電氣工程自動(dòng)控制原理第7章無(wú)源逆變電路

1、7.1 7.1 無(wú)源逆變電路的原理無(wú)源逆變電路的原理一一. . 無(wú)源逆變電路的概述無(wú)源逆變電路的概述 逆變逆變與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。v交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變；交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變；v交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變；本章講述無(wú)源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變；本章講述無(wú)源逆變。 逆變與變頻逆變與變頻v變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種；變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種；v交直交變頻由交直交變頻由交直變換交直變換和和直交變換直交變換兩部分組成，兩部分組成，后一部分就是逆變。后一部分就是逆變。工業(yè)應(yīng)用交流電源工業(yè)應(yīng)用交流電源v 變頻變壓電源變頻變壓電源 V

2、VVF，即變頻器。通常用于交流電動(dòng)機(jī)即變頻器。通常用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速；調(diào)速；v 恒頻恒壓電源恒頻恒壓電源 CVCF，典型代表是典型代表是UPS，以及其它的各以及其它的各種電源；種電源；v 感應(yīng)加熱用交流電源，要求頻率可以在一定范圍內(nèi)變化。感應(yīng)加熱用交流電源，要求頻率可以在一定范圍內(nèi)變化。 逆變電路的應(yīng)用逆變電路的應(yīng)用v蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等直流電源向交流負(fù)載供蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時(shí)，需要逆變電路；電時(shí)，需要逆變電路；v交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。電力電子裝

3、置的核心部分都是逆變電路。二二. .無(wú)源逆變電路的基本工作原理無(wú)源逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例單相橋式逆變電路為例S1S4S1S4是橋式電路的是橋式電路的4 4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。電路組成。S1S1、S4S4閉合，閉合，S2S2、S3S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓u uo o為正；為正；S1S1、S4S4斷開(kāi)，斷開(kāi)，S2S2、S3S3閉合時(shí)，閉合時(shí)，u uo o為負(fù)。把直流電變?yōu)樨?fù)。把直流電變成了交流電。成了交流電。圖圖7-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率；改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率

4、，可改變輸出交流電頻率； 電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和和uo的波形相同，相位也相同；的波形相同，相位也相同； 阻感負(fù)載時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于相位滯后于uo，波形也不同（圖波形也不同（圖7-1b）t1前：前：S1、S4通，通，uo和和io均為正；均為正；t1時(shí)刻斷開(kāi)時(shí)刻斷開(kāi)S1、S4，合上合上S2、S3，uo變負(fù)，但變負(fù)，但io不能立刻反向；不能立刻反向；io從電源負(fù)極流出，經(jīng)從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和負(fù)載和S3流回正極，負(fù)流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，逐漸減小，t2時(shí)刻降為時(shí)刻降為零，之后零，之后io才反向并增大。才反向并增

5、大。 換流：電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，換流：電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相也稱換相(電力電子器件導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)完成電力電子器件導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)完成)。 開(kāi)通方式：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其開(kāi)通開(kāi)通方式：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其開(kāi)通 關(guān)斷方式：關(guān)斷方式： 全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷；全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷； 半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷；半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷； 一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。關(guān)斷。 研究換流方式主要是研究研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷如何使器件關(guān)斷。1

6、. 1. 器件換流器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流（利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流（Device Device CommutationCommutation）; ;2. 2. 電網(wǎng)換流電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流（由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流（Line Commutation）；）； 可控整流電路、相控交流調(diào)壓電路；可控整流電路、相控交流調(diào)壓電路； 不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。3. 3. 負(fù)載換流負(fù)載換流 由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流（由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流（Load Commut

7、ation）；）； 負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流；負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流； 負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。4. 4. 強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流（反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流（Forced CommutationForced Commutation）通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦

8、合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓VTVT通態(tài)時(shí)，先給電容通態(tài)時(shí)，先給電容C C充電。合上充電。合上S S就可使晶閘管被施加反就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。壓而關(guān)斷。SVT負(fù)載+-圖5-31.1.從相數(shù)角度從相數(shù)角度 單相逆變及三相逆變電路單相逆變及三相逆變電路2.2.從直流電源的性質(zhì)角度從直流電源的性質(zhì)角度 電壓源型和電流源型逆變電路電壓源型和電流源型逆變電路3.3.從輸出波形的特征角度從輸出波形的特征角度 矩形波和矩形波和脈寬調(diào)制波脈寬調(diào)制波逆變電路逆變電路4.4.從電路結(jié)構(gòu)的角度從電路結(jié)構(gòu)的角度 橋式及零式逆變電路橋式及零式逆變電路5.5.從導(dǎo)通角大小的

9、角度從導(dǎo)通角大小的角度 120120度及度及180180度導(dǎo)通型逆變電路度導(dǎo)通型逆變電路 電壓型逆變器電壓型逆變器 電流型逆變器 矩形波逆變器矩形波逆變器 特點(diǎn): 輸出電壓波形為矩形波，電路控制簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)次數(shù)少，直流電壓利用率高。缺點(diǎn)在于輸出電壓或電流調(diào)節(jié)困難，矩形波的諧波含量高。 脈寬調(diào)制型逆變器脈寬調(diào)制型逆變器 特點(diǎn)：輸出基波的頻率及幅值調(diào)節(jié)容易，諧波含量低。缺點(diǎn)在于開(kāi)關(guān)次數(shù)高，直流電壓利用率低。7.2 7.2 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路一半橋逆變電路一半橋逆變電路1.1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)+-RLa)ttOOONb)圖5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t

10、2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2圖圖7-2 單相半橋逆變電路的原理圖及波形單相半橋逆變電路的原理圖及波形2.2.工作原理工作原理vV1和和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周開(kāi)通、半周關(guān)斷，形成互柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周開(kāi)通、半周關(guān)斷，形成互補(bǔ)。補(bǔ)。vuo為矩形波，幅值為為矩形波，幅值為Um=Ud/2ov電流波形隨負(fù)載而異，如感性負(fù)載時(shí)見(jiàn)電流波形隨負(fù)載而異，如感性負(fù)載時(shí)見(jiàn)(圖圖7-2b)；vV1或或V2通時(shí)，通時(shí)，io和和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；vVD1或或VD2通時(shí)，通時(shí)，io和和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋；反向，電

11、感中貯能向直流側(cè)反饋；vVD1、VD2稱為反饋二極管稱為反饋二極管,還使還使io連續(xù)，又稱連續(xù)，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。 特點(diǎn)特點(diǎn)v優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少v缺點(diǎn)：交流電壓幅值缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡兩者電壓均衡v用于用于幾幾kW以下的小功率逆變電源以下的小功率逆變電源 單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合二二. .全橋逆變電路全橋逆變電路圖圖7-3（a) 單相電壓型全橋逆變電路的原理圖及波形單相電壓型全橋逆變電路的原理圖及波形(阻性負(fù)載

12、）阻性負(fù)載）1.1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)輸出電壓（圖輸出電壓（圖 b）輸出電流（圖輸出電流（圖 c）直流輸入電流（圖直流輸入電流（圖 d） 輸出電壓（圖輸出電壓（圖 b）輸出電流（圖輸出電流（圖 c）直流輸入電流（圖直流輸入電流（圖 d）圖圖7-3（b) 單相電壓型全橋逆變電路的原理圖及波形單相電壓型全橋逆變電路的原理圖及波形(阻感性負(fù)載）阻感性負(fù)載）2.2.工作原理工作原理v兩個(gè)半橋電路的組合；兩個(gè)半橋電路的組合；vV1和和V4一對(duì)，一對(duì)，V2和和V3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通對(duì)交替各導(dǎo)通180；vuo波形同圖波形同圖7-2b半橋電路的半橋電路的uo，幅

13、值高出一倍幅值高出一倍Um=Ud；vio波形和圖波形和圖7-2b中的中的io相同，幅值增加一倍；相同，幅值增加一倍；v單相逆變電路中應(yīng)用最多的；單相逆變電路中應(yīng)用最多的；3.3.輸出電壓參數(shù)分析輸出電壓參數(shù)分析 uo成傅里葉級(jí)數(shù) 基波幅值 基波有效值 當(dāng)當(dāng)uo為正負(fù)各180時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU(7-1)(7-2)(7-3)許多工程應(yīng)用要求同時(shí)改變輸出頻率和電壓?4.4.移相調(diào)壓方式（通過(guò)逆變器本身開(kāi)關(guān)控制移相調(diào)壓方式（通過(guò)逆變器本身開(kāi)關(guān)控制, ,適用于單相）適用于單相）+

14、-CRLtOtOtOtOtOa)b)圖5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo圖圖7-4 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式v可采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓移相調(diào)壓v各柵極信號(hào)為180正偏，180反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變v但V3的柵極信號(hào)只比V1落后 ( 0 0 0時(shí)，V12和VD1導(dǎo)通 iUuc時(shí)使時(shí)使V4通，通，V3斷，斷，uo=Ud 當(dāng)當(dāng)uruc時(shí)使時(shí)使V4斷，斷，V3通，通，uo=0 ur負(fù)半周，負(fù)半周，V1保持?jǐn)?，保持?jǐn)啵琕2保持通保持通 當(dāng)當(dāng)ur

15、uc時(shí)使時(shí)使V3斷，斷，V4通，通，uo=0 虛線虛線uof表示表示uo的基波分量的基波分量1 1、單極性、單極性SPWMSPWM控制方式控制方式圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud圖圖7-15 單極性單極性PWM控制方式波形控制方式波形在在u ur r的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得負(fù)，所得PWMPWM波也有正有負(fù)波也有正有負(fù)仍在調(diào)制信號(hào)仍在調(diào)制信號(hào)u ur r和載波信號(hào)和載波信號(hào)u uc c的交點(diǎn)控的交點(diǎn)控制器件的通斷制器件的通斷u ur r正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同相同當(dāng)當(dāng)u ur r u uc

16、c時(shí)時(shí)，給，給V1V1和和V4V4導(dǎo)通信號(hào)，給導(dǎo)通信號(hào)，給V2V2和和V3V3關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷信號(hào)， uo=Ud - -當(dāng)當(dāng)u ur r u uc c時(shí)時(shí)，給，給V2V2和和V3V3導(dǎo)通信號(hào)，給導(dǎo)通信號(hào)，給V1V1和和V4V4關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷信號(hào)， uo=-Ud在在u ur r一周期內(nèi)，輸出一周期內(nèi)，輸出PWMPWM波只有波只有U Ud d兩兩種電平種電平 單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制。極性調(diào)制。圖6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud2 2、雙極性、雙極性SPWMSPWM控制方式控制方式圖圖7-16 雙極性雙極性PWM控制

17、方式波形控制方式波形 為了實(shí)現(xiàn)逆變器輸出交流電壓幅值和頻率的調(diào)節(jié)，可以通過(guò)改變載波為了實(shí)現(xiàn)逆變器輸出交流電壓幅值和頻率的調(diào)節(jié)，可以通過(guò)改變載波和調(diào)制波的頻率及調(diào)制波的幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)。定義如下：和調(diào)制波的頻率及調(diào)制波的幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)。定義如下： （1）載波比載波比載波頻率載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，之比，N= fc / fr （2）調(diào)制度調(diào)制度調(diào)制波幅值調(diào)制波幅值mr與與載波幅值載波幅值mc之比，之比，Ma= mr / mc 通過(guò)改變調(diào)制度可以改變輸出交流電壓基波的幅值；通過(guò)改變調(diào)制度可以改變輸出交流電壓基波的幅值； 通過(guò)改變載波比可以改變輸出交流電壓基波的頻率；通過(guò)改變載波比可以

18、改變輸出交流電壓基波的頻率；當(dāng)當(dāng)a a在之間時(shí)，輸出交流電壓的基波幅值與在之間時(shí)，輸出交流電壓的基波幅值與a a成線性關(guān)系：成線性關(guān)系：對(duì)于單相半橋逆變電路：對(duì)于單相半橋逆變電路：o(1)o(1)MaMa* *Ud/2Ud/2對(duì)于單相全橋逆變電路：對(duì)于單相全橋逆變電路：o(1)o(1)MaMa* *UdUd對(duì)于三相橋式逆變電路：對(duì)于三相橋式逆變電路：線電壓基波幅值線電壓基波幅值0.8660.866* *MaMa* *UdUd 單極性單極性SPWM在載波比在載波比N = 20時(shí)的基波與諧波時(shí)的基波與諧波橫軸為調(diào)制度橫軸為調(diào)制度縱軸為諧波與基波幅值的比值縱軸為諧波與基波幅值的比值在在Ma為為01之

19、間時(shí)幾乎不含低次諧波，僅含有高次諧波，濾波容易。之間時(shí)幾乎不含低次諧波，僅含有高次諧波，濾波容易。在在Ma大于大于1（過(guò)調(diào)制）后含有低次諧波，諧波特性較差。（過(guò)調(diào)制）后含有低次諧波，諧波特性較差。 雙極性雙極性SPWM在載波比在載波比N = 19時(shí)的基波與諧波時(shí)的基波與諧波橫軸為調(diào)制度橫軸為調(diào)制度縱軸為諧波與基波幅值的比值縱軸為諧波與基波幅值的比值可知：可知：?jiǎn)螛O性調(diào)制的諧波特性好于雙極性調(diào)制單極性調(diào)制的諧波特性好于雙極性調(diào)制六六. .同步調(diào)制和異步調(diào)制同步調(diào)制和異步調(diào)制 異步調(diào)制異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)頻率不同步的調(diào)制方式載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)頻率不同步的調(diào)制方式 通常保持通常保持fc固定不變

20、，當(dāng)固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比變化時(shí)，載波比N是變化的是變化的 在信號(hào)波的半周期內(nèi)，在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱周期的脈沖也不對(duì)稱 當(dāng)當(dāng)fr較低時(shí)，較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小稱產(chǎn)生的不利影響都較小 當(dāng)當(dāng)fr增高時(shí)，增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈脈沖不對(duì)稱的影響就變大沖不對(duì)稱的影響就變大1. 1. 異步調(diào)制異步調(diào)制2

21、. 2. 同步調(diào)制同步調(diào)制 同步調(diào)制同步調(diào)制N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)調(diào)制波保持同步號(hào)調(diào)制波保持同步 基本同步調(diào)制方式，基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)變化時(shí)N不變，信號(hào)波一不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定 為使為使PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)應(yīng)取奇數(shù) fr很低時(shí)，很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除除 fr很高時(shí)，很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，器件工作頻率變高，從而會(huì)過(guò)高，器件工作頻率變高，從而使開(kāi)關(guān)器件難以承受使開(kāi)關(guān)器件難以承受 分段同步調(diào)制 把把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)

22、保持范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不恒定，不同頻段同頻段N不同不同 在在fr高的頻段采用較低的高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高使載波頻率不致過(guò)高 在在fr低的頻段采用較高的低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低使載波頻率不致過(guò)低 為防止為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法 同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn) 可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同同步調(diào)制方

23、式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近步方式效果接近 SPWM 的載波比與輸出頻率的載波比與輸出頻率關(guān)系（分段同步調(diào)制）關(guān)系（分段同步調(diào)制） 不同開(kāi)關(guān)頻率下三種逆變器的電機(jī)電流波形七七.SPWM.SPWM的實(shí)際生成方式的實(shí)際生成方式模擬電路方式模擬電路方式專用集成電路方式（專用集成電路方式（MA818、HEF4752、SLE4520）采用帶采用帶SPWM功能的單片機(jī)或功能的單片機(jī)或DSP芯片（芯片（80C196、TMS320F2812等）等） SPWMSPWM逆變器的自然采樣與規(guī)則采樣逆變器的自然采樣與規(guī)則采樣 (a) 對(duì)稱規(guī)則采樣 (b)不對(duì)稱規(guī)則采樣 規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法

24、原理 三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc 自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合 對(duì)稱規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化 在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過(guò)D作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開(kāi)關(guān)器件的通斷 脈沖寬度d 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 對(duì)稱規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法 用脈寬調(diào)制消除指定的諧波分量用脈寬調(diào)制消除指定的諧波分量 消除3次和5次兩種諧波的電壓波形 式中 為了消除3次和5次諧波，可令 U3M=0和 U5M=0 可求得特定的 1和 2nnMntnUtu.

25、531sin)(、cos2cos21421nnnUUdnM05cos25cos2103cos23cos212121八八.SPWM.SPWM的諧波分析的諧波分析 脈寬調(diào)制逆變電路的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以消除輸出電壓波形的脈寬調(diào)制逆變電路的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以消除輸出電壓波形的諧波，因此有必要掌握諧撥成分和分布規(guī)律，諧波頻率和幅諧波，因此有必要掌握諧撥成分和分布規(guī)律，諧波頻率和幅值是衡量值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一逆變電路性能的重要指標(biāo)之一 使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制時(shí)，產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制時(shí)，產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量量 分析對(duì)象：分析對(duì)象： - 分析分析雙極性雙極性

26、SPWM波形波形 - 同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式式 分析方法：分析方法： 不同信號(hào)調(diào)制波周期的不同信號(hào)調(diào)制波周期的PWM波不同，無(wú)法直接以信號(hào)調(diào)波不同，無(wú)法直接以信號(hào)調(diào)制波周期為基準(zhǔn)分析制波周期為基準(zhǔn)分析 以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的波的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式 分析過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，結(jié)論卻簡(jiǎn)單而直觀分析過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，結(jié)論卻簡(jiǎn)單而直觀 1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-13角頻率(nc +kr )0.20.40.60

27、.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0PWM波中不含低次諧波，只含波中不含低次諧波，只含 c及其附近的諧波以及及其附近的諧波以及 2 c、3 c等及其附近的諧波，成邊帶分布等及其附近的諧波，成邊帶分布圖圖7-17 單相單相PWM橋式逆橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖變電路輸出電壓頻譜圖 圖7-17，不同Ma時(shí)單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖 諧波角頻率為 式 中 ， n = 1 , 3 , 5 , 時(shí) ，k=0,2,4, ；n=2,4,6,時(shí)，k=1,3,5, rckn1.1.單相的分析結(jié)果單相的分析結(jié)果(7-16)2.2.三相的分析結(jié)果三相的分析結(jié)果 參見(jiàn)教材頁(yè)參見(jiàn)教材

28、頁(yè) 公用載波信號(hào)時(shí)的情況公用載波信號(hào)時(shí)的情況 輸出線電壓中的諧波角頻率為輸出線電壓中的諧波角頻率為 式中，n=1,3,5,時(shí)， k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時(shí)， 。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅圖6-140.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率 (nc +kr )圖圖7-18 三相橋式三相橋式PWM逆變逆變電路輸出線電壓頻譜圖電路輸出線電壓頻譜圖rckn(7-17) 和單相比較和單相比較(圖圖7-17)，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一，共同點(diǎn)是都不含低

29、次諧波，一個(gè)較顯著的區(qū)別是個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒(méi)有整數(shù)倍的諧波沒(méi)有了，諧波中幅值較高的是了，諧波中幅值較高的是wc2wr和和2wcwr SPWM波中諧波主要是角頻率為波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近及其附近的諧波，很容易濾除的諧波，很容易濾除 當(dāng)調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：當(dāng)調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：一部分是對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，一部分是對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。另一部分是由于信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和后者的諧波分布情況和SPW

30、M波的諧波分析一致波的諧波分析一致九九. .提高直流電壓利用率和減小開(kāi)關(guān)次數(shù)提高直流電壓利用率和減小開(kāi)關(guān)次數(shù) 直流電壓利用率直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓和直流電壓Ud之比之比 提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力 減少器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)可以降低開(kāi)關(guān)損耗減少器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)可以降低開(kāi)關(guān)損耗 正弦波調(diào)制的三相正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度逆變電路，調(diào)制度a為為1時(shí)，輸出線電壓時(shí)，輸出線電壓的基波幅值為的基波幅值為 ，直流電壓利用率為，直流電壓利用率為0.866，實(shí)際還更低，實(shí)際還更低 梯

31、形波調(diào)制方法的思路梯形波調(diào)制方法的思路 采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率 當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值更大幅值更大dU) 2/ 3( 梯形波調(diào)制方法的原理及波形梯形波調(diào)制方法的原理及波形 梯形波的形狀用三角化率梯形波的形狀用三角化率s =Ut/Uto描述，描述，Ut為以橫軸為底時(shí)為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的三角形的高三角形的高 s =0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾?，時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾?，s =1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣〞r(shí)梯形波變?yōu)槿遣?梯形波含低次諧波，梯形波含低次諧波，PWM波含同波含同樣的低次諧波樣的低次諧波 低次諧波（不包括由載波引起的低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為諧波）產(chǎn)生的波形畸變