电力电子技术-7.2三相SPWM逆变

7-3-14）双极性PWM控制方式

（三相桥逆变）

图7-7三相桥式PWM型逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°7-3-2控制极信号的时序分布载波信号为对称三角波纯电阻负载

各相上下桥臂控制信号相位互补，上下臂轮流导通。各相对电源中点电压任一时刻主电路有3器件导通，其它器件关断。纯电阻负载各D不导通。

三相SPWM逆变电路7-3-3输出电压

[N=3]幅值由开关角决定，开关角由调制比m决定。

采用平均值模型

输出相电压波形共有5个电平：7-3-4阻性负载上3管全关断，U相对中点输出电压为05号开，经46管两路并联返回，输出为－1/3Ud。1、5管开，并联，经6回，输出＋1/3Ud上3管开，下3全关，输出01，5开，并联，经6回，输出＋1/3Ud1开，单独经6、2并联返回，输出2/3Ud类推，相电压由5种电平组成线电压为两相电压的差，由3种电平组成Ug>Uc,Ug1>0Ug<Uc,Ug1<0Vg>Uc,Ug3>0Ug<Uc,Ug3<0Wg>Uc,Ug5>0Ug<Uc,Ug5<07-3-5输出电压比方波逆变多2状态：上3管载流、下3管载流，将三相负载短路。此时直流电源和逆变器/负载间无电流，相电压为0。三相电路线电压谐波分布：相电压谐波分布与单相双极性SPWM相似，但无N整数倍次

N次谐波含量在m较小时较高选N为3的整数倍，则线电压谐波主要分布在

直流电压利用率

7-3-6感性负载N_D2,6_O_T4_NP_T5_O_T4,6_NP_T5_O_T6_N,D1_PP_T5_O_D1,3_P,三上臂导通，三相暂时短路

P_T5_O,电流过0,P_T1_O_T6_N1.三上135管关断，三下管462正驱动。

V,W相电流为正，U相电流为负。续流电流从N分D2、6经V、W负载到中线从U负载经T4回N形成回路2.上13下2管关断，下管46上5管正驱动。V,W相电流为正，U相电流为负。续流电流从N经D6经V负载到中线从U负载经T4回N形成回路，直到V电流下降到0；W相T5导通，从电源获得能量，电流经T5、W相负载流向中线，经U相负载从T4回N。V电流过0后，此电流的一部分经V负载、T6回N。3.上3下24管关断，下管6上15管正驱动。W相电流为正，UV相电流为负。W相电流继续经T5、W相负载流向中线，一路经V相负载从T6回N，一路作为U相续流电流从中线经D1回电源形成回路

。4.T6关断，V相电流维持原方向，使D3导通续流。此时T5、D1继续导通，形成三上臂导通，相当于三相输出UVW暂时处于短路5、T6正驱动，D3T6换流，U相电流过0时，D1T1交换导通，电流从电源经T1和T5、UW负载到中线，经V负载从T6回N。此时U、W相电流为正，V相电流为负。其它时区类推。7-3-7仿真验证模型7-3-8三相SPWM控制7-3-9DC=300V,450Hz，m＝1输出相电流输出相电压直流侧输入电流7-3-10输出相电压频谱分析N-2＝450－2×50＝350Hz，与基波相对值无450Hz谐波7-3-11输出线电压频谱分析450Hz调制输出50Hz线电压谐波分布最低次谐波7-3-1220KHz,m=1，阻感负载7-3-13输出相电压频谱，m=17-3-14输出电压频谱，m=0.52N-1次幅值最大7-3-15谐波分析小结三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc＝Nwr整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc±2wr和2wc±wr，即N±2、2N±2。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。7-3-167.2.2

异步调制和同步调制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。保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N变化在信号波的半周期内，PWM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称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称当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载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式7-3-177.2.2

异步调制和同步调制2）

同步调制——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud

同步调制三相PWM波形基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。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，N应取奇数。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。7-3-187.2.2

异步调制和同步调制3）分段同步调制划分频段，每频段内保持N恒定，不同频段的N不同。高频段采用较低的N，使载波频率不致过高；低频段采用较高的N，使载波频率不致过低。滞后切换,防止跳动。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。在低频输出时用异步调制，高频输出时切换到同步调制方式，和分段同步方式效果接近。

分段同步调制方式举例

7-3-19规则采样法与平均模型法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d规则采样法三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(7)7-3-20ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d规则采样法正弦调制信号波a称为调制度，0≤a<1；wr为信号波角频率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dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为d´U、d´V和d´W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(6)得可用于简化生成三相SPWM波的计算7-3-21使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。分析方法以载波周期为基础，推导出PWM波的傅里叶级数表达式。[推导参见“刘凤君

现代逆变技术及应用电子工业出版社2006p142~p175]尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。7.2.4PWM逆变电路的谐波分析

【见前各节】7-3-22晶闸管相控整流：输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，功率因数很低。二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，功率因数也很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。7.4PWM整流电路及其控制方法7-3-231．单相PWM整流电路单相PWM整流电路PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。

单相半桥电路

交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。

单相全桥电路7.4.1PWM整流电路的工作原理7-3-24正弦信号波和载波相比较,对V1~V4进行SPWM控制，可在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uAB。由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。当指令信号频率和电源同频时，is也为与电源频率相同的正弦波。uAB中含和正弦信号波同频且幅值成比例的基波分量，以及和载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uAB1的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB1的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is与us相位差为所需角度。(1)单相全桥PWM整流电路的工作原理7-3-257-31-b)逆变运行d·Us·UR·UAB·Is·UL7-31-a)整流运行d·Us·UL·UR·UAB·Isa：滞后相角d

，和同相，整流状态，功率因数为1。PWM整流电路最基本的工作状态。b：超前相角d

，和反相，逆变状态，说明PWM整流电路可实现能量正反两个方向的流动，这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要工作原理7-3-267-31-c)无功补偿运行d·Us·UR·UAB·Is·UL7-31d)超前角为j

jd·Us·UR·UABIs·ULc：滞后相角d，超前90°，电路向交流电源送出无功功率，这时称为静止无功功率发生器（StaticVarGenerator—SVG）。d：通过对幅值和相位的控制，可以使比超前或滞后任一角度j

。工作原理7-3-27整流状态下:us>0时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电。us<0时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。单相全桥PWM整流电路工作原理7-3-28原理和单相全桥电路相似。进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得SPWM电压，按相量图控制，可使ia、ib、ic为正弦波且和电压同相、功率因数近似为1。和单相相同，该电路也可工作在逆变、无功补偿等运行状态。三相桥式PWM整流电路

负载整流：单位功率因数2．三相PWM整流电路7-3-29间接电流控制系统结构有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种

间接电流控制、直接电流控制。与相电压同相的正弦电流指令相电压减去电阻、电感压降得到给定相电压指令，与三角波比较后得到该相PWM控制信号1)间接电流控制间接电流控制也称为相位和幅值控制。按图7-31a（逆变时为图7-31b）的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。图为间接电流控制的系统结构图图中的PWM整流电路为图6-30的三相桥式电路控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。直流电流指令电流在输入回路电阻上的压降电感电流在感抗上的压降，相位相差90度7.4.2PWM整流电路的控制方法7-3-30有不同的电流跟踪控制方法，一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构如图。直接电流控制系统结构图通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。2)

直接电流控制【略】7-3-31PWM控制技术的地位PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。器件与PWM技术的关系IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。PWM控制技术用于直流斩波电路直流斩