PWM逆变器_修订版

1、脉宽调制型（脉宽调制型（PWM）逆变器）逆变器Pulse Width ModulationPulse Width Modulation讲课目录讲课目录邱邱 浩：带电流滞环跟踪的逆变器控制浩：带电流滞环跟踪的逆变器控制曾曾 快：快：SPWM单双极性调制单双极性调制李李 杰：杰：SPWM波的调制条件和同步、异步、分段调制比较波的调制条件和同步、异步、分段调制比较沈子乂：基础概念准备沈子乂：基础概念准备回回 璇：璇：PWM调制在交调制在交-直直-交系统中的优势交系统中的优势赵晓阳：电压型和电流型赵晓阳：电压型和电流型PWM调制比较调制比较卿卿 怡：怡：SPWM波的计算法波的计算法梁梁 达：三相桥式达

2、：三相桥式PWM调制调制 基础概念准备基础概念准备（）（）PWM的定义：的定义：用直流斩波的方法，将逆变器的输出相电压调制成幅值用直流斩波的方法，将逆变器的输出相电压调制成幅值相等的若干个矩形电压脉冲，通过调节占空比改变脉冲宽度，即可改变输出相等的若干个矩形电压脉冲，通过调节占空比改变脉冲宽度，即可改变输出电压的大小，而调节一个周期的循环开断时间可改变输出电压的频率，从而电压的大小，而调节一个周期的循环开断时间可改变输出电压的频率，从而在逆变器上实现在逆变器上实现VVVFVVVF的综合控制。的综合控制。（）核心依据：（）核心依据：在具有惯性环节（电容、电感储能元件）的电路中，能用等在具有惯性环

3、节（电容、电感储能元件）的电路中，能用等面积的等幅不等宽的脉冲序列等效正弦波。面积的等幅不等宽的脉冲序列等效正弦波。（3 3）脉冲序列：）脉冲序列：用来用来控制逆变器控制逆变器功率功率开关元件的开关元件的通断，以使逆变器输出电压波。（通断，以使逆变器输出电压波。（通过通过载波、调制波、比较器获得）载波、调制波、比较器获得） 基础概念准备基础概念准备（4 4）全控器件的等效电路）全控器件的等效电路与与开关特性开关特性IGBT的等效电路如的等效电路如左左图所示。由图图所示。由图可知可知,若在若在IGBT的栅极的栅极（G）和发射极和发射极(E)之间加上驱动正电压之间加上驱动正电压,则则MOSFET导

4、通导通,这这样样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通状态而使得晶体管导通;若若IGBT的栅极和的栅极和发射极之间电压为发射极之间电压为0V或负电压或负电压,则则MOSFET截止截止,切断切断PNP晶体管基极电流晶体管基极电流的供给的供给,使得晶体管截止。使得晶体管截止。SPWM单极性和双极性调制单极性和双极性调制以等腰三角形载波以等腰三角形载波ut和参考正弦波和参考正弦波ur的相交关系，可以产生的相交关系，可以产生SPWM调制波。调制波。truu 当参考电压当参考电压ur在正半波时，若在正半波时，若truu ，则调制波，则调制波up=0;若若，

5、则，则up为宽度为宽度不等的矩形脉冲波，矩形面积所表示的输出电压的有效值大小符合正弦分布规律，不等的矩形脉冲波，矩形面积所表示的输出电压的有效值大小符合正弦分布规律，称这种脉冲序列为称这种脉冲序列为SPWM序列。序列。 当当ur在负半周期时，需要把在负半周期时，需要把ur正半波的正半波的SPWM序列反响，得到一个周期的、幅值序列反响，得到一个周期的、幅值在在0up变化的脉冲序列，称为单极性变化的脉冲序列，称为单极性SPWM调制模式，如下图所示：调制模式，如下图所示：SPWM单极性和双极性调制单极性和双极性调制 如果在每个焦点如果在每个焦点ur=ut处同时产生正、负触发脉冲，在一个半周内既有处同

6、时产生正、负触发脉冲，在一个半周内既有up又有又有-up脉冲序列。这种调制称为双极性脉冲序列。这种调制称为双极性SPWM调制模式，如下图所示：调制模式，如下图所示：SPWM单极性和双极性调制单极性和双极性调制在两电平电路中，双极在两电平电路中，双极性控制能够控制同一个性控制能够控制同一个桥臂上的功率器件互补桥臂上的功率器件互补通断，前提是遵循先断通断，前提是遵循先断后通原则。虽然矩形脉后通原则。虽然矩形脉冲组成有正有负，但在冲组成有正有负，但在逆变器输出端只能是电逆变器输出端只能是电压平均值，显然在正半压平均值，显然在正半周期周期+Ud/2脉冲合成面积脉冲合成面积大于大于-Ud/2的面积，电压

7、的面积，电压平均值为正，且电压脉平均值为正，且电压脉冲宽度任然符合正弦分冲宽度任然符合正弦分布，因此近似于正弦电布，因此近似于正弦电压。同理，负半周期逆压。同理，负半周期逆变器输出负值正弦。变器输出负值正弦。三相桥式三相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路 电路用途：电路用途：三相桥式三相桥式PWM变频电路是变频电路是PWM变频电路中使用最多的，它被广泛变频电路中使用最多的，它被广泛应用在异步电动机的变频调速中应用在异步电动机的变频调速中，其控制方式为双极性方式。其控制方式为双极性方式。 电路组成：电路组成：不控整流环节，采用不控整流环节，采用6个二极管个二极管VD1VD6整流；逆变环节，整流；逆

8、变环节，6个个快快速功率开关器件速功率开关器件IGBT和和6个快速续流二极管个快速续流二极管DF1DF6组成组成;三相对称负载，大多为三相对称负载，大多为感性；调制电路，用于控制感性；调制电路，用于控制IGBT通断。通断。开关脉冲的产生开关脉冲的产生载波信号载波信号参考参考信号信号参考参考信号信号载波信号载波信号参考参考信号信号载波信号载波信号 三相三相参考参考信号信号ura、urb、urc分别为三相正弦波信号，分别为三相正弦波信号，其其幅幅值和频率均相等，相位依次差值和频率均相等，相位依次差120度度。 A、B、C三相的三相的PWM控制共用一个三角波信号控制共用一个三角波信号ut,其其PWM

9、控制规律相同。控制规律相同。 现在以现在以A相为例，当相为例，当uraut时，使时，使VT1导通，导通，VT4关断；当关断；当uraut时，使时，使VT1关断，关断，VT4导通。导通。VT1、VT4的驱动信号始终互补的驱动信号始终互补。 调制电路内部的调制电路内部的本质是若干比较电路。本质是若干比较电路。将参考信号和载波信将参考信号和载波信号进行比较来控制号进行比较来控制IGBT通断。通断。此波形可以看作是此波形可以看作是IGBT的的开关脉冲，正脉冲时开关脉冲，正脉冲时VT1导通，导通，VT4关断；负脉冲关断；负脉冲时时VT4导通，导通，VT1关断。关断。三相正弦三相正弦PWM波形波形 由图可

10、以看出，任何时刻始终都有两由图可以看出，任何时刻始终都有两相调制信号电压大于载波信号电压，即总相调制信号电压大于载波信号电压，即总有两个有两个IGBT处于导通状态，所以负载上处于导通状态，所以负载上的电压是连续的正弦波。其余两相的控制的电压是连续的正弦波。其余两相的控制规律与规律与A相相同。相相同。 在双极性控制方式中，同一相上下两在双极性控制方式中，同一相上下两桥臂的驱动信号都是互补的。但为了防止桥臂的驱动信号都是互补的。但为了防止上下两桥臂直通而造成短路，要遵循上下两桥臂直通而造成短路，要遵循“先先断后通断后通”的原则，在给一个桥臂加关断信的原则，在给一个桥臂加关断信号后，再延迟一小段时间

11、，才给另一个桥号后，再延迟一小段时间，才给另一个桥臂加导通信号。延迟时间主要由功率开关臂加导通信号。延迟时间主要由功率开关的关断时间决定。的关断时间决定。三相桥式三相桥式PWM变频器也是靠同时改变频器也是靠同时改变三相参考信号（调制信号）变三相参考信号（调制信号）ura、urb、urc的调制周期来改变输出电压频率的，的调制周期来改变输出电压频率的，靠改变三相参考信号的幅度即可改变输出靠改变三相参考信号的幅度即可改变输出电压的大小。电压的大小。PWM变频器用于异步电动变频器用于异步电动机变频调速时，为了维持电动机气隙磁通机变频调速时，为了维持电动机气隙磁通恒定，输出频率和电压大小必须进行协调恒定

12、，输出频率和电压大小必须进行协调控制，即改变三相参考信号调制周期同时控制，即改变三相参考信号调制周期同时必须相应改变其幅值。必须相应改变其幅值。仿真仿真从逻辑的角度讲解其原理：从逻辑的角度讲解其原理：开关脉开关脉冲电路冲电路逆变电路逆变电路负负载载仿真仿真脉冲开关电路脉冲开关电路仿真仿真逆变电路逆变电路相当相当于两于两个电个电容串容串联支联支路。路。仿真仿真 波的计算法波的计算法为简化算法难度，常采用对称规则采样法，原理图如下：为简化算法难度，常采用对称规则采样法，原理图如下：由模拟电路过度道微机数字计算由模拟电路过度道微机数字计算 在相邻的两个三角波的中点（也即是在相邻的两个三角波的中点（也

13、即是相反三角波的顶点）引一垂线，与参考电相反三角波的顶点）引一垂线，与参考电压压ur交于交于E点，该点参考波点，该点参考波ur的相角所对应的相角所对应的时间的时间te也即为已知。从交点也即为已知。从交点E作平行直线作平行直线与相邻的三角波交于与相邻的三角波交于A、B两点，则对应的两点，则对应的时间间隔时间间隔t2便为便为ur在在te时刻的时刻的SPWM波的波的脉宽。脉宽。)Tt2sin(UU2T2Trtmrmcc2t由图解法可推导出：由图解法可推导出：式中：式中：Tc三角载波周期（三角载波周期（s）；）；Tr正弦参考波周期（正弦参考波周期（s）；）；Urm正弦参考波电压幅值（正弦参考波电压幅值

14、（V）；）；Utm三角载波电压幅值（三角载波电压幅值（V）。）。 使用规则采样法计算得到的脉宽使用规则采样法计算得到的脉宽t2和准和准确值在起始点和终了时间点上有很小的误差，确值在起始点和终了时间点上有很小的误差，一般对控制不会产生影响。一般对控制不会产生影响。 波的计算法波的计算法不对称规则采样法：不对称规则采样法：采用在每个载波周期采样两次，即在三角波的顶点位采用在每个载波周期采样两次，即在三角波的顶点位置采样，又在三角波的底点位置采样，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近置采样，又在三角波的底点位置采样，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。不对称规则采样法生成程度会大大提高。不对称规

15、则采样法生成SPWM的原理图如下所示。的原理图如下所示。ABTct20tUd1 等效面积法等效面积法:在采样控制理论有中一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲在采样控制理论有中一个重要的结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。正弦脉宽调加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。正弦脉宽调制的基本原理就是按面积相等的原则构成与正弦等效的一系列等幅不等宽的矩形脉制的基本原理就是按面积相等的原则构成与正弦等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效面积法就是根据已知数据和正弦数值依次算出每个脉冲的宽度，通过冲波形。等效面积法

16、就是根据已知数据和正弦数值依次算出每个脉冲的宽度，通过查表的方式实时控制查表的方式实时控制。其原理图如下：。其原理图如下：Sk10a波的调制条件波的调制条件 SPWM波实质上是功率器件的驱动脉冲，所以与电压型逆变器输出电波实质上是功率器件的驱动脉冲，所以与电压型逆变器输出电压波形抑制。因此受到对逆变器的性能要求特别是功率元件允许的工作条件压波形抑制。因此受到对逆变器的性能要求特别是功率元件允许的工作条件的限制。的限制。（1）调制比的限制。调制比定义为：）调制比的限制。调制比定义为：tmmUUM 在双极性在双极性SPWM波中，最小脉宽出现在波中，最小脉宽出现在ur接近载波接近载波ut峰值的峰值的

17、两交点间，此处的最小脉宽时间必须保证大于功率元件的关断时两交点间，此处的最小脉宽时间必须保证大于功率元件的关断时间间toff使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般M不大于不大于0.9。波的调制条件波的调制条件（2）载波比的限制。在波比定义为：）载波比的限制。在波比定义为：rtffN式中：式中：ft表示三角波频率（表示三角波频率（Hz）fr表示正弦参考波频率（表示正弦参考波频率（Hz） 载波比是一个周期参考正弦波内三角载波的周期数，在载波比是一个周期参考正弦波内三角载波的周期数，在fr一定的情一定的情况下，显然载波比况下，显然载波比N越大，逆变器输出电压

18、波形越接近理想正弦波；越大，逆变器输出电压波形越接近理想正弦波；但同时开关元件的开、断频率也就越高，因此载波比受到元件的开、但同时开关元件的开、断频率也就越高，因此载波比受到元件的开、断频率允许值的限制。断频率允许值的限制。同步、异步、分段调制同步、异步、分段调制 载波比载波比N=常数，一个周期内的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的，当逆常数，一个周期内的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的，当逆变电路频率低时，载波频率低。当其过低时，调制带来的谐波不易滤除。而过高时变电路频率低时，载波频率低。当其过低时，调制带来的谐波不易滤除。而过高时会使开关元件难以承受，并且同步比异步复杂。会使开关元件难以

19、承受，并且同步比异步复杂。 这种方式通常保持载波频率这种方式通常保持载波频率fc不变，所以当信号波频变化时也会变化，载波比不变，所以当信号波频变化时也会变化，载波比也会变化。在信号波半个周期内脉冲数、相位是不固定的。当频率较低时，载波比也会变化。在信号波半个周期内脉冲数、相位是不固定的。当频率较低时，载波比较大，一个周期产生的脉冲数过多，使较大，一个周期产生的脉冲数过多，使PWM波形更接近正弦波。而当信号波频较波形更接近正弦波。而当信号波频较高时，高时，N减小，脉冲数减小，减小，脉冲数减小，PWM脉冲不对称影响大，信号波可能随脉冲不对称影响大，信号波可能随PWM脉冲跳脉冲跳动，这使输出动，这使

20、输出PWM波和正弦波差异较大。波和正弦波差异较大。 把逆变电路的输出频率分成若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不把逆变电路的输出频率分成若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。它可以在高频段采用较低的载波比，使载波比不致于过高，可限制在同的载波比。它可以在高频段采用较低的载波比，使载波比不致于过高，可限制在功率器件允许的范围内。而再低频段采用较高的载波比，以使载波频率不至于过低功率器件允许的范围内。而再低频段采用较高的载波比，以使载波频率不至于过低而对负载产生不利影响。而对负载产生不利影响。异步调制：异步调制：分段同步调制：分段同步调制：同步调制：同步调制：PWM调制在

21、交调制在交-直直-交系统中的优势交系统中的优势变频器是一种能提供频率及电压同时变化的电力电子装置。变频器是一种能提供频率及电压同时变化的电力电子装置。间接变频器：（交间接变频器：（交直直交变频器）交变频器） 整流（调压）整流（调压） 逆变（调频）逆变（调频） 交流交流 直流直流 交流交流特点：调频范围宽，应用广泛。特点：调频范围宽，应用广泛。直接变频器：（交直接变频器：（交交变频器）交变频器） （变频）（变频） 交流交流 交流交流 特点：一次功率变换控制效率高但是输出频率低，最高输出频率一般为输入频率的特点：一次功率变换控制效率高但是输出频率低，最高输出频率一般为输入频率的1/31/31/21

22、/2，而且控制复杂，对电网产生较大的无功和谐波污染，通常用于低频场，而且控制复杂，对电网产生较大的无功和谐波污染，通常用于低频场合合可控整流器调压，逆变器调频可控整流器调压，逆变器调频调压和调频功能分别在两个环节上实现，有控制电路调压和调频功能分别在两个环节上实现，有控制电路进行协调配合，结构简单，控制方便。装置输入环节进行协调配合，结构简单，控制方便。装置输入环节采用可控整流。当低频低压运行时，移向触发角很大，采用可控整流。当低频低压运行时，移向触发角很大，致使装置功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型逆致使装置功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型逆变器，开关频率低输出谐波成分大。变器，开关频

23、率低输出谐波成分大。不控整流器整流，斩波器调压，逆变器调频不控整流器整流，斩波器调压，逆变器调频采用二极管整流输入，功率因数提高。由于输出逆变采用二极管整流输入，功率因数提高。由于输出逆变环节功率器件采用晶闸管，输出谐波成分依然较大。环节功率器件采用晶闸管，输出谐波成分依然较大。不控整流器整流，不控整流器整流，PWM逆变器同时实现调频调压逆变器同时实现调频调压是变频调速系统可以只有一个控制功率级，从而简化了主回是变频调速系统可以只有一个控制功率级，从而简化了主回路，其输入端可以采用二极管整流，使电网的功率系数较高，路，其输入端可以采用二极管整流，使电网的功率系数较高，系统有较高的效率。系统有较

24、高的效率。输出电压仅由逆变器本身控制，电压调节速度快，系统动态输出电压仅由逆变器本身控制，电压调节速度快，系统动态性能好。性能好。采用较高频率调制时可以得到高质量的输出电压波形，抑制采用较高频率调制时可以得到高质量的输出电压波形，抑制了较低次数的高次谐波，降低谐波损耗，扩大了调速范围。了较低次数的高次谐波，降低谐波损耗，扩大了调速范围。电压型和电流型电压型和电流型PWM调制比较调制比较 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可以分为两种，直流侧为电压源的为逆变电路根据直流侧电源性质的不同可以分为两种，直流侧为电压源的为电压型电压型逆变电路逆变电路，直流侧为电流源的为，直流侧为电流源的为电流型逆变电路

25、电流型逆变电路。 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗； 由于直流电压源的箝位作用，逆变交流输出的电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，由于直流电压源的箝位作用，逆变交流输出的电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧的电流波形和相位因负载的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。而交流侧的电流波形和相位因负载的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。 当交流侧位感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为给交当交流侧位感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功

26、能量的作用，为给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，各桥臂都反并联了二极管，逆变电路从直流侧向交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，各桥臂都反并联了二极管，逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故传送功率的脉动是由直流电流的脉动流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故传送功率的脉动是由直流电流的脉动体现出来的，电压型逆变器不能进行四象限运行，当负载电动机需要制动时，需要另行体现出来的，电压型逆变器不能进行四象限运行，当负载电动机需要制动时，需要另行安装制动系统。安装制动系统。电电压压型逆变器的主要特点：型逆变器的主要特点：电压型和电流型电压型和电流型PWM调制比较调制比较

27、电流型逆变器的主要特点：电流型逆变器的主要特点： 直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，因为各开关器件主要起改交直流电流流通路径的作用因为各开关器件主要起改交直流电流流通路径的作用。 交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧的电压波形和相位因负载的阻抗交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧的电压波形和相位因负载的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管；逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电流无脉动，故传极管；逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电流无脉动，故传送功率的的脉动是由直流电压的脉动体现出来的。送功率的的脉动是由直流电压的脉动体现出来的。 变频器的设计根据配套系统容量的大小以及一些具体的要求变频器的设计根据配套系统容量的大小以及一些具体的要求来选择适当的主电路拓扑结构。对于电流型变频器来说，其