轨道交通车辆牵引逆变器检修-无源逆变的基本原理

PWM控制的基本思想PWM控制的基本思想为了使逆变器的输出电压波形趋于正弦波，可以采用多重逆变或脉冲宽度调制（PWM）的方法。PWM技术就是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲，以达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。PWM控制的基本思想PWM是通过控制半导体功率开关器件的导通和关断时间比，调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。将脉宽控制技术应用于逆变器，即可以控制逆变器输出电压的频率，波形及基波幅值。PWM控制的基本思想在采样控制理论中有一个重要结论：冲量（脉冲面积）相等而形状不同的窄脉冲（如后图所示）加在具有惯性的环节上时，其输出响应基本相同。即是说，对于两个不同的窄脉冲，如果它们的面积相等，则将它们分别加在相同的惯性环节上，如R-L电路，则有相同的输出波形。我们称之为面积等效原理。它是PWM控制技术的重要基础。PWM控制的基本思想形状不同而冲量相同的各种窄脉冲PWM控制的基本思想左图（b）所示的脉冲序列就是PWM波形。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。与正弦波等效的SPWM波PWM控制的基本思想根据PWM的控制原理，在给出了逆变电路正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔便可以准确计算出来。按照计算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的波形，这种方法称为计算法。PWM控制的基本思想在实际应用中，通常采用的是调制法，即把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所希望的PWM波形。通常采用的载波信号是等腰三角形波。当调制信号为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。根据三角形波在半个周期内的极性的不同，可以分为单极性调制和双极性调制两种调制方法。PWM控制脉冲模式PWM控制脉冲模式为了使PWM逆变器的输出电压尽可能接近正弦波，减少谐波输出，应使载波频率为调制波频率的基数倍（如11以上）。随着输出电压频率的提高，会使构成逆变器的功率器件的开关频率明显上升。而功率器件的实际工作频率，是有一定限度的。PWM控制脉冲模式为了得到合适的输出波形，又不超过功率器件的工作频率，通常，在逆变器的基础频率以下，载波频率与调制波频率倍数比较大，在基础频率以上时，这个倍数要逐渐变小，甚至调整为1，即逆变器的输出频率为方波。PWM控制脉冲模式上图中，调制脉冲数在定子频率为30Hz以内保持不变，该模式称为异步模式。脉冲模式分配图PWM控制脉冲模式当定子频率在30Hz以上时，则采用同步脉冲模式，但受限于器件的工作频率，载波频率与调制波频率的倍数（即在每半波周期内有不同的脉冲数）是变化的，分别为9分频，7分频，5分频，3分频，方波。PWM控制脉冲模式在3分频转为方波时，为了防止波形幅度变化剧烈，此时有一个过渡过程，即由3M转为3S。3M指的是在半波周期内输出电压（方波）导通宽度小于60度，3S指的是在半波周期内输出电压（方波）导通宽度大于90度，该变换的目的主要是为了减少逆变器输出电压的谐波干扰。PWM控制脉冲模式当定子的频率低于30Hz时，逆变器工作在异步模式下，在13-30Hz的工作范围内调制波频率为450Hz，低于13HZ时根据特性曲线载波频率为200Hz，该过程主要是确保在启动时有足够小的电机电压。单极性SPWM控制单极性SPWM控制上图是采用IGBT作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路，负载为感性负载。单相桥式PWM逆变电路单极性SPWM控制采用PWM控制时，对IGBT的控制按下面规律进行：1.在正半周，让IGBT管VT1一直保持导通，而让VT4交替通断。当VT1和VT4同时导通时，负载上所加的电压为直流电源电压，即uo=Ud。当VT1导通而使VT4关断后，由于电感性负载中的电流不能突变，负载电流将通过二极管VD3续流，负载上所加电压uo=0。单极性SPWM控制2.在负半周，让IGBT管VT2始终保持导通。当VT3导通时，负载电压为uo=－Ud；当VT3关断时，VD4续流，负载电压为uo=0。这样，在一个周期内，逆变器输出的PWM波形就由±Ud和0三种电平组成。单极性SPWM控制控制VT3或VT4通断的单极性SPWM方法如左图所示，载波uc在调制波ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。单极性PWM控制方式原理单极性SPWM控制这种在ur的半个周期内三角波载波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路图中Ud为电流电源电压，R为逆变电路的输出负载，VT1~VT4为四个全控型器件的开关。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路及电压、电流波形图（a）电路（b）负载电压波形图（c）电阻负载电流波形（d）感性负载电流波形VT1和VT4构成一对导电臂，VT2和VT3构成另一对导电臂，两对导电臂交替导通180°，其输出电压如左图（b），负载电流波形如左图（c）、（d）所示。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路在感性负载时的工作过程:t=0时刻以前，VT2、VT3导通，VT1、VT4关断，电源电压反向加在负载上，

。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路在t=0时刻，负载电流上升到负的最大值，此时关断VT2、VT3，同时驱动VT1、VT4，由于感性负载电流不能立即改变方向，负载电流经VD1、VD4续流，此时，由于VD1、VD4导通，VT1、VT4受反压而不能开通。负载电压

。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路到t1时刻，负载电流下降到0，VD1、VD4自然关断，VT1、VT4在正向电压作用下开始导通，负载电流正向增大，负载电压

。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路到t2时刻，负载电流上升到正的最大值，此时关断VT1、VT4，并驱动VT2、VT3，同样，由于负载电流不能立即换向，负载电流经VD2、VD3续流，负载电压

。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路t3时刻，负载电流下降到0，VD2、VD3自然关断，VT2、VT3开通，负载电流反向增大，此时，

。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路到t4时刻，负载电流上升到负的最大值，完成一个工作同期。可见，对于感性负载，VD1~VD4起提供负载电流续流通道和反馈无功能量的作用。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将uo展开成傅氏级数，得其中基波分量的幅值Uo1m和有效值Uo1分别为电压型三相桥式逆变器电压型三相桥式逆变器电路由三个半桥组成，开关管采用全控型器件，如GTO、IGBT、GTR等，VD1~VD6为续流二极管。这是最基本的逆变电路。大功率的应用均要求采用三相逆变电路，当对波形有较高要求时，则采用此基本线路进行多重叠加或采用PWM控制方法，以抑制高次谐波。电压型三相桥式逆变器电压型三相桥式逆变器根据各开关管导通时间的长短，该电路可分180°导电型和120°导电型，其中常用的为180°导电型。在180°导电型中，每个开关管的驱动信号持续180°，同一相上下两个开关管交替导通，在任何时刻都有三个开关管导通。在一个周期内，6个管子触发导通的次序为VT1~VT6，

依次相隔60°，导通的组合顺序为VT1VT2VT3、VT2VT3VT4、VT3VT4VT5、VT4VT5VT6、VT5VT6VT1、VT6VT1VT2，每种组合工作60°电角度。电压型三相桥式逆变器180°导通型三相桥式逆变电路的工作波形（a）相电压波形

（b）线电压波形电压型三相桥式逆变器180°导电型三桥式逆变电路各阶段等效电路及相电压和线电压的值表中，负载为三相星形对称负载电压型三相桥式逆变器从波形图可看出，负载线电压为120°正负对称的矩形波，而相电压为180°正负对称的阶梯波，与正弦波接近，三相负载电压相位差为120°。对于180°导电型逆变电路，为了防止同一相上下桥臂同时导通而引起直流电源的短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定时间裕量，然后再给应导通的器件发开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。电压型三相桥式逆变器除180°导电型外，三相桥式逆变电路还有120°导电型的控制方式。即每个桥臂120°，同一相上下两臂的导通有60°间隔，各相依次相差120°。与180°导电型相反，120°导电型的相电压为矩形波，而线电压为阶梯波。采用120°导通方式时，由于同一桥臂上下两管有60°的导通间隙，对换流安全有利，但管子的利用率较低，并且，若电机采用星形接法，则始终有一相绕组断开，在换流时该相绕组中会引起较高的感应电势，需要采用过电压保护措施。电压型三相桥式逆变器改变逆变桥开关管的触发频率或者触发顺序，则能改变输出电压的频率及相序，从而可实现电动机的变频调速与正反转。三相桥式SPWM控制三相桥式SPWM控制对于三相逆变器也可以采用双极性SPWM控制方式，如图所示。三相桥式SPWM逆变电路三相桥式SPWM控制a、b、c三相通常共用一个等腰三角形载波uc，三相正弦调制信号ura、urb、urc频率相同、幅值相同，相位依次相差120°，各相控制规律相同，其波形如图所示。三相双极性SPWM调制波形三相桥式SPWM控制当给VT1或VT4加导通信号时，VT1（或VT4）及续流管VD1（或VD4）的导通情况取决于感性负载中原来电流的大小和方向，与单相时的情况相同。双极性SPWM控制双极性SPWM控制上图是采用IGBT作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路，负载为感性负载。单相桥式PWM逆变电路双极性SPWM控制在双极性PWM控制方式中，在ur的半个周期内，三角形载波是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。双极性PWM控制方式原理双极性SPWM控制在双极性PWM控制方式中，同一相的上下两个桥臂的驱动信号都是互补的。实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟Δt时间（亦即通常所说的死区时间），才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。无源逆变的基本原理无源逆变的基本原理图中Ud为电流电源电压，R为逆变电路的输出负载，S1~S4为四个高速开关。单相桥式逆变电路工作原理（a）电路原理图

（b）电压波形图无源逆变的基本原理该电路有两种工作状态：(1)S1、S4闭合，S2、S3断开，加在负载R上的电压为左正右负，输