机车三相异步电动机调速特性-牵引逆变器

脉宽调制基本原理牵引逆变器四、脉宽调制（PWM）逆变器的基本原理

传统的交-直-交变压变调速系统的主要问题：（1）主电路有两个须控制的功率环节，相对来说比较复杂；（2）由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性储能元件存在，使系统的动态响应缓慢；（3）由于整流器为可控的，使供电电源的功率因数随变频装置输出的频率的降低（电压也随之降低）而变差，并产生高次谐波电流；（4）逆变器输出为六阶波交流电压（电流），在交流电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。牵引逆变器1964年，德国的A.Schonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频器，用这种技术构成的PWM逆变器基本上解决了六阶波变频器中存在的问题。逆变器的功率开关器件按一定规律控制其导通或关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。通过改变矩形脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。牵引逆变器

所谓的正弦脉宽调制（SPWM）波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是两波形每一对应区间的面积相等。正弦脉宽调制逆变器的基本原理

牵引逆变器

正弦波正、负半周分别用正、负矩形脉冲等效的SPWM波形称作单极式SPWM。下图中VT1~VT6是逆变器的六个功率开关器件，各有一个续流二极管反并联接。牵引逆变器

下图所示为单极式SPWM波形，它是由逆变器上桥臂中一个功率开关器件反复导通和关断形成的。其等效正弦波为Umsinω1t，而SPWM脉冲序列波的幅值为US/2。牵引逆变器

各脉冲宽度不等，但中心间距相同，都等于π/n，n为正弦波半个周期内的脉冲数。令第i个矩形脉冲的宽度为δi，其中心点相位角为θi，则根据面积相等的等效原则，可写成：当n的数值较大时：

则：

上式表明，第i个脉冲的宽度δi与该处正弦波值近似成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽，脉冲宽度按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。牵引逆变器

实用的办法是引用通讯技术中的“调制”概念，将所期望的正弦波形作为基准的调制波（ModulationWave），而受它调制的信号称为载波（CarrierWave）。在SPWM中常用等腰三角波作为载波。当调制波与载波相交时，由它们的交点时刻控制逆变器开关器件的通断，即可在逆变器的输出端得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦函数值的矩形脉冲——这就是正弦脉宽调制技术（简称SPWM）。牵引逆变器

一组三相对称的正弦参考电压信号（调制波）ura、urb、urc由信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出范围内可调，且参考电压信号的幅值在一定范围内变化，以决定逆变器输出电压的大小。三角波载信号由三角波发生器产生，为三相正弦参考电压信号共用，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的输出，产生SPWM脉冲序列波uda、udb、udc，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。牵引逆变器图单极式脉宽调制电压波形的形成图脉宽调制电压波形及电流波形电流波形牵引逆变器

单极式SPWM波形在半周内的脉冲电压只在“正”（或“负”）和“零”之间变化，主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地通断，处于互补工作方式，则输出脉冲就在“正”和“负”之间变化，从而得到双极式的SPWM波形。逆变器的基本原理牵引逆变器三、逆变器的基本原理

逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源。左图中仅给出组成逆变器所必须的6个电力电子开关器件VT1~VT6。在每个周期中，控制各个器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压，改变开关管导通和关断的时间，即可得到不同的输出频率。牵引逆变器180°导通型：

在同一桥臂上、下两管之间互相换相，这时每个晶闸管在一个周期中的导通180°电角，其它各相也是如此，但三相对应元件相差120°电角轮流导——使VT1~VT6各元件每隔60°电角轮换导通，在每一时刻都有三个元件同时导通。具体分组顺序为：5、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；…

牵引逆变器牵引逆变器

若将每一时刻逆变器各晶闸管元件的开关情况以一等效（元件开通时认为短路，元件断开时认为断路）电路表示，则可得到任一时刻的相、线电压，从而绘出相、线电压波形。牵引逆变器

例如，在0~60°范围内，VT1、VT5、VT6同时导通，VT2、VT3、VT4同时关断，则此时电机绕组的各相等效阻抗中的ZA与ZC并联，再与ZB串联。假定三相负载对称，则ZA=ZB=ZC=Z，此时ZA、ZC上的相电压应相等，即ZB上的相电压为：牵引逆变器

根据相电压的六阶波形和线电压的矩形波形可以求出电压的有效值，即利用富氏级数对相电压和线电压进行谐波分析，表示为牵引逆变器

逆变器的负载是异步电动机，属电感性负载。当逆变器以六阶波电压对电机供电时，其电流波形在负载电感的作用下将趋于平滑，其平滑程度将与六阶波电压的频率有关。牵引逆变器

当电压频率较高时，异步电动机定子绕组电感对电流的滞后作用相对突出，因此将获得接近正弦形的电流波形。这样便可大大消除阶梯状电压波形带来的不利影响，可使异步电动机正常运行。而当电压频率较低时，六阶波电压波形延续时间相对变长，