第3章直流-交流变换电路

1、第第3章章 直流直流-交流变换电路交流变换电路w本章要点本章要点w有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最小逆变角的限制；小逆变角的限制；w无源逆变电路、变频器概述；无源逆变电路、变频器概述；w交交-直直-交变频器、电压型和电流型变频器、变频交变频器、电压型和电流型变频器、变频器器180度和度和120度导电规则的原理与分析；度导电规则的原理与分析；wSPWM变频（电压正弦变频（电压正弦PWM、电流正弦、电流正弦PWM、磁通正弦磁通正弦PWM）的原理与分析。）的原理与分析。3.1 逆变的概念逆变的概念 逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。把直流

2、电逆变成交流电的电路。 按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。 1）有源逆变）有源逆变可控整流电路工作在逆变状态，可控整流电路工作在逆变状态，把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电逆把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电源。变成与交流电源同频率的交流电返送到电源。 2）无源逆变或变频）无源逆变或变频可控整流电路的交流侧不可控整流电路的交流侧不与电源联接，而直接接到无源负载。与电源联接，而直接接到无源负载。 3.2 有源逆变电路有源逆变电路3.2.1 单相双半波有源逆变电路单相双半波有源逆变电路w1、

3、电路结构、电路结构 图图3-1 2、工作原理、工作原理w1）整流状态（）整流状态（090）w当当等于零时，输出电压瞬时值等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全在整个周期内全部为正；当部为正；当900时，时，ud在整个周期内有正有在整个周期内有正有负，但正面积总是大于负面积，故平均值负，但正面积总是大于负面积，故平均值Ud为正为正值，其极性是上正下负，如上图值，其极性是上正下负，如上图a。通常。通常Ud略大于略大于E，此时电流，此时电流Id从从Ud的正端流出，从的正端流出，从E的正端流进。的正端流进。电机电机M吸收电能，作电动运行，电路把从交流电吸收电能，作电动运行，电路把从交流电网吸收的电

4、能转变成直流电能输送给电动机，电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电路工作在整流状态，电机路工作在整流状态，电机M工作在电动状态工作在电动状态。 w2）逆变状态（）逆变状态（90180）w逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。w由于晶闸管的单向导电性，负载电流由于晶闸管的单向导电性，负载电流Id不能改变方向，只有不能改变方向，只有将将E反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免Ud与与E顺接，此时将顺接，此时将Ud的极性也反过来，如上图的极性也反过来，如上图b示。要使示。要使Ud反反向，向

5、，应该大于应该大于90。w当当在在90180间变动时，输出电压瞬时值间变动时，输出电压瞬时值ud在整个在整个周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值Ud为负为负值，见上图值，见上图b所示。此时所示。此时E略大于略大于Ud，电流，电流Id的流向是从的流向是从E的的正端流出，从正端流出，从Ud的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是该电路的有源逆变状态。该电路的有源逆变状态。 （a）=60的整流状态的整流状态 （b）=1

6、20的逆变状态的逆变状态单相双半波电路单相双半波电路=60的整流和的整流和=120的逆变时的仿真波形的逆变时的仿真波形w要使整流电路工作在逆变状态，须满足要使整流电路工作在逆变状态，须满足两个条件：两个条件：1）变流器的输出）变流器的输出Ud能够改变极性能够改变极性（内部条件）。（内部条件）。由于晶闸管的单向导电性，电流由于晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，不能改变方向，为实现有源逆变，须改变为实现有源逆变，须改变Ud的极性。即让变流器的极性。即让变流器的控制角的控制角90即可。即可。w2）须有外接的提供直流电能的电源）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改也要能改变极性，且有变极

7、性，且有 （外部条件）。（外部条件）。w3、逆变角、逆变角w逆变时的控制角称为逆变角逆变时的控制角称为逆变角，规定以规定以=处作为处作为计量计量角的起点，大小由计量起点向左计算。满足角的起点，大小由计量起点向左计算。满足如下关系：如下关系： dUE 3.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制1、逆变失败、逆变失败w可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相失败，电路又重新工作在整流状态，外接的直流失败，电路又重新工作在整流状态，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，使变流器的电源就会通过晶闸管电路形成短路，使变流器的输出平均电

8、压输出平均电压Ud和直流电动势和直流电动势E变成顺向串联，变成顺向串联，由于变流电路的内阻很小，将出现很大的短路电由于变流电路的内阻很小，将出现很大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。或称为逆变颠覆。w造成逆变失败的原因造成逆变失败的原因：（1 1）触发电路工作不可靠触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各。不能适时、准确地给各晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。（2）晶闸管发生故障晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件。器件失去阻断能力，或器件不能导通。不能导通。（3）

9、交流电源异常交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。或突然消失而造成逆变失败。（4）换相裕量角不足，换相裕量角不足，引起换相失败引起换相失败。应考虑变压。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因晶闸管关断时间等因素的影响。素的影响。 w交流侧电抗对逆变换相过程的影响图图3-2 2、最小逆变角最小逆变角确定的方法确定的方法 最小逆变角最小逆变角的大小要考虑以下因素：的大小要考虑以下因素： 1）换相重叠角换相重叠角。此值与电路形式、工作电流大小、触发角。此值与电路形式、工作电流大小、触发角大小有关。即大小有关

10、。即 根据根据= -，设，设 =，则则 ： 2）晶闸管关断时间）晶闸管关断时间 tq 所对应的电角度所对应的电角度。折算后的电角度。折算后的电角度约约4度度5度；度； mUXIsin2)cos(cos2BdmUXIsin21cos2Bd 3）安全裕量角）安全裕量角。考虑到脉冲调整时不对称、电网波。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般取般取为为10度左右。度左右。w综上所述，最小逆变角为：综上所述，最小逆变角为：w w为了可靠防止为了可靠防止进入进入min区内，在要求较高的场合，可区内，在要求较高的场合，

11、可在触发电路中加一套保护线路，使在触发电路中加一套保护线路，使在减小时不能进入在减小时不能进入min区内，或在区内，或在min处设置产生附加安全脉冲的装置，处设置产生附加安全脉冲的装置，万一当工作脉冲进入万一当工作脉冲进入min区内时，由安全脉冲在区内时，由安全脉冲在min处处触发晶闸管，防止逆变失败。触发晶闸管，防止逆变失败。00min35303.2.3 有源逆变的应用有源逆变的应用两组晶闸管反并两组晶闸管反并联时电动机的可逆运行联时电动机的可逆运行w下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设P为正组，为正组，N为反为反组，电路有四种工作状态。组，电路有四种工作

12、状态。 w（1）正组整流）正组整流w上左图为正组整流工作状态。设上左图为正组整流工作状态。设P在控制角在控制角作用下输出整作用下输出整流电压流电压Ud，加于电动机，加于电动机M使其正转。当使其正转。当P组处于整流工作组处于整流工作状态时，反组状态时，反组N不能也工作在整流状态，否则会使电流不能也工作在整流状态，否则会使电流Id1不经过负载不经过负载M，而只在两组晶闸管之间流通，这种电流称，而只在两组晶闸管之间流通，这种电流称为环流，环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。为环流，环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。因此，当正组整流时，反组应关断或处于待逆变状态。所因此，当正组整流时，反

13、组应关断或处于待逆变状态。所谓待逆变，就是谓待逆变，就是N组由逆变角组由逆变角控制处于逆变状态但无逆变控制处于逆变状态但无逆变电流。要做到这一点，可使电流。要做到这一点，可使 。这样，正组。这样，正组P的平的平均 电 流 供 电 动 机 正 转 ， 反 组均 电 流 供 电 动 机 正 转 ， 反 组 N处 于 待 逆 变 状 态 。 由处 于 待 逆 变 状 态 。 由于于 ，故没有平均电流流过反组，不产生真正的，故没有平均电流流过反组，不产生真正的逆变逆变。ddUUddUUw（2）反组逆变）反组逆变w当要求正向制动时，流过电动机当要求正向制动时，流过电动机M的电流的电流Id必须反向才能必须

14、反向才能得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反组组N的逆变。为此，只要降低的逆变。为此，只要降低 且使且使 ，则则N组产生逆变，流过电流组产生逆变，流过电流Id2，电机电流，电机电流Id反向，反组有反向，反组有源逆变将电势能源逆变将电势能E通过反组通过反组N送回电网，实现回馈制动。送回电网，实现回馈制动。w（3）反组整流）反组整流wN组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。w（4）正组逆变）正组逆变wP组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组

15、反逆变类似。dU)(ddUUE3.3 无源逆变（变频）电路无源逆变（变频）电路3.3.1 变频器概述变频器概述 将电网提供的恒压恒频将电网提供的恒压恒频CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)交流电交流电变换为变换为变压变频变压变频VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)交流电供交流电供给负载给负载”的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。变频器：变频器：交交- -交变频器交变频器 交交- -直直- -交变频器交变频器 1、交、交-交变频器交变频器w工频交流电工频交流电直

16、接直接变换成不同频率交流电，不变换成不同频率交流电，不通过中间直流环节，又称直接变频器或周波通过中间直流环节，又称直接变频器或周波变换器（变换器（Cycloconverter）。）。w没有中间直流环节，仅用一次变换实现变频，没有中间直流环节，仅用一次变换实现变频，效率高。交效率高。交-交变频器的主要构成环节。交变频器的主要构成环节。2、交、交-直直-交变频器交变频器 先把交流电转换为直流电，经中间滤波环节后，再把直流电逆变成变压变频的交流电，又称为间接变频器。主要构成环节如图a所示。w1）用可控整流器调压、用逆变器调频）用可控整流器调压、用逆变器调频 输入输入：晶闸管可控整流，功率因数低；：晶

17、闸管可控整流，功率因数低； 输出输出：晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。：晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。w2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频 输入：输入：不可控整流器，只整流不调压，斩波器脉宽调压，不可控整流器，只整流不调压，斩波器脉宽调压， 输入功率因数高；输入功率因数高； 输出：输出：逆变环节谐波较大。逆变环节谐波较大。w3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频 输入：输入：不可控整流器，输入功率因数高；不可控整流器，输入功率因数高； 输出：输出：用用PWM逆变，则输出

18、谐波可以减少。输出波形逆变，则输出谐波可以减少。输出波形 非常逼近正弦波。非常逼近正弦波。3、电压型、电流型交、电压型、电流型交-直直-交变频器比较交变频器比较 根据交根据交-直直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可以将交元件或是电感性元件，可以将交-直直-交变频器分交变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。为电压型变频器和电流型变频器两大类。电压型电压型变频器：中间直流环节采用变频器：中间直流环节采用电容电容滤波元件。滤波元件。电流型电流型变频器：中间直流环节采用变频器：中间直流环节采用电感电感滤波元件。滤波元件。w（1）交）交-直

19、直-交电压型变频器交电压型变频器w直流环节：大电容，输出电压波形平直（矩形或阶梯波）直流环节：大电容，输出电压波形平直（矩形或阶梯波）-恒压源性质恒压源性质-电压型变频器；电压型变频器；w采用二极管整流，输出采用采用二极管整流，输出采用GTR的六拍逆变的六拍逆变。 图图3-4w（2）交）交-直直-交电流型变频器交电流型变频器w直流环节：大电感，输出电流平直（矩形波或阶梯直流环节：大电感，输出电流平直（矩形波或阶梯波）波）-恒流源性质恒流源性质-电流型变频器。电流型变频器。图图3-5 （3 3）交）交- -直直- -交电压型和电流型变频器比较交电压型和电流型变频器比较w1 1）无功能量的缓冲）无

20、功能量的缓冲 w电压型电压型：电容电容储能；储能；电流型电流型：电感电感储能。储能。w2 2）调速时的动态响应调速时的动态响应 w电流型电流型：直流电压可迅速改变，：直流电压可迅速改变，动态响应比较快动态响应比较快；w电压型电压型：直流电压不可改变，：直流电压不可改变，动态响应慢动态响应慢。w3 3）适用范围适用范围 w电压型电压型：多电机同步运行多电机同步运行，不可快速加减速。，不可快速加减速。w电流型电流型：单电机传动单电机传动，可快速起制动和可逆运行。，可快速起制动和可逆运行。w4）回馈制动）回馈制动 w电流型变频器电流型变频器-w电动电动：UR整流整流90，Ud反向，反向，CSI整流，

21、整流，电机发电，电流电机发电，电流Id方向不变。如图方向不变。如图b。w电压型变频器电压型变频器w电动电动：与上同；：与上同；w制动制动：电容电压极性不能反向，无法回馈制动。只：电容电压极性不能反向，无法回馈制动。只可用能耗制动或反并联另一组反向整流器，并使其可用能耗制动或反并联另一组反向整流器，并使其工作在有源逆变状态，以通过反向制动电流，实现工作在有源逆变状态，以通过反向制动电流，实现回馈制动。回馈制动。电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态 3.3.2 无源逆变（变频）电路的原理无源逆变（变频）电路的原理1、 单相半桥逆变电路单相半桥

22、逆变电路 图图3-72、 单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路 图图3-83、三相桥式逆变电路、三相桥式逆变电路w电压型三相桥式逆变电路如下图所示。电压型三相桥式逆变电路如下图所示。w三相桥式逆变电路：三相桥式逆变电路：180导电型交导电型交-直直-交电压型交电压型 120导电型交导电型交-直直-交电流型交电流型图图3-93.3.3 180度导电型的交度导电型的交-直直-交电压型变频器交电压型变频器6个晶闸管按一定的规则通断，将个晶闸管按一定的规则通断，将Cd送来的直流电压送来的直流电压Ud逆变成逆变成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成。1

23、、主电路组成、主电路组成图图3-10 主电路主电路=整流器整流器+滤波电容滤波电容+晶闸管逆变器晶闸管逆变器整流器整流器：单相或三相整流电路。：单相或三相整流电路。滤波电容滤波电容：Cd。逆变器：逆变器：VT1VT6主晶闸管；主晶闸管；VD1VD6 续流二极续流二极 管；管；RU、RV、RW为衰减电阻；为衰减电阻；L1L6为为 换流电感；换流电感；C1C6为换流电容；为换流电容；ZU、ZV、 ZW三相对称负载。三相对称负载。2、晶闸管导通规则及输出波形分析、晶闸管导通规则及输出波形分析w逆变器一个周期中：逆变器一个周期中：w（1）6个晶闸管的导通顺序为：个晶闸管的导通顺序为：VT1VT2VT3

24、VT4VT5VT6VT1，则，则各晶闸管的触发间隔为各晶闸管的触发间隔为60。w（2）每组晶闸管触发间隔为）每组晶闸管触发间隔为120。每相晶闸管触。每相晶闸管触发间隔为发间隔为180。w（3）按顺序，晶闸管触发间隔为）按顺序，晶闸管触发间隔为60，每个晶闸，每个晶闸管维持导通管维持导通180后关断后关断 (180导电型导电型)。6个晶闸个晶闸管在管在360区间里的导通情况如下表。区间里的导通情况如下表。（1）逆变器中晶闸管的导通情况（）逆变器中晶闸管的导通情况（180电压型）电压型）晶闸管晶闸管区间区间0060012001800240030003600VT1导通导通导通导通导通导通VT2导通

25、导通导通导通导通导通VT3导通导通导通导通导通导通VT4导通导通导通导通导通导通VT5导通导通导通导通导通导通VT6导通导通导通导通导通导通 （2）每个每个60区间内的负载等效电路区间内的负载等效电路 图图3-11dUWdVWUVdVdVWUWUUUUUZZZZUUUZZZZZUU3132/31/000dU00000000UWWUdWVVWdVUUVUUUUUUUUUUU（4）输出线电压）输出线电压（3）输出相电压）输出相电压（5）60120区间的相、线电压值区间的相、线电压值 dWdVdUUUUUUU313132000dWUVWdUVUUUUU0（6）逆变器相电压和线电压计算值）逆变器相电压

26、和线电压计算值（180电压型）电压型） （7）180逆变器输出的相电压、线电压波形逆变器输出的相电压、线电压波形图图3-12（8）相、线电压波形的有效值）相、线电压波形的有效值plddUVWUVWUVldddddddUoWVUpUUUtdUtduUUUUUUUUtdUtdUtdUtduUUUU332222132)31()32()31(22 )31()32()31(22 21320220222232323232230202000（10）180导电型逆变器工作规律总结导电型逆变器工作规律总结w 每个脉冲间隔每个脉冲间隔60区间内有区间内有3个晶闸管导通，它们分属个晶闸管导通，它们分属于逆变桥的共阴

27、极组和共阳极组。于逆变桥的共阴极组和共阳极组。w 在在3个导通元件中，若属于同一组的有个导通元件中，若属于同一组的有2个元件，则元个元件，则元件所对应相的相电压为件所对应相的相电压为 ，另，另1个元件所对应相的相个元件所对应相的相电压为电压为 。w共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所对应相的相电压为负。对应相的相电压为负。w三个相电压相位互差三个相电压相位互差120；相电压之和为；相电压之和为0。w 线电压等于相电压之差；三个线电压相位互差线电压等于相电压之差；三个线电压相位互差120；线电压之和为线电压之和为0。w 线电压为线电压为

28、 倍相电压。倍相电压。dU31dU3233.3.4 120度导电型的交度导电型的交-直直-交电流型变频器交电流型变频器180导电型的电压型逆变器中，晶闸管的换流是导电型的电压型逆变器中，晶闸管的换流是在同一相中进行的，有可能使直流电源发生短路。在同一相中进行的，有可能使直流电源发生短路。为此，引入为此，引入120导电型的电流型逆变器，该逆变导电型的电流型逆变器，该逆变器晶闸管的换流是在同一组中进行的，不存在电器晶闸管的换流是在同一组中进行的，不存在电源短路问题。源短路问题。1 1、主电路的组成、主电路的组成w输入端可控整流，滤波电感输入端可控整流，滤波电感L将输出强制变成直流将输出强制变成直流

29、电流电流Id。逆变器没有调压功能，只将。逆变器没有调压功能，只将6个晶闸管按一个晶闸管按一定的规则通断，将电感定的规则通断，将电感L送来的恒流送来的恒流Id逆变成频率可逆变成频率可调的交流电。调的交流电。图图3-13主电路主电路=整流器整流器+滤波电感滤波电感+晶闸管逆变器晶闸管逆变器整流器整流器：单相或三相整流电路。：单相或三相整流电路。滤波电感滤波电感：Ld。逆变器：逆变器：VT1VT6主晶闸管；主晶闸管；VD1VD6 隔离二极隔离二极 管；管；C13、C35、C51、C46、C62、C24 为换流电容；电动机的电感和换流电容组为换流电容；电动机的电感和换流电容组 成换流电路。成换流电路。

30、2、晶闸管导通规则及输出波形分析、晶闸管导通规则及输出波形分析w 1）逆变器中）逆变器中6个晶闸管的导通顺序为：个晶闸管的导通顺序为： VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，各，各晶闸管的触发间隔为晶闸管的触发间隔为60。w 2）每个晶闸管导通）每个晶闸管导通120电角度后被关断，由同电角度后被关断，由同一组的另一个晶闸管换流导通。一组的另一个晶闸管换流导通。w 3）按照每个晶闸管触发间隔为）按照每个晶闸管触发间隔为60，触发导通，触发导通后维持后维持120才被关断的特征才被关断的特征(120导电型导电型)，可以，可以得到得到6个晶闸管在个晶闸管在360区间里的导通情况如下表。区间里的导

31、通情况如下表。（1）晶闸管的导通情况（）晶闸管的导通情况（120电流型）电流型） 晶闸管晶闸管 区间区间0060012001800240030003600VT1导通导通导通导通VT2导通导通导通导通VT3导通导通导通导通VT4导通导通导通导通VT5导通导通导通导通VT6导通导通导通导通 （2）每个）每个60区间内的负载等效电路区间内的负载等效电路 图图3-14（3）逆变器相电流计算值（）逆变器相电流计算值（120电流型）电流型） 相、线相、线电电 压压 区区 间间0060012001800240030003600IUNIdId0-Id-Id0IVN-Id0IdId0-IdIWN0-Id-Id0

32、IdId（4）120导电型逆变器输出的相电流波导电型逆变器输出的相电流波 图图3-15（5）120导电型导电规律总结导电型导电规律总结 每个脉冲触发间隔每个脉冲触发间隔60内，有内，有2个晶闸管元件导个晶闸管元件导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。 在在2个导通元件中，每个元件所对应相的相电流个导通元件中，每个元件所对应相的相电流为为Id。而不导通元件所对应相的电流为。而不导通元件所对应相的电流为0。 共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组元件所通过的相电流为负。元件所通过的相电流为负。w 每个脉冲

33、间隔每个脉冲间隔60内的相电流之和为内的相电流之和为0。3.4 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)逆变技术逆变技术w脉宽调制（脉宽调制（PWM）技术）技术利用全控型器件的导通和关断，把直流电利用全控型器件的导通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频并消除谐波的技术。压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频并消除谐波的技术。w正弦正弦PWM（SPWM）输出的电压或电流波形接近于正弦波形。输出的电压或电流波形接近于正弦波形。wSPWM可分为可分为电压电压SPWM 、电流、电流SPWM和磁通和磁通SPWM等，其中电等，其中电压压SPWM和电流和电流SPWM是从电源角度

34、出发的是从电源角度出发的SPWM ，磁通，磁通SPWM （电（电压空间矢量压空间矢量PWM ）是从电机角度出发的）是从电机角度出发的SPWM方法。方法。wPWM型变频器的主要特点是：型变频器的主要特点是：w1）主电路只有一个可控功率环节，开关元件少，控制线路结构简单；）主电路只有一个可控功率环节，开关元件少，控制线路结构简单；w2）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关，）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关，基本上接近于基本上接近于1；w3）VVVF在同一环节实现，与中间储能元件无关，动态响应快；在同一环节实现，与中间储能元件无关，动态响应快；w4）

35、通过对）通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。接近正弦形的输出交流电压波形。3.4.1 电压正弦脉宽调制的工作原理电压正弦脉宽调制的工作原理1、电压正弦脉宽调制原理、电压正弦脉宽调制原理（1）正弦脉宽调制原理）正弦脉宽调制原理 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）波）波是与正弦波等效的一系列等是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，如下图幅不等宽的矩形脉冲波，如下图a所示。所示。 等效的原则等效的原则是每一区间的面积相等。是每一区间的面积相等。 也就是把一个正弦半波分作也就是把一个正弦半

36、波分作n等分，然后把每一等分正等分，然后把每一等分正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之面积相等的矩形弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之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，见图波每一等分的中点相重合，见图b。 由由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周波形等效，称作半周波形等效，称作SPWM波形。波形。 电压正弦波脉宽调制电压正弦波脉宽调制(SPWM)波形波形 图图3-16（2） SPWM变压变频器主电路原理图变压变频器主电路原理图

37、 图图3-17（3）单极式）单极式SPWM波的形成波的形成 图图3-19 （4）正弦波与双极性三角波的调制）正弦波与双极性三角波的调制 （5）三相双极式正弦脉宽调制和）三相双极式正弦脉宽调制和SPWM波形波形 图图3-202、SPWM逆变器的同步调制和异步调制逆变器的同步调制和异步调制wSPWM逆变器有一个重要参数逆变器有一个重要参数载波比载波比N，它被定义为载波频率它被定义为载波频率fc与调制波频率与调制波频率fr之比，之比，用用N表示，即表示，即wN=w视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。分。rcffw（1）同步调制）同步调制w在改变在改

38、变fr的同时成正比地改变的同时成正比地改变fc，使载波比，使载波比N=常数。常数。w优点优点可保证输出电压半波内的矩形脉冲数是固可保证输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的，如果取定不变的，如果取N等于等于3的倍数，则同步调制能保的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形之间具有互差保证三相输出波形之间具有互差120的对称关系。的对称关系。w缺点缺点当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉

39、动转矩和较强的噪声。的脉动转矩和较强的噪声。w（2）异步调制）异步调制w在整个变频范围内载波比在整个变频范围内载波比N不等于常数。在改变调不等于常数。在改变调制波频率制波频率fr时保持三角载波频率时保持三角载波频率fc不变，提高了低不变，提高了低频时的载波比。频时的载波比。w优点优点输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，改善了系统的低频工作性能。率的降低而增加，改善了系统的低频工作性能。w缺点缺点在改善低频工作性能的同时，当载波比在改善低频工作性能的同时，当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是随着输出频率的降低而连续变化时，它不

40、可能总是3的倍数，必将使输出电压波形及其相位都发生变的倍数，必将使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。作不平稳。 （3）分段同步调制）分段同步调制w分段同步调制是将同步调制和异步调制结合起分段同步调制是将同步调制和异步调制结合起来。即在一定频率范围内采用同步调制，以保来。即在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点；当频率降低较多时，持输出波形对称的优点；当频率降低较多时，可使载波比可使载波比N分段有级地加大，以采纳异步调制分段有级地加大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。的长处，

41、这就是分段同步调制方式。w具体地说，把整个变频范围划分成若干频段，具体地说，把整个变频范围划分成若干频段，每个频段内都维持载波比每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频恒定，而对不同的频段取不同的段取不同的N值，频率低时，值，频率低时，N值取大些，一般值取大些，一般大致按等比级数安排。大致按等比级数安排。 3、SPWM的实现方法的实现方法 （1）自然采样法）自然采样法w自然采样法是按照正弦波与三角形波交点进行脉冲宽度与自然采样法是按照正弦波与三角形波交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，从而生成间隙时间的采样，从而生成SPWM波形。具体是截取任意波形。具体是截取任意一段正弦波与三角载波的一个周期

42、长度内的相交情况。一段正弦波与三角载波的一个周期长度内的相交情况。A点点为脉冲发生时刻，为脉冲发生时刻，B点为脉冲结束时刻，在三角波的一个周点为脉冲结束时刻，在三角波的一个周期期Tt内，内，t2为为SPWM波的高电平时间，称作脉宽时间，波的高电平时间，称作脉宽时间，t1与与t3则为低电平时间，称为间隙时间。显然则为低电平时间，称为间隙时间。显然Tt=t1+t2+t3。2B2Asin12/2sin12/2ttMTttMTststBA 222sinsin212 ttMTtttsst 自然采样法 规则采样法 图图4-28图图4-29w（2）规则采样法）规则采样法w规则采样法有：规则采样规则采样法有：规则采样法、规则采样法、规则采样法。法。w规则采样规则采样法是将三角波的负峰值对应的正弦控制波法是将三角波的负峰值对应的正弦控制波值（值（E点）作为采样电压值，由点）作为采样电压值，由E点水平截取点水平截取A、B两两点，从而确定脉宽时间点，从而确定脉宽时间t2。在这种采样法中，每个周。在这种采样法中，每个周期的采样点期的采样点E对时间轴都是均匀的，这时对时间轴都是均匀的，这时AE=EB，t1=t3，简化了脉冲时