图6.25生成SPWM波形的自然采样法M sin1tt2无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-67规则采样法：按照某种规则采集脉冲前、后规则采样法：按照某种规则采集脉冲前、后沿时刻，生成沿时刻，生成SPWM波形，叫做规则采样法波形，叫做规则采样法（Regular Sampling）。）。

48、t1t3TcttABtet2t1t3TcttABtd图6.26生成SPWM波形的规则采样法urdDt2E(a) 规则采样法(b) 规则采样法ure(a)(b)无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-682、自然采样法脉宽计算自然采样法脉宽计算ACtMTt11sin2212BActtMTt112sinsin212超越方程，求解困难！虽能确切反映正弦脉宽超越方程，求解困难！虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，却不适于微机实时控制。调制的原始方法，却不适于微机实时控制。1t2t2t1t3TcttABtAtB图6.25生成SPWM波形的自然采样法M sin1tt2BtMTtc13sin

49、2212无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-693、规则采样法、规则采样法II脉宽计算脉宽计算ectMTt12sin1223121tTttc规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法，适合微机实时控制。从而简化了算法，适合微机实时控制。 t1t3TcttABtet2t1t3TcttABtd图6.26生成SPWM波形的规则采样法urdDt2E(a) 规则采样法(b) 规则采样法ure(a)(b)无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-70 电流滞环跟踪控制的原理电流滞环跟踪控制的原理 设定参考电流设定参考电流

50、i i* *环及环宽环及环宽2h 将实际电流将实际电流i i与参考电流与参考电流i i* *比较比较 根据比较结果控制上、下桥臂根据比较结果控制上、下桥臂 图6.29电流滞环跟踪控制的一相原理图ia*2hi+-VDT1T41-iaEaAD1D4OtOt+0.5VD-0.5VDPWM电压波形t1t2t0t1t2(b)(a)图6.30电流滞环跟踪控制时电流波形与PWM电压波形（a）电流滞环跟踪控制时电流波形（b）PWM电压波形2hia=f(t)ia=f(t)*无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-71 电流滞环跟踪控制的特点电流滞环跟踪控制的特点属于闭环控制（跟踪型属于闭环控制（

51、跟踪型PWM控制的共同特点）控制的共同特点）电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关v 环宽大：谐波电流分量大，器件工作频率低；环宽大：谐波电流分量大，器件工作频率低；v 环宽小：谐波电流分量小，器件工作频率高。环宽小：谐波电流分量小，器件工作频率高。开关频率不固定开关频率不固定与与SPWM控制相比电流响应快控制相比电流响应快控制电路简单控制电路简单OtOt+ 0 . 5 VD- 0 . 5 VDP W M 电 压 波 形t1t2t0t1t2( b )( a )图 6 . 3 0 电 流 滞 环 跟 踪 控 制 时 电 流 波 形与 P W M 电 压 波 形（

52、 a ） 电 流 滞 环 跟 踪 控 制 时 电 流 波 形（ b ） P W M 电 压 波 形2 hia= f ( t )ia= f ( t )*无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-72 影响开关频率的因素影响开关频率的因素)366(U2U4112221sdadhLdtdiLEttf 开关频率开关频率fs与环宽与环宽2h成反比成反比; 负载电感负载电感L越大，越大， fs越小；越小； 直流侧电压直流侧电压Ud值越大，值越大， fs越大越大; 参考电流参考电流i i* *的变化率越大，的变化率越大， fs越小；越小； 负载反电势负载反电势Ea越大，越大， fs越小。越小。

53、OtOt+0.5VD-0.5VDPWM电 压 波 形t1t2t0t1t2(b)(a)图 6.30 电 流 滞 环 跟 踪 控 制 时 电 流 波 形与 PWM电 压 波 形（ a） 电 流 滞 环 跟 踪 控 制 时 电 流 波 形（ b） PWM电 压 波 形2hia= f(t)ia= f(t)*无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-73 最大的开关频率发生在最大的开关频率发生在Ea=0（电机堵转）且参（电机堵转）且参考电流考电流i i* *的变化率为零的时刻，此时的变化率为零的时刻，此时)386(,23,28Umax0sthLfd 为了在功率器件的允许开关频率为了在功率器

54、件的允许开关频率 范围内得到范围内得到较好的电流波形，派生出了很多种电流跟踪控较好的电流波形，派生出了很多种电流跟踪控制方法，这些控制方法的实质是：使任何时刻制方法，这些控制方法的实质是：使任何时刻实际开关频率尽可能达到最大设计值。实际开关频率尽可能达到最大设计值。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-74 目标函数目标函数圆型磁通轨迹圆型磁通轨迹SPWM控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，至于电流波形，则还会受负载参数的近正弦波，至于电流波形，则还会受负载参数的影响影响 。电流跟踪控制则直接着眼于输出电流是否按正弦电流跟踪控制则

55、直接着眼于输出电流是否按正弦变化，这比只考察输出电压波形要进了一步。变化，这比只考察输出电压波形要进了一步。 三相异步电机需要输入三相正弦电流的最终目的三相异步电机需要输入三相正弦电流的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。电压空间矢量磁转矩。电压空间矢量PWM控制就是控制就是以产生圆形以产生圆形旋转磁场为目标来控制三相逆变器的输出电压旋转磁场为目标来控制三相逆变器的输出电压 。 无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-751、如何实现如何实现磁链轨迹控制磁链轨迹控制？对异步电动机：对异步电动机： 磁链矢量是电压矢量

56、的积分，因此磁链矢量是电压矢量的积分，因此通过控制通过控制电机定子电压矢量的大小、作用方向、作用时电机定子电压矢量的大小、作用方向、作用时间就可以控制电机的磁链矢量间就可以控制电机的磁链矢量。dtudtIrudtdIruIKTssssssssssss无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-762、 什么是电压空间矢量？什么是电压空间矢量？ 所谓空间矢量是根据电机绕组的空间位置来定义的。所谓空间矢量是根据电机绕组的空间位置来定义的。在垂直于电动机轴的一个平面上，取电机定子三相绕组的在垂直于电动机轴的一个平面上，取电机定子三相绕组的轴线（它们在空间互差轴线（它们在空间互差120度）

57、，把三相系统中的三个时度），把三相系统中的三个时间变量（电压）看成是分别位于三相绕组轴线上的三个矢间变量（电压）看成是分别位于三相绕组轴线上的三个矢量量uA0、uB0和和uC0，其方向始终在各相的轴线上，而大小则，其方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间变化。三个电压矢量相加，就成为合成空间矢量随时间变化。三个电压矢量相加，就成为合成空间矢量us，它是一个旋转的空间矢量。它是一个旋转的空间矢量。uA0uSuB0uC0无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-77 三相电压型逆变器共有三相电压型逆变器共有8种工作状态，即共有种工作状态，即共有8种电压空间矢量，即：种电压空间矢量，即

58、：2种零电压矢量和种零电压矢量和6种非种非零电压矢量。零电压矢量。 uS1uS2uS3uS4uS5uS6uS0uS7uA0uSuB0uC0us1 100 (612通通)us2 110 (123通通)us3 010 (234通通)us4 011us5 001us6 101us7 111us0 000无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-78、磁链的运动方向与电压空间矢量的方向一致、磁链的运动方向与电压空间矢量的方向一致11u1u1图 6.35 旋 转 磁 场 与 电 压 空间 矢 量 运 动 轨 迹 的 关 系u4u3u2u1u6u5/3u8u7.图6.37由PWM逆变器供电时

59、三相电机的电压空间矢量方波控制时的磁链轨迹方波控制时的磁链轨迹正弦电压作用下的正弦电压作用下的磁链轨迹磁链轨迹dtuIKTssss无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-7918脉冲开关模式脉冲开关模式PWM控制时的磁链轨迹控制时的磁链轨迹无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-8030脉冲开关模式脉冲开关模式PWM控制时的磁链轨迹控制时的磁链轨迹u4u3u2u1u6u5/3u8u7.图6.37由PWM逆变器供电时三相电机的电压空间矢量11u1u1图6.35旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-81lPWM控

60、制技术在电力电子领域有着广泛的应控制技术在电力电子领域有着广泛的应用，它推动了电力电子技术的发展用，它推动了电力电子技术的发展l谐波消除谐波消除PWM技术（即波形控制）技术（即波形控制）在晶闸管在晶闸管逆变器上用得较多，在开关频率不高的情况下逆变器上用得较多，在开关频率不高的情况下它消除了危害最严重的谐波它消除了危害最严重的谐波l电流跟踪控制电流跟踪控制PWM技术技术要求功率开关器件具要求功率开关器件具有较高的开关频率，通常只用在有较高的开关频率，通常只用在IGBT逆变器逆变器上。上。无源逆变2022-3-24 长春工业大学人文信息学院6-82lSPWM技术技术和和电压空间矢量电压空间矢量PW