第4章逆变电路(2)

1、1济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11第四章直流/ /交流逆变器复习上节内容复习上节内容方波逆变器方波逆变器一、电压型一、电压型方波方波逆变器逆变器三、电压型三、电压型阶梯波阶梯波逆变器逆变器二、电流型逆变电路二、电流型逆变电路特点：电流源、交流输出电特点：电流源、交流输出电流为矩形波、采用半控器流为矩形波、采用半控器件、换流方式、应用。件、换流方式、应用。2济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-114.4 PWM控制技术控制技术PWM (Pulse Width Modulation)控制就是控制就是脉宽调脉宽调制技术：制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，即通过对一

2、系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 PWM控制的思想源于控制的思想源于通信技术通信技术，全控型器件的，全控型器件的发展使得实现发展使得实现PWM控制变得十分容易。控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛。技术的应用十分广泛。3济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 PWM使电力电子装置的使电力电子装置的性能性能大大提高，因此大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。的地位。 PWM控制技术正是有赖于在控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成中的成功应用

3、，才确定了它在电力电子技术中的重功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。技术。4济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-114.4.1PWM控制的基本思想控制的基本思想 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d)单位脉冲函数ttOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOO一、重要理论基础一、重要理论基础面积等效原理面积等效原理 冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性惯性的的环节上时，其环节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量 窄脉冲

4、的面积窄脉冲的面积5济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 惯性环节惯性环节的输出一的输出一开始开始并不与输入同步按比例变并不与输入同步按比例变化，直到化，直到过渡过程过渡过程结束，结束，y(t)才能与才能与x(t)保持比例。保持比例。这就是惯性地反映。这就是惯性地反映。惯性环节的时间常数就是惯性大小的量度。惯性环节的时间常数就是惯性大小的量度。 凡是具有惯性环节特性的实际系统，都具有一个凡是具有惯性环节特性的实际系统，都具有一个存储元件存储元件或称容量元件，进行物质或能量的存储，或称容量元件，进行物质或能量的存储，如电容、热容等。如电容、热容等。6济南大学物理学院济南大学物理学院

5、2022-6-11具体的实例说明具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”u (t)电压窄脉冲，电压窄脉冲， 是电路的输入。是电路的输入。i (t)输出电流，是电路的响应。输出电流，是电路的响应。4-67济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11效果基本相同：效果基本相同：环节的输出响应波形基本相同环节的输出响应波形基本相同OuttOtt8济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到到PWM 波形，因此正弦波一个完整周期的波形，因此正弦波一个完整周期的等效等效PWM波为：波为：O t-U dU duof

6、表示表示uo的基波分量的基波分量9济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11根据面积等效原理，正弦波还可等效为下根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的图中的PWM 波，而且这种方式在实际应用波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。中更为广泛。 t- U dOU d10济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11等幅等幅PWM波波输入电源是恒定直流：输入电源是恒定直流： 直流直流斩波斩波电路电路 PWM逆变电路逆变电路 PWM整流电路整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不输入电源是交流或不是恒定的直流：是恒定的直流：斩控式斩控式交流调压电路交流调压电路 矩阵式矩阵式变频

7、电路变频电路OUd- Ud tUto11济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11电流型逆变电路进行电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是控制，得到的就是PWM 电流波。电流波。PWM波可等效的各种波形波可等效的各种波形直流斩波电路直流斩波电路SPWM波波直流波形直流波形 正弦波形正弦波形等效成其他所需波形，如等效成其他所需波形，如:0s-20V0V20V5ms10ms15ms20ms25ms30ms 所需波形所需波形等效的等效的PWM波波二、二、PWM电流波电流波12济南大学物理学院济南大学物理学院 目前中小功率的逆变电路几乎都采用目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。技术。

8、 逆变电路是逆变电路是PWM控制技术最为重要的应控制技术最为重要的应用场合。用场合。 PWM逆变电路也可分为逆变电路也可分为电压型电压型和和电流电流型型两种，目前实用的两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电逆变电路几乎都是电压型电路。压型电路。2022-6-114.4.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法13济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11一、一、计算法和调制法计算法和调制法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计 算算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路 开关器件的通断，就

9、可得到所需开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位 变化时，结果都要变化。变化时，结果都要变化。1. 计算法计算法14济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-112. 调制法调制法 把希望输出的波形作为把希望输出的波形作为调制信号调制信号，把接受调制的，把接受调制的信号作为信号作为载波载波，通过信号波的调制得到所期望的，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。波形。 通常采用通常采用等腰三角波等腰三角波或或锯齿波锯齿波作为载波，其中等作为载波，其中等腰三角波应用最多。腰三角波应用最多。 15济南大学

10、物理学院济南大学物理学院2022-6-11结合结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明电路工作过程：电路工作过程： 工作时工作时V1和和V2通断通断互补互补，V3和和V4通断通断也互补也互补，比如在，比如在uo正半周，正半周，V1导通，导通，V2关断，关断，V3和和V4交交替通断。替通断。Otuofuo Ud-Ud16济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 负载电流比电压滞后，在电压正半周，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。电流有一段区间为正，一段区间为负。u在负载电流为正的区间，在负载电流为正的区间

11、，V1和和V4导通时，导通时，uo=Ud。uV4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V1和和VD3续流，续流，uo=0。u在负载电流为负的区间，在负载电流为负的区间， 仍为仍为V1和和V4导通时，因导通时，因io为负，故为负，故io实际上从实际上从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有uo=Ud。tUoiot1t217济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11uV4关断，关断，V3开通后，开通后，io从从V3和和VD1续流，续流，uo=0。uuo总可以得到总可以得到Ud和零两种电平。和零两种电平。u在在uo的负半周，让的负半周，让V2保持通态，保持通态，V1保持断保持断态，态，V3和

12、和V4交替通断，交替通断，负载电压负载电压uo可以得到可以得到-Ud和和零零两种电平。两种电平。 tUoiot1t218济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形ucuruOtOtuouofuoUd-Ud表示表示uo的基波分量的基波分量在在ur和和uc的交点时刻控制的交点时刻控制IGBT的通断的通断1）单极性）单极性PWM控制方式控制方式 调制信号调制信号ur为正弦波，载波为正弦波，载波uc在在ur的正半周为的正半周为正极性正极性的三角的三角波，在波，在ur的负半周为的负半周为负极性负极性的的三角波。三角波。 19济南大学物理学院济南大学

13、物理学院2022-6-11urucuOtOtuouofuoUd-Udu 在在ur的正半周，的正半周，V1保持通态，保持通态，V2保持断态。保持断态。u当当uruc时使时使V4导通，导通，V3关关断，断，uo=Ud。u当当uruc时使时使V4关断，关断，V3导通，导通，uo=0。 u在在ur的负半周，的负半周，V1保持断保持断态，态，V2保持通态。保持通态。u当当uruc时使时使V3关断，关断，V4导通，导通，uo=0。20济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11同样在调制信号同样在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对

14、各开关器正负半周，对各开关器件的控制规律相同。件的控制规律相同。在在ur的半个周期内，三角波的半个周期内，三角波载波有正有负，所得载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有波也有正有负，其幅值只有Ud 两种电平。两种电平。双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形uOtOtuouofuoUd-Uduruc。2） 双极性双极性PWM控制方式控制方式21济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11当当ur uc时时，给，给V1和和V4导通信号，导通信号，给给V2和和V3关断信号。关断信号。如如io0，V1和和V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通， uo=Ud 。当当ur

15、uc时时，给，给V2和和V3导通信号，导通信号，给给V1和和V4关断信号。关断信号。如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud 。双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形uOtOtuouofuoUd-Uduruc。22济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11双极性PWM控制方式波形 tO tu ou ofuoU d- U d 单极性PWM控制方式波形u ru cuOuOtOtuouofuo Ud-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单 极极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断性调制，也可采用双极性调制，由于

16、对开关器件通断 控制控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。4-2223济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路3. 双极性双极性PWM控制方式控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变） U、V和和W三相的三相的PWM控制通常公用一个三控制通常公用一个三角波载波角波载波uc，三相的调制信号，三相的调制信号urU、urV和和urW依次依次相差相差120。 24济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路电路工作过程（电路工作过程（U相为例）：相为例）：

17、u 当当urUuc时，上桥臂时，上桥臂V1导通，下桥臂导通，下桥臂V4关断，关断，则则U相相对于直流电源假相相对于直流电源假想中点想中点N的输出电压的输出电压uUN=Ud/2。 25济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路电路工作过程（电路工作过程（U相为例）：相为例）：u当当urUuc时，时，V4导通，导通，V1关关断，则断，则uUN=-Ud/2。 uV1和和V4的驱动信号始终的驱动信号始终是互补的。是互补的。26济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路电路工作过程（电路工作过程（U相

18、为例）：相为例）：u当给当给V1(V4)加导通信号时，加导通信号时，可能是可能是V1(V4)导通，也可能导通，也可能是二极管是二极管VD1(VD4)续流导续流导通，这要由阻感负载中电通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。流的方向来决定。27济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路电路工作过程（电路工作过程（U相为例）：相为例）：uuUN、uVN和和uWN的的PWM波波形都只有形都只有Ud/2两种电平。两种电平。28济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11输出输出线电压线电压PWM波由波由Ud和和0三种电平构成。三种电平构成。 当臂

19、当臂1和和6导通时，导通时，uUV=Ud。 当臂当臂3和和4导通时，导通时，uUV=Ud。 当臂当臂1和和3或臂或臂4和和6导通时，导通时，uUV=0。 负载相电压负载相电压uUN可由下式求得可由下式求得 3WNVNUNUNUNuuuuu负载相电压的负载相电压的PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。 29济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间。死区时间的长

20、短主要由开关器件的关断。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。时间决定。 死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWM波带来影响，波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。使其稍稍偏离正弦波。30济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-111. 异步调制异步调制: 载波信号和调制信号不同步的调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式二、异步调制和同步调制二、异步调制和同步调制载波比：载波频率载波比：载波频率fc与调制信号频率与调制信号频率fr之比，之比，N= fc / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为调制方式分为异

21、步调制异步调制和和同步调制同步调制。 通常保持通常保持fc固定不变，当固定不变，当fr变化时，载波比变化时，载波比N是变是变化的。化的。31济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-114-31 当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产脉冲不对称产 生的不利影响都较小。生的不利影响都较小。 当当fr增高时，增高时，N减小，一周期内的脉冲数减减小，一周期内的脉冲数减少，少，PWM脉冲不脉冲不 对称的影响就变大对称的影响就变大 在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对固定

22、，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后称，半周期内前后1/4周期周期 的脉冲也不对称。的脉冲也不对称。32济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时时 使载波与信号波保持同步，即使载波与信号波保持同步，即N等于常数。等于常数。urUucurVurWuuUNUd 2uVNO uWNOOttttO2Ud同步调制三相同步调制三相PWM波形波形4-322. 同步调制同步调制 基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr 变化时变化时N不变，信号波一不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。周期内输出脉

23、冲数固定。 三相电路中公用一个三相电路中公用一个三角波载波，且取三角波载波，且取N为为3的整数倍，使三相输出的整数倍，使三相输出对称。对称。33济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11urUucurVurWuuUNUd 2uVNO uWNOOttttO2Ud同步调制三相同步调制三相PWM波形波形4-33 为使一相的为使一相的PWM波波正负半周镜对称，正负半周镜对称，N应应取奇数。取奇数。 f r很高时，很高时，f c会过高，会过高，使开关器件难以承受。使开关器件难以承受。 fr很低时，很低时，fc也很低，也很低，由调制带来的谐波不易由调制带来的谐波不易滤除。滤除。34济南大学物理学院

24、济南大学物理学院2022-6-113. 分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。异步调制和同步调制的综合应用。把整个把整个fr范围划分成若干范围划分成若干个频段，每个频段内保持个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的恒定，不同频段的N不不同。同。在在fr高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；，使载波频率不致过高；在在fr 低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。，使载波频率不致过低。00.40.81.21.62.410203040fr /Hz506070802011479969453321fc /kHz分段同步调制方式举例分段同步调制方式

25、举例4-3435济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11三、三、规则采样法规则采样法 1. 自然采样法：自然采样法：按照按照SPWM控制的基本原理控制的基本原理 产生的产生的PWM波的方法，其求波的方法，其求 解复杂，难以在实时控制中解复杂，难以在实时控制中 在线计算，工程应用不多。在线计算，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22规则采样法规则采样法2. 规则采样法规则采样法工程实用方法，效果接近自工程实用方法，效果接近自 然采样法，计算量小得多。然采样法，计算量小得多。4-3036济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-11三角波两个正峰值之间为一个

26、采样周三角波两个正峰值之间为一个采样周期期Tc 。 自然采样法中，脉冲中点不和三角波自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点负峰点)重合。重合。规则采样法使两者重合，使计算大规则采样法使两者重合，使计算大 为减化。为减化。如图所示确定如图所示确定A、B点，在点，在tA和和tB时刻时刻控制开关器件的通断。控制开关器件的通断。脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。宽度非常接近。3. 规则采样法原理规则采样法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22规则采样法规则采样法4-3637济南大学物理学院济南大学物理学院2022-6-114. 规则采样法计算公式推导规则采样法计算公式推导正弦调制信号波正弦