PWM逆变器-修订版

脉宽调制型（PWM）逆变器PulseWidthModulation讲课目录邱浩：带电流滞环跟踪的ＰＷＭ逆变器控制曾快：SPWM单双极性调制李杰：SPWM波的调制条件和同步、异步、分段调制比较沈子乂：基础概念准备回璇：PWM调制在交-直-交系统中的优势赵晓阳：电压型和电流型PWM调制比较卿怡：SPWM波的计算法梁达：三相桥式PWM调制

基础概念准备（１）PWM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，从而在逆变器上实现VVVF的综合控制。（２）核心依据：在具有惯性环节（电容、电感储能元件）的电路中，能用等面积的等幅不等宽的脉冲序列等效正弦波。（3）ＰＷＭ脉冲序列：用来控制逆变器功率开关元件ＶＴ１～ｖＴ６的通断，以使逆变器输出ＰＷＭ电压波。（通过载波、调制波、比较器获得）

基础概念准备（4）ＩＧＢＴ全控器件的等效电路与开关特性IGBT的等效电路如左图所示。由图可知,若在IGBT的栅极（G）和发射极(E)之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP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;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V或负电压,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。SPWM单极性和双极性调制以等腰三角形载波ut和参考正弦波ur的相交关系，可以产生SPWM调制波。当参考电压ur在正半波时，若，则调制波up=0;若，则up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，称这种脉冲序列为SPWM序列。当ur在负半周期时，需要把ur正半波的SPWM序列反响，得到一个周期的、幅值在0~up变化的脉冲序列，称为单极性SPWM调制模式，如下图所示：SPWM单极性和双极性调制如果在每个焦点ur=ut处同时产生正、负触发脉冲，在一个半周内既有up又有-up脉冲序列。这种调制称为双极性SPWM调制模式，如下图所示：SPWM单极性和双极性调制在两电平电路中，双极性控制能够控制同一个桥臂上的功率器件互补通断，前提是遵循先断后通原则。虽然矩形脉冲组成有正有负，但在逆变器输出端只能是电压平均值，显然在正半周期+Ud/2脉冲合成面积大于-Ud/2的面积，电压平均值为正，且电压脉冲宽度任然符合正弦分布，因此近似于正弦电压。同理，负半周期逆变器输出负值正弦。三相桥式PWM逆变电路

电路用途：三相桥式PWM变频电路是PWM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，其控制方式为双极性方式。

电路组成：不控整流环节，采用6个二极管VD1~VD6整流；逆变环节，6个快速功率开关器件IGBT和6个快速续流二极管DF1~DF6组成;三相对称负载，大多为感性；调制电路，用于控制IGBT通断。开关脉冲的产生载波信号参考信号参考信号载波信号参考信号载波信号

三相参考信号ura、urb、urc分别为三相正弦波信号，其幅值和频率均相等，相位依次差120度。

A、B、C三相的PWM控制共用一个三角波信号ut,其PWM控制规律相同。

现在以A相为例，当ura>ut时，使VT1导通，VT4关断；当ura<ut时，使VT1关断，VT4导通。VT1、VT4的驱动信号始终互补。

调制电路内部的本质是若干比较电路。将参考信号和载波信号进行比较来控制IGBT通断。此波形可以看作是IGBT的开关脉冲，正脉冲时VT1导通，VT4关断；负脉冲时VT4导通，VT1关断。三相正弦PWM波形

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，即总有两个IGBT处于导通状态，所以负载上的电压是连续的正弦波。其余两相的控制规律与A相相同。

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。但为了防止上下两桥臂直通而造成短路，要遵循“先断后通”的原则，在给一个桥臂加关断信号后，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的关断时间决定。三相桥式PWM变频器也是靠同时改变三相参考信号（调制信号）ura、urb、urc的调制周期来改变输出电压频率的，靠改变三相参考信号的幅度即可改变输出电压的大小。PWM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恒定，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必须相应改变其幅值。仿真从逻辑的角度讲解其原理：开关脉冲电路逆变电路负载仿真—脉冲开关电路仿真—逆变电路相当于两个电容串联支路。仿真

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

使用规则采样法计算得到的脉宽t2和准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。

ＳＰＷＭ波的计算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SPWM的原理图如下所示。ABTct20tUd1

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，通过查表的方式实时控制。其原理图如下：Sk10aＳＰＷＭ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。（1）调制比的限制。调制比定义为：在双极性SPWM波中，最小脉宽出现在ur接近载波ut峰值的两交点间，此处的最小脉宽时间必须保证大于功率元件的关断时间toff使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般M不大于0.9。ＳＰＷＭ波的调制条件（2）载波比的限制。在波比定义为：式中：ft表示三角波频率（Hz）fr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fr一定的情况下，显然载波比N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、断频率允许值的限制。同步、异步、分段调制

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。

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PWM波形更接近正弦波。而当信号波频较高时，N减小，脉冲数减小，PWM脉冲不对称影响大，信号波可能随PWM脉冲跳动，这使输出PWM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而对负载产生不利影响。异步调制：分段同步调制：同步调制：PWM调制在交-直-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。间接变频器：（交——直——交变频器）

整流（调压）逆变（调频）

交流—————直流—————交流特点：调频范围宽，应用广泛。直接变频器：（交——交变频器）（变频）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1/3～1/2，而且控制复杂，对电网产生较大的无功和谐波污染，通常用于低频场合可控整流器调压，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，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。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，PWM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。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。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。电压型和电流型PWM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电压型逆变电路，直流侧为电流源的为电流型逆变电路。

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；

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。

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。电压型逆变器的主要特点：电压型和电流型PWM调制比较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，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。

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，其优点是有四象限运行能力，能很方便的实现电机的制动功能，缺点是需要对逆变桥进行强迫换流，装置结构复杂，调整较为困难，另外由于电网侧采用可控硅移相整流，故输入电流谐波较大，容量大时对电网会有一定影响，因而多选用电压型逆变器。带电流滞环跟踪的ＰＷＭ逆变器控制1、在前述SPWM电压型逆变器，可以使输出电压接近正弦，但是由不同宽度的方波脉冲组成，不可避免含有谐波。2、以逆变器为电源的三相异步电动机，不仅要求端电压接近正弦，而且从降