电力电子技术r4-2逆变

电力电子技术PowerElectronics第4章DC－AC变换器

1234概述

电压型逆变器（VSI）

空间矢量PWM控制

基本内容电流型逆变器

电压型方波逆变器以及电压型阶梯波逆变器当需要改变输出电压幅值时，一般常采用脉冲幅值调制（PAM）或单脉冲调制（SPM）。这类逆变器应用于大功率场合具有开关损耗低，运行可靠等优点，但也存在动态响应慢、谐波含量大（方波逆变器）、结构复杂（阶梯波逆变器）等一系列不足。例如，当利用电压型逆变器驱动交流电动机时，需进行变频变压（VVVF）控制，此时若采用PAM方式，则必须采用两套功率调节电路与控制即：输出电压的调整依赖于可控整流电路及其控制而输出频率的调整则由逆变器及其控制。4.2.3电压型正弦波逆变器4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

这不仅使电路结构和控制复杂化，而且因电压与频率的不同控制响应将导致系统响应变慢，这主要是由于直流侧的储能惯性会使可控整流电路的输出电压响应远慢于逆变器的输出频率响应。对于要求输出正弦波电压的电压型PWM逆变器，常称为电压型正弦波逆变器。这种电压型正弦波逆变器一般应具备以下特点即:逆变器的直流电压可采用结构简单的不控整流电路；利用单一的功率电路及其控制，可同时调整输出频率和输出电压，动态响应快；由于输出电压的谐波频率主要分布在开关频率及其以上频段，因而输出谐波含量相对较低。4.2.3电压型正弦波逆变器4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

电压型正弦波逆变器的基本原理从图4-24a中容易看出：在频率恒定的一个正弦波周期中，斩控周期一定，而斩控脉冲的幅值则按正弦函数变化，当要改变斩控波形的基波幅值时，若被斩控正弦波的幅值不变，则只需要控制斩控占空比即可。显然，当斩控频率足够高时，其斩控波形的谐波含量会足够低。由于被斩控正弦波的频率恒定，因此，该方案适用于交流变压恒频控制，属于AC-AC变换中的交流斩波变换，其优点就是可以直接对频率一定的输入（如50HZ交流电）进行斩控，以调节交流斩波输出的基波幅值。4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理图4-24正弦波的斩波与脉宽调制a)正弦波斩波波形Ouωt>4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

然而，针对实际广泛应用的交流变频器，其主要采用交流变压变频（VVVF）控制策略，即在改变交流输出幅值的同时，还需改变其交流输出频率。如何利用DC-AC变换来实现基于正弦波斩控的VVVF控制输出呢？在交流斩波变换的基础上，进一步观察图4-24a所示的正弦波斩控波形，当斩控频率足够高时，占空比和斩控周期固定而幅值按正弦函数变化的斩波脉冲的面积近似按正弦函数变化。4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理图4-24正弦波的斩波与脉宽调制a)正弦波斩波波形4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

实际上，PWM的基本原理可以由冲量等效原理进行描述即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其惯性环节的输出基本相同。4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理图4-24正弦波的斩波与脉宽调制a)正弦波斩波波形4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其惯性环节的输出基本相同这里所谓的“冲量”是指窄脉冲的面积而“惯性环节的输出基本相同”是指输出波形的频谱中，低频段基本相同，仅在高频段略有差异。图4-25依次表示了四种冲量相等而形状不同的脉冲波形，即矩形脉冲、三角波脉冲、正弦半波脉冲以及单位脉冲。图4-25冲量相等而形状不同的四种脉冲波形a)矩形脉冲波b)三角脉冲波c)正弦脉冲波d)单位脉冲波4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

b)图6-2冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）u(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。

i(t)－输出电流，是电路的响应。4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理可见，相同面积不同形状的脉冲加在同一惯性环节上，得到的输出响应基本相同。这是PWM控制的理论基础。针对直流电压一定的电压型逆变器，可以考虑另一种能使脉冲面积按正弦函数变化的脉冲斩控方案即：在足够高的斩控频率条件下，保持斩控脉冲的幅值不变，只改变脉冲的宽度，并使脉冲的宽度按正弦函数变化。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

同时改变其正弦函数的幅值和频率即可同时改变变换器输出基波的幅值和频率。利用恒定直流输入的DC-AC变换器完全可以实现基于正弦波斩控的VVVF控制输出。4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理OwtUd-UdOwtUd-Ud4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

等幅PWM波输入电源是恒定直流第3章的直流斩波电路6.2节的PWM逆变电路

6.4节的PWM整流电路不等幅PWM波输入电源是交流或不是恒定的直流

4.1节的斩控式交流调压电路

4.4节的矩阵式变频电路2）PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理Uoωt4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

PWM波可等效的各种波形直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理所需波形

等效的PWM波4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题如何实现SPWM及其波形发生呢？计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化调制法输出波形作调制信号，通过对载波的调制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题如何实现SPWM及其波形发生呢？与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题基于载波的对称调制与非对称调制

采用三角载波和锯齿载波的SPWM脉冲序列如图4-27所示。令调制波频率为fr，载波频率为fc，则称N＝fc/

fr为载波比；令调制波幅值为Urm，载波幅值为Ucm，则称M＝Urm/Ucm为调制度。

图4-27三角载波和锯齿载波的SPWM及其脉冲序列a)三角载波SPWM及其脉冲序列b)锯齿载波SPWM及其脉冲序列4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题基于载波的对称调制与非对称调制

采用三角载波的SPWM脉冲序列由于三角载波的对称特性，因而属于对称载波调制；而采用锯齿载波的SPWM脉冲序列由于锯齿载波的非对称特性，因而属于非对称载波调制。相比之下，锯齿载波的SPWM实现较为简单，由于锯齿载波固有的非对称特性，因而输出波形中含有偶次谐波。而在相同的开关频率以及调制波条件下，三角载波的SPWM其输出波形的谐波含量相对较低。

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制异步调制对于任意的调制波频率fr，载波频率fc恒定的脉宽调制称为异步调制。在异步调制方式中，由于fc保持一定，因而当fr变化时，调制波信号与载波信号不能保持同步，即载波比N与调制波频率fr成反比，因此，异步调制具有以下特点:由于fc固定，因而逆变器具有固定的开关频率。由于异步调制时的开关频率固定，所以对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为容易。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题异步调制一个调制波正、负半个周期中的脉冲数不固定，起始和终止脉冲的相位角也不固定。换言之，一个调制波正、负半个周期以及每半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形不具有对称性。不同fr时的异步调制SPWM波形如图4-28所示。图4-28不同调制波频率fr(fr1<fr2)时的异步调制SPWM波形a)

fr

＝fr1b)

fr＝fr24.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题异步调制当fr较低时，N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当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大采用异步调制时，SPWM的低频性能好，而高频性能较差。因此采用该方式时希望采用较高的fc，即在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数较多，从而弥补脉冲不对称造成的影响。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题同步调制对于任意的调制波频率fr，载波比N保持恒定的脉宽调制称为同步调制。在同步调制方式中，由于载波比N保持恒定，因而当fr变化时，调制波信号与载波信号应保持同步，即fc与fr成正比，因此，同步调制具有以下特点：由于fc与fr成正比，因而当fr变化时，fc也相应变化，这就使逆变器的开关频率不固定。由于同步调制时的开关频率随fr的变化而变化，所以对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为困难。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题同步调制由于载波比N保持一定，当fr变化时，一个调制波周期中的脉冲数将固定不变。当载波比N为奇数时，一个调制波正、负半个周期以及半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。图4-29不同调制波频率fr(fr1<fr2)时的同步调制SPWM波形a)

fr

＝fr1b)

fr＝fr2

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题同步调制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。（为使一相的PWM波正负半周镜对称）fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

分段同步调制

对比同步与异步调制发现两者具有互补的性能特点，但是对于各自不足的改进，都是通过提高开关频率来实现，而提高开关频率会导致开关损耗增加。是否可将同步与异步调制相结合，构成一种新的调制方案呢？分段同步调制是在结合异步调制优点（低频特性好）基础上，并克服了同步调制的不足（低频特性差）而产生的。分段同步调制，就是首先将fr的变化范围划分为若干个频段区域，在每个频段区域中，采用同步调制（载波比N为奇数且恒定）。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

分段同步调制

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在切换点附近时载波比来回跳动，采用滞后切换的方法在不同频段内，载波频率的变化范围基本一致，fc大约在1.4～2kHz之间。

图4-30调制波频率fr变化时基于滞环特性的分段同步调制载波频率切换4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成SPWM脉冲信号的生成是指：通过模拟或数字电路对载波信号和调制波信号进行适当的比较运算处理，从而生成与调制波信号相对应的脉宽调制信号，以此驱动正弦波逆变器的功率开关。SPWM脉冲信号的生成主要包括模拟生成法和数字生成法。1)模拟生成法——模拟比较法是将载波信号（如三角波信号）和调制波信号（如正弦波信号）通过模拟比较器进行比较运算，从而输出SPWM脉冲信号。图4-31SPWM脉冲信号模拟比较法生成的原理电路

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成2)数字生成法1——自然采样法是通过联立三角载波信号和正弦调制波信号的函数方程并求解出三角载波信号和正弦调制波信号交点的时间值，从而求出相应的脉宽和脉冲间隙时间以生成SPWM脉冲信号。自然采样法实际上就是模拟比较法的数字实现，其原理如图4-32所示。图4-32SPWM脉冲信号自然采样法生成原理

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成2)数字生成法1——自然采样法若令三角载波幅值Ucm＝1，调制度为M，正弦调制波角频率为ωr，则正弦调制波的瞬时值为由图4-32，并根据相似三角形的几何关系可得自然采样法SPWM脉宽t2的表达式为

图4-32SPWM脉冲信号自然采样法生成原理

(4-30)

(4-31)要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成3)数字生成法1——规则采样法是将自然采样法中的正弦调制波以阶梯调制波进行拟合后一种简化的SPWM脉冲信号发生方法，其原理如图4-33所示。每个载波周期中，原正弦调制波与三角载波周期中心线的交点就是阶梯波水平线段的中点。这样，三角载波与阶梯波水平线段的交点A、B两点就分别落在正弦调制波的上下两边，从而减少了以阶梯波调制的误差。图4-33SPWM脉冲信号规则采样法生成原理

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成3)数字生成法1——规则采样法由图4-33，并根据相似三角形的几何关系容易得出规则采样法SPWM脉宽t2以及脉冲间隙时间t1、t3的表达式分别为由于te

、Tc、M均为已知量，因此，规则采样法SPWM脉宽t2的计算较为简便，适合基于微处理器的数字SPWM控制。

图4-33SPWM脉冲信号规则采样法生成原理

(4-32)

(4-33)

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为δU、δV和δW

，脉冲两边的间隙宽度分别为、和，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(4-32)得

由式(4-33)得

利用以上两式可简化三相SPWM波的计算4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成4)数字生成法2——特定谐波消除法利用PWM波形的傅立叶级数分解，通过数个特定谐波幅值为零以及基波幅值控制方程式的联立，求解出PWM波形脉冲沿的转换角，从而实现SPWM脉冲信号的发生。图4-34SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成4)数字生成法2——特定谐波消除法为了减小谐波和简化波形发生，首先考虑消除偶次谐波，为此PWM脉冲波形的正、负半周应对称与零点，即f（ωt）=

－f（π+ωt）；另外，为了消除谐波中的余弦项，则必须使PWM脉冲波形奇对称，即f（ωt）=

－f（π－ωt）图4-34SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成4)数字生成法2——特定谐波消除法为说明谐波消除的算法原理，令1/4调制波周期中有K个脉冲沿的转换角αi（i=1，2，3…，K）满足如下条件根据傅立叶级数分解，上述PWM脉冲波形的谐波和基波幅值分别为由于有K个转换角αi（i=1，2，3…，K）需要求解，上述基波和谐波幅值方程只有K个自由度。

0≤α1≤α2≤α3≤…≤αK≤π/2(4-34)(4-35)

(4-36)

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成4)数字生成法2——特定谐波消除法为了使基波幅值可控（占一个自由度），则必然只能使（K－1）个谐波幅值为零（占K－1个自由度），因此在上述PWM脉冲波形中，只能消除指定的（K－1）种谐波。由式（4-35)可令其中的（K－1）种谐波幅值为零，即

(4-37)4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成跟踪型两态调制法两态调制（TSM－Two-StateModulation）是美国的A.G.Bose于1966年提出的。所谓跟踪型两态调制是指利用一个闭环控制中的误差滞环比较器，直接产生一个只有两态（高电平、低电平）的PWM控制信号，以使某一输出量能自动跟踪控制指令。当将两态调制运用于逆变器的控制时，若控制指令为正弦波时，通过误差滞环比较器的输出就可以实现SPWM脉冲信号发生。这种跟踪型两态调制法既可以利用模拟生成法实现也可以利用数字生成法实现。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成跟踪型两态调制法图4-35a表示了一个电压型半桥逆变器的电流跟踪型两态调制结构，其PWM及其电流跟踪波形如图4-35b所示。基本规律：当VT1或VD1导通时，输出电流i增大；而当VT2或VD2导通时，输出电流I减小。通过环宽为2ΔI的滞环比较器的控制，i就在i*+ΔI和i*-ΔI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*图4-35电流跟踪型两态调制结构及其PWM电流跟踪波形电压型半桥逆变器电路

PWM电流跟踪波形4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.2正弦脉冲宽度调制

（SPWM）的基本问题

SPWM脉冲信号的生成跟踪型两态调制法参数的影响滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大电抗器L的作用：L大时，i的变化率小，跟踪慢;L小时，i的变化率大，开关频率过高图4-35电流跟踪型两态调制结构及其PWM电流跟踪波形电压型半桥逆变器电路

PWM电流跟踪波形4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制单相电压型正弦波逆变器原理电路如图4-36所示。对于单相电压型正弦波逆变器，可采用三种SPWM控制方案，即单极性SPWM控制、双极性SPWM控制以及倍频单极性SPWM控制。以下分别进行讨论。图4-36

单相电压型正弦波逆变器原理电路

4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制单极性SPWM控制所谓单极性SPWM控制是指逆变器的输出脉冲具有单极性特征。即当输出正半周时，输出脉冲全为正极性脉冲；而当输出负半周时，输出脉冲全为负极性脉冲。为此，必须采用使三角载波极性与正弦调制波极性相同的所谓单极性三角载波调制。图4-37单极性SPWM控制时的调制波形与驱动信号生成4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制根据单相电压型正弦波逆变器电路桥臂控制功能的不同，可将其分为周期控制桥臂以及调制桥臂。功率管驱动信号生成原理电路如图4-37b所示，比较器A用于驱动周期控制桥臂，B用于驱动调制桥臂。在正弦调制波正半周，由于三角载波的极性为正，则比较器B的输出极性为正，此时VT4导通有效而VT3关断有效。比较器A则根据调制波与载波的调制而输出SPWM信号。显然，正弦调制波正半周时，逆变器输出正极性的SPWM电压脉冲。VT3（VD3）、VT4（VD4）作为周期控制桥臂VT1（VD1）、VT2（VD2）则作为调制桥臂4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制双极性SPWM控制是指逆变器的输出脉冲具有双极性特征。即无论输出正、负半周，输出脉冲全为正、负极性跳变的双极性脉冲。当采用基于三角载波调制的双极性SPWM控制时，只须采用正、负对称的双极性三角载波即可。为实现双极性SPWM控制，需对逆变器的功率管进行互补控制。双极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路如图4-38b所示。双极性SPWM控制时的调制波形相应的驱动信号生成电路4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制双极性SPWM控制当正弦调制波信号瞬时值大于三角载波信号瞬时值时，比较器的输出极性为正，VT1、VT4导通有效，而VT2、VT3关断有效，逆变器输出为正极性的SPWM电压脉冲。同理，当正弦调制波信号瞬时值小于三角载波信号瞬时值时，比较器的输出极性为负，VT2、VT3导通有效，而VT1、VT4关断有效，逆变器输出为负极性的SPWM电压脉冲。双极性SPWM控制由于采用了正、负对称的双极性三角载波，从而简化了SPWM控制信号的发生。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制倍频单极性SPWM控制逆变器输出脉冲的调制频率是载波频率的两倍，并且输出脉冲具有单极性特征。倍频单极性SPWM控制有调制波反相和载波反相两种PWM控制模式，具体讨论如下：调制波反相的倍频单极性SPWM控制模式功率管驱动信号生成原理电路与双极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路类似（如图4-38b所示）。两者在调制波的设计上有所不同，即：逆变器两相桥臂的调制信号则采用了幅值相等且相位互差180°的调制波信号图4-384.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制倍频单极性SPWM控制载波反相的倍频单极性SPWM控制模式功率管驱动信号生成原理电路与单极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路类似（如图4-37b所示）。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制只是两者在载波的设计上有所不同，即：逆变器两相桥臂的载波信号采用了幅值相等且相位互差180°的对称双极性载波信号，在驱动信号生成电路设计时，只需将图4-37中的比较器B的输入接法改成与比较器A的接法相同，只是比较器B的调制波信号接入“-”端，而载波信号接入“+”端，且比较器B的载波信号与比较器A的载波信号互差180°，其SPWM相关波形如图4-39b所示。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制倍频单极性SPWM控制逆变器输出脉冲的调制频率均为载波频率的两倍。表明：如果载波频率与单极性SPWM控制时的载波频率相同，这种倍频单极性SPWM控制的逆变器输出脉冲的调制频率是单极性SPWM控制时的两倍。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4三相电压型正弦波逆变器的PWM控制

5SPWM谐波及其特征4.3空间矢量PWM控制

4.4电流型逆变器

4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器

的PWM控制倍频单极性SPWM控制因此，采用倍频单极性SPWM控制，优点：在一定的输出波形畸变率条件下，可以有效降低功率管的开关频率；另一方面，在一定的开关频率条件下，可以有效降低输出波形畸变率。倍频单极性SPWM控制由于控制简单且具有输出倍频特性，因而是一种优化的单相电压型正弦波逆变器的SPWM控制方案。尤其是调制波反相控制模式，由于采用微处理器（如采用DSP）进行波形发生的方便性，实际应用时被较多采用。4.1概述

4.1.1逆变器的基本原理

4.1.2逆变器的分类

4.1.3逆变器的性能指标

4.2

电压型逆变器（VSI）

4.2.1电压型方波逆变器

4.2.2电压型阶梯波逆变器

4.2.3电压型正弦波逆变器

1电压型正弦波逆变器的基本原理

2正弦脉冲宽度调制的基本问题

3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制

4