电力电子第四章--DC-AC变换器(无源逆变电路)2课件

电电 力力 电电 子子 技技 术术 Power Electronic Technology电压型方波逆变器以及电压型阶梯波逆变器当需要改变输出电压幅值时，一般常采用脉脉冲冲幅幅值值调调制制（PAM）或单单脉脉冲调制（冲调制（SPM）。这类逆变器应用于大功率场合具有开开关关损损耗耗低低，运行可可靠靠等优点，但也存在动动态态响响应应慢慢、谐谐波波含含量量大大（方波逆变器）、结构复杂结构复杂（阶梯波逆变器）等一系列不足。例如，当利用电压型逆变器驱动交流电动机时，需进行变频变压（VVVF）控制，此时若采用PAM方式，则必须采用两套功率调节电路与控制即：输出电压的调整依赖于可控整流电路及其控制而输出频率的调整则由逆变器及其控制。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器 这不仅使电路结构和控制复杂化，而且因电压与频率的不电压与频率的不同控制响应同控制响应将导致系统响应变慢，这主要是由于直流侧的储能惯性会使可控整流电路的输出电压响应远慢于逆变器的输出频率响应。对于要求输出正弦波电压的电压型PWM逆变器，常称为电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器。这种电压型正弦波逆变器一般应具备以下特点即:逆变器的直流电压可采用结构简单的不控整流电路；利用单一的功率电路及其控制，可同时调整输出频率和输出电压，动态响应快；由于输出电压的谐波频率主要分布在开关频率及其以上频段，因而输出谐波含量低。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器 电压型正弦波逆变器的基本原理从左图中容易看出：在频率恒定的一个正弦波周期中，斩控脉冲的占空比和斩控周期一定，而斩控脉冲的幅值则按正弦函数变化，当要改变斩控波形的基波幅值时，若被斩控正弦波的幅值不变，则只需要控制斩控占空比即可。显然，当斩控频率足够高时，其斩控波形的谐波含量会足够低。由于被斩控正弦波的频率恒定被斩控正弦波的频率恒定，因此，该方案适用于交流变压恒频控制，属于AC-AC变换中的交流斩波变换，其优点就是可以直接对频率一定的输入（如50HZ交流电）进行斩控，以调节交流斩波输出的基波幅值。正弦波的斩波与脉宽调制 a)正弦波斩波波形 Out4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 然而，针对实际广泛应用的交流变频器，其主要采用交流变压变频（VVVF）控制策略，即在改变交流输出幅值的同时，还需改变其交流输出频率。如何利用DC-AC变换来实现基于正弦波斩控的VVVF控制输出呢？在交流斩波变换的基础上，考虑将斩波变换的交流输入变成直流输入。进一步观察左图所示的正弦波斩控波形，当斩控频率足够高时，占空比和斩控周期固定而幅值按正弦函数变化的斩波脉斩波脉冲的面积也近似按正弦函数变化冲的面积也近似按正弦函数变化。正弦波的斩波与脉宽调制 a)正弦波斩波波形 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 实际上，PWM的基本原理可以由冲量等效原理冲量等效原理进行描述即：冲量相等而形状冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其惯性环性的环节上时，其惯性环节的输出基本相同节的输出基本相同。正弦波的斩波与脉宽调制 a)正弦波斩波波形 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 b)具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 a)矩形脉冲b)三角形脉冲tOtOf(t)f(t)d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOc)正弦半波脉冲tOf(t)对各输出波形用傅式变换分析后，各i(t)低频段非常接近，仅在高频段略有差异。可见，相同面积不同形状的脉冲加在同一惯性环节上，得到的输出响应基本相同。这便是面积等效原理，这便是面积等效原理，它是它是PWM控制的理论基础。控制的理论基础。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 OutOutOut如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波宽度相同，幅值正弦变化幅值相同，宽度正弦变化SPWM波形按比例改变脉冲宽度，即可改变等效正弦波幅值4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 OwtUd-UdOwtUd-Ud等幅等幅PWM波波输入侧是直流电源输入侧是直流电源4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 Uot不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流输入电源是交流等幅和不等幅等幅和不等幅PWM波的波的本质都是基于面积相等本质都是基于面积相等进行控制的进行控制的。如果电源是电流源，则也可以得到如果电源是电流源，则也可以得到PWM电流波电流波4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 PWM波可等效的各种波形直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器1.电压型正弦波逆变器的基本原理电压型正弦波逆变器的基本原理 如何实现SPWM及其波形发生呢？计算法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化调制法调制法输出波形作调制信号，通过对载波的调制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 如何实现SPWM及其波形发生呢？与任一平缓平缓变化的调制信号波相交，在交点处控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 1）基于载波的对称调制与非对称调制）基于载波的对称调制与非对称调制 采用三角载波三角载波和锯齿载波锯齿载波的SPWM脉冲序列如下图所示。令调制波频率为fr，载波频率为fc，则称Nfc/fr为载波比载波比；令调制波幅值为Urm，载波幅值为Ucm，则称MUrm/Ucm为调制度调制度。三角载波和锯齿载波的SPWM及其脉冲序列a)三角载波SPWM及其脉冲序列 b)锯齿载波SPWM及其脉冲序列 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 1）基于载波的对称调制与非对称调制）基于载波的对称调制与非对称调制 采用三角载波三角载波的SPWM脉冲序列由于三角载波的对称特性，因而属于对称载波调制对称载波调制；而采用锯齿载波锯齿载波的SPWM脉冲序列由于锯齿载波的非对称特性，因而属于非对称载波调制非对称载波调制。相比之下，锯齿载波的SPWM实现较为简单，由于锯齿载波固有的非对称特性，因而输出波形中含有偶次谐波。而在相同的开关频率以及调制波条件下，三角载波的SPWM其输出波形的谐波含量相对较低。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 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异步调制和同步调制同步调制2）异步调制）异步调制对于任意的调制波频率fr，载波频率fc恒定的脉宽调制称为异步调制。在异步调制方式中，由于fc保持一定，因而当fr变化时，调制波信号与载波信号不能保持同步，即载波比N与调制波频率fr成反比，因此，异步调制具有以下特点:由于fc固定，因而逆变器具有固定的开关频率。由于异步调制时的开关频率固定，所以对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为容易。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 2）异步调制）异步调制一个调制波正、负半个周期中的脉冲数不固定，起始和终止脉冲的相位角也不固定。换言之，一个调制波正、负半个周期以及每半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形不具有对称性。不同fr时的异步调制SPWM波形如下图所示。不同调制波频率fr(fr1f r2)时的异步调制SPWM波形a)fr fr1b)frf r24.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 2）异步调制）异步调制w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w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采用异步调制时，SPWM的低频性能好，而高频性能较差。因此采用该方式时希望采用较高的fc，即在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数较多，从而弥补脉冲不对称造成的影响。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 3）同步调制）同步调制对于任意的调制波频率fr，载波比N保持恒定的脉宽调制称为同步调制。在同步调制方式中，由于载波比N保持恒定，因而当fr变化时，调制波信号与载波信号应保持同步，即fc与fr成正比，因此，同步调制具有以下特点：由于fc与fr成正比，因而当fr变化时，fc也相应变化，这就使逆变器的开关频率不固定。由于同步调制时的开关频率随fr的变化而变化，所以对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为困难。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 3）同步调制）同步调制由于载波比N保持一定，当fr变化时，一个调制波周期中的脉冲数将固定不变。当载波比N为奇数时，一个调制波正、负半个周期以及半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 3）同步调制）同步调制从上图可以分析：从上图可以分析：一方面，当载波比为奇数时，由于一方面，当载波比为奇数时，由于SPWM波形的对称性，无论调制波频率波形的对称性，无论调制波频率fr高低，高低，都不会导致基波相位的跳变；都不会导致基波相位的跳变；另一方面，由于同步调制时的开关频率随另一方面，由于同步调制时的开关频率随调制波频率调制波频率fr的变化而变化，因此对于需的变化而变化，因此对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器而言，要设置输出滤波器的正弦波逆变器而言，输出滤波器参数的优化设计较为困难。输出滤波器参数的优化设计较为困难。同步调制时，同步调制时，SPWM的高频性能好，而低频性能较差的高频性能好，而低频性能较差3）同步调制）同步调制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）fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除wfr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 4）分段同步调制分段同步调制 对比同步与异步调制发现两者具有互补的性能特点，但是对于各自不足的改进，都是通过提高开关频率来实现，而提高开关频率会导致开关损耗增加。是否可将同步与异步调制相结合，构成一种新的调制方案呢？分段同步调制上是在结合异步调制优点（低频特性好）基础上，并克服了同步调制的不足（低频特性差）而产生的。分段同步调制，就是首先将fr的变化范围划分为若干个频段区域，在每个频段区域中，采用同步调制在每个频段区域中，采用同步调制（载波比N为奇数且恒定）。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 4）分段同步调制分段同步调制 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近时载波比来回跳动，采用滞后切换的方法在不同频段内，载波频率的变化范围基本一致，fc大约在1.42kHz之间。图调制波频率fr变化时基于滞环特性的分段同步调制载波频率切换 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成SPWM脉冲信号的生成是指：通过模拟或数字电路对载波信号和调制波信号进行适当的比较运算处理，从而生成与调制波信号相对应的脉宽调制信号，以此驱动正弦波逆变器的功率开关。5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成SPWM脉冲信号的生成主要包括模拟生成法模拟生成法和数字生数字生成法成法。(1)模拟生成法模拟比较法是将载波信号（如三角波信号）和调制波信号（如正弦波信号）通过模拟比较器进行比较运算，从而输出SPWM脉冲信号。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(2)数字生成法1自然采样法是通过联立三角载波信号和正弦调制波信号的函数方程并求解出三角载波信号和正弦调制波信号交点的时间值，从而求出相应的脉宽和脉冲间隙时间以生成SPWM脉冲信号。自然采样法实际上就是模拟比较法的数字实现，其原理如右图所示。SPWM脉冲信号自然采样法生成原理 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(2)数字生成法1自然采样法若令三角载波幅值Ucm1，调制度为M，正弦调制波角频率为r，则正弦调制波的瞬时值为由右图，并根据相似三角形的几何关系可得自然采样法SPWM脉宽t2的表达式为 SPWM脉冲信号自然采样法生成原理 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 规则采样法规则采样法4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 规则采样法原理规则采样法原理w三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，正弦调制信号波r为信号波角频率a a称为调制度调制度，0a1；4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度据此，便可控制PWM的产生规则采样法原理规则采样法原理显然脉冲宽度按正弦规律变化4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 规则采样法原理规则采样法原理OwtUd-Ud等效宽度仍按正弦规律变化4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾上次课主要内容回顾PWM的基本原理的基本原理可以由冲量等效原理冲量等效原理进行描述即：冲冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其惯性环节的输出基本相同其惯性环节的输出基本相同。正弦波脉宽调制的基本问题：正弦波脉宽调制的基本问题：基于载波的对称与非对称调制；异步调制；同步调制；分段同步调制SPWM信号的生成：信号的生成：模拟生成法；数字生成法（自然采样、规则采样）5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(4)数字生成法3特定谐波消除法特定谐波消除法定义：定义：利用PWM波形的傅立叶级数分解，通过数个特定谐波幅值为零以及基波幅值控制方程式的联立，求解出PWM波形脉冲沿的转换角，从而实现SPWM脉冲信号的发生。SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(4)数字生成法3特定谐波消除法特定谐波消除法为了减小谐波和简化波形发生，首先考虑消除偶次谐波，为此PWM脉冲波形的正、负半周应对称与零点，即f（t）=f（+t）；另外，为了消除谐波中的余弦项，则必须使PWM脉冲波形奇对称，即f（t）=f（t）SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(4)数字生成法3特定谐波消除法特定谐波消除法为说明谐波消除的算法原理，令1/4个调制波周期中脉冲沿的转换角i（i=1，2，3，K）满足如下条件0123K/2SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(4)数字生成法3特定谐波消除法特定谐波消除法根据傅立叶级数分解，上述PWM脉冲波形的谐波和基波幅值分别为由于有K个转换角i（i=1，2，3，K）需要求解，上述基波和谐波幅值方程只有K个自由度。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形5)SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(4)数字生成法3特定谐波消除法为了使基波幅值可控基波幅值可控（占一个自由度），则必然只能使（K1）个谐波幅值为零谐波幅值为零（占K1个自由度），因此在上述PWM脉冲波形中，只能消除指定的（K1）种谐波。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5)SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(5)跟踪型两态调制法（滞环比较法滞环比较法）两态调制（TSMTwo-State Modulation）是美国的A.G.Bose于1966年提出的。所谓跟踪型两态调制是指利用一个闭环控制中的误差滞误差滞环比较器环比较器，直接产生一个只有两态（高电平、低电平）的PWM控制信号，以使某一输出量能自动跟踪控制指令。当将两态调制运用于逆变器的控制时，若控制指令为正弦波时，通过误差滞环比较器的输出就可以实现SPWM脉冲信号发生。这种跟踪型两态调制法既可以利用模拟生成法实现也可以利用数字生成法实现。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5）SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(5)跟踪型两态调制法左图a表示了一个电压型半桥逆变器的电流跟踪型两态调制结构，其PWM及其电流跟踪波形如图b所示。基本规律：当VT1或VD1导通时，输出电流i增大；而当VT2或VD2导通时，输出电流I减小。通过环宽为2I的滞环比较器的控制，i就在i*+I和i*-I的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*电压型半桥逆变器电路 PWM电流跟踪波形4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5)SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(5)跟踪型两态调制法参数的影响参数的影响滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大电抗器L的作用：L大时，i的变化率小，跟踪慢;L小时，i的变化率大，开关频率过高电压型半桥逆变器电路 PWM电流跟踪波形4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 5)SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成(5)跟踪型两态调制法从左图中可以看出，PWM脉脉冲冲频频率率fc是变化的，与如下因素有关：与滞环宽h成反比，滞环越宽，fc越低。fc随Ud增大而增大负载电感L越大，fc越小与给定电流的变换率有关，越接近给定值的峰值，fc越大存在的问题：存在的问题：在给定参考电流的一个周期内PWM脉冲频率差别很大,给滤波设计带来困难滤波设计带来困难。三相的情况三相的情况三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形三相电流跟踪型PWM逆变电路4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器2.正弦脉冲宽度调制的基本问题正弦脉冲宽度调制的基本问题 3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 单相电压型正弦波逆变器原理电路如下图所示。对于单相电压型正弦波逆变器，可采用三种SPWM控制方案，即单单极极性性SPWM控控制制、双双极极性性SPWM控控制制以及倍倍频单极性频单极性SPWM控制控制。以下分别进行讨论。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 1)单极性单极性SPWM控制控制所谓单极性单极性SPWM控制是指逆变器的输出脉冲具有单极性特征控制是指逆变器的输出脉冲具有单极性特征。即当输出正半周时，输出脉冲全为正极性脉冲；而当输出负半周时，输出脉冲全为负极性脉冲。为此，必须采用使三角载波极性与正弦调制波极性相同的所谓单极性三角载波调制。单极性SPWM控制时的调制波形与驱动信号生成4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud周期控制桥臂调制桥臂4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2)双极性SPWM控制 是指逆变器的输出脉冲具有双极性特征。即无论输出正、负半周，输出脉冲全为正、负极性跳变的双极性脉冲。当采用基于三角载波调制的双极性SPWM控制时，只须采用正、负对称的双极性三角载波即可。为实现双极性SPWM控制，需对逆变器的功率管进行互补控制。双极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路如图所示。双极性SPWM控制时的调制波形 相应的驱动信号生成电路 2）双极性SPWM控制 当正弦调制波信号瞬时值大于三角载波信号瞬时值时，比较器的输出极性为正，VT1、VT4导通有效，而VT2、VT3关断有效，逆变器输出为正极性的SPWM电压脉冲。同理，当正弦调制波信号瞬时值小于三角载波信号瞬时值时，比较器的输出极性为负，VT2、VT3导通有效，而VT1、VT4关断有效，逆变器输出为负极性的SPWM电压脉冲。双极性SPWM控制由于采用了正、负对称的双极性三角载波，从而简化了SPWM控制信号的发生。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 3）倍频单极性SPWM控制 逆变器输出脉冲的调制频率是载波频率的两倍，并且输出脉冲具有单极性特征。倍频单极性SPWM控制有调制波反调制波反相相和载波反相载波反相两种PWM控制模式，具体讨论如下：调制波反相的倍频单极性调制波反相的倍频单极性SPWM控制模式 功率管驱动信号生成原理电路与双极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路类似。两者在调制波的设计上有所不同，即：逆变器两相桥臂的调制信号则采用了幅值相等且相位互差幅值相等且相位互差180的调制波信号4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 3）倍频单极性SPWM控制 3）倍频单极性SPWM控制 载波反相的倍频单极性载波反相的倍频单极性SPWM控制模式 功率管驱动信号生成原理电路与双极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路类似。只是两者在载波的设计上有所不同，即：逆变器两相桥臂的载波信号采逆变器两相桥臂的载波信号采用了幅值相等且相位互差用了幅值相等且相位互差180的对的对称双极性载波信号称双极性载波信号，其SPWM相关波形如图4-39b所示。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 3）倍频单极性SPWM控制 逆变器输出脉冲的调制频率均为为载波频率的两倍载波频率的两倍。表明：如果载波频率与单极性SPWM控制时的载波频率相同，这种倍频单极性倍频单极性SPWM控制的逆控制的逆变器输出脉冲的调制频率是单极变器输出脉冲的调制频率是单极性性SPWM控制时的两倍控制时的两倍。3）倍频单极性SPWM控制 因此，采用倍频单极性SPWM控制，优点：在一定的输出波形畸变率条件下，可以有效降低功率在一定的输出波形畸变率条件下，可以有效降低功率管的开关频率；管的开关频率；另一方面，在一定的开关频率条件下，可以有效降低另一方面，在一定的开关频率条件下，可以有效降低输出波形畸变率。输出波形畸变率。倍频单极性SPWM控制由于控制简单且具有输出倍频特性，因而是一种优化的单相电压型正弦波逆变器的SPWM控制方案。尤其是调制波反相控制模式，由于采用微处理器（如采用DSP）进行波形发生的方便性，实际应用时被较多采用。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器3.单相电压型正弦波逆变器的单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 三相电压型正弦波逆变器原理电路如下图所示。对于三相电压型正弦波逆变器，可采用多种SPWM控制方案即：三三相相双双极极性性SPWM控控制制、提高电压利用率的鞍鞍形形调调制制波波SPWM控控制制以及既能提高电压利用率又能降低开关损耗的综合优化综合优化SPWM控制控制等。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 1）三相双极性SPWM控制是三相电压型正弦波逆变器基本的SPWM控制方案，这种控制方案对每相桥臂采用双极性每相桥臂采用双极性SPWM控制控制，即三相桥臂采用同一个三角载波信号，而三相桥臂的调制波则采用三相对称的正弦波信号。三相双极性SPWM控制时的调制波形和功率管驱动信号生成原理电路如左图所示。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 1）三相双极性SPWM控制主要特点如下主要特点如下：相对于逆变器直流电压中点的输出相电压波形为双极性SPWM波形，且幅值为Ud/2。逆变器输出的线电压波形为单极性SPWM波形，且幅值为Ud。三相桥式PWM逆变电路波形 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 1）三相双极性SPWM控制主要特点如下：主要特点如下：任何SPWM调制瞬间，逆变器每相桥臂有且只有一个功率器件导通（功率管或二极管）。由于三相双极性SPWM控制的实现较为简单，因而成为在实际应用中最为广泛采用的方案。2）鞍形调制波SPWM控制对采用三相双极性SPWM控制的三相电压型正弦波逆变器线电压波形进行傅立叶分析，可得到其输出线电压的最大最大基波幅值基波幅值为而对于180导电型控制的三相电压型方波逆变器，同理采用傅立叶分析，可得到其输出线电压的最大最大基波幅值基波幅值为若定义逆变器输出线电压的最大基波幅值与逆变器直流电压之比为逆变器输出线电压的最大基波幅值与逆变器直流电压之比为电压型逆变器的最大电压型逆变器的最大电压利用率电压利用率，显然，三相双极性SPWM控制时的正弦波逆变器电压利用率（约为0.866）较180导电型控制时的方波逆变器电压利用率（约为1.1）低。那么，为何方波控制时的电压利用率较高呢？4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2）鞍形调制波）鞍形调制波SPWM控制控制实际上，180导电型方波控制可由以180方波为调制波且调制度为1时的方波PWM控制来等效。此时，虽然方波调制波调制度为1（临界过调制），但由于其方波调制波中对应基波的调制度已大于1（过调制），从而使电压利用率得以提高。因此，为了提高SPWM控制时的电压利用率，最直接的方法就是使正弦调制波的峰值大于三角载波的峰值，使SPWM过调制过调制。但这种使正弦调制波过调制的SPWM控制，在其输出基波幅值增加的同时（提高了电压利用率），必然导致波形畸变，从而使SPWM输出谐波增加。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2）鞍形调制波）鞍形调制波SPWM控制控制如何在不增加SPWM输出谐波的同时，有效地提高电压型逆变器SPWM控制时的电压利用率呢？试设想：如果能在PWM调制波信号临界过调制时使调制波信号中的使调制波信号中的基波分量过调制基波分量过调制，并且由此而导致的三相调制波信号的畸变并不影三相调制波信号的畸变并不影响三相电压型逆变器响三相电压型逆变器SPWM线电压的波形品质线电压的波形品质，就可以实现在不增加谐波的同时，有效地提高电压型逆变器SPWM控制时的电压利用率。对于三相对称无中线输出的电压型逆变器，由于不存在中线，若在每相相电压中引入零序电压，由于三相零序电压的瞬时值相等，因此，零序电压的引入将不会改变输出线电压波形。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2）鞍形调制波）鞍形调制波SPWM控制控制如果在三相电压型逆变器每相桥臂的正弦调制波信号中引入零序分量，虽然会使调制波信号发生畸变，但利用这种畸变的调制波信号进行PWM控制，其结果并不会影响三相电压型逆变器的线电压波形品质 是一种基于线电压的线电压的SPWM控制方案控制方案。如何引入某种特定的零序调制分量，并使其能极大地提高三相电压型逆变器的电压利用率。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2）鞍形调制波）鞍形调制波SPWM控制控制最简单的零序分量可选择三次谐波三次谐波。由于三次谐波的引入，原正弦调制波变成鞍形调制鞍形调制波，而鞍形调制波在90两侧可形成类似的“平顶”，从而有效地提高三相电压型逆变器的电压利用率。那么，注入多大幅值的三次谐波，才能最大程度地提高三相电压型逆变器的电压利用率？4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2）鞍形调制波）鞍形调制波SPWM控制控制单位峰值（峰值为1）的正弦调制波信号注入峰值为a的三次谐波信号正弦波中注入三次谐波的鞍形调制波信号波形a)鞍形调制波 b)最大程度的基波过调制 4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2）鞍形调制波）鞍形调制波SPWM控制控制根据以上假设，合成后的鞍形调制波方程为由上式，并令d y/dt=0，即可求出鞍形调制波的峰值yM为选择某一峰值的三次谐波并将其注入单位峰值正弦波之中，若能使合成后的鞍形调制波的峰值yM最小。此时，若合成后的鞍形调制波“临界过调制”，则相应的正弦调制波将取得最大程度的“过调制”。y=sint+asin3t4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 2）鞍形调制波）鞍形调制波SPWM控制控制令d yM/da=0，即可求出：当a=1/6时，鞍形调制波的峰值yM取得最小值，且最小值4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器4.三相电压型正弦波逆变器的三相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制 如果以上述选择的鞍形调制波进行PWM控制，当鞍形调制波的调制度为0.866时，其中基波调制度则为1；而当鞍形调制波的调制度为调制度为1时时（临界过调制），其中的基波调制度则为，（过调制）从而获得最大程度的基波过调制。注入三次谐波的鞍形调制波PWM控制时的电压利用率比正弦调制波PWM控制时的电压利用率最大能提高约提高约15.5%。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。谐波频率和幅值频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。为了定量评价SPWM输出波形的品质，必须定量研究SPWM谐波及其特征。SPWM的波形调制包括同步调制同步调制和异步调制异步调制。对异步调制而言，无法以调制波角频率为基准并将其分解为调制波角频率倍数的谐波，为此需要考虑以载波频率为基准的边频带谐波分布边频带谐波分布情况，需要双重傅立叶级数双重傅立叶级数谐波分析法谐波分析法。考虑到同步调制是异步调制的特例，因此，这种双重傅立叶级数谐波分析法也同样适用于SPWM的同步调制。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 1）单相双极性单相双极性SPWM谐波及其特征谐波及其特征以载波角频率为基准并采用双重傅立叶级数谐波分析法，可以推导出单相电压型逆变器采用双极性SPWM控制时的输出电压谐波方程M 相对于载波的谐波次数；N相对于调制波的谐波次数。当单相电压型逆变器采用双极性SPWM控制时，其基波幅值与调制基波幅值与调制度成正比度成正比，故通过调节正弦调制波的幅值就可以调节输出电压。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 1）单相双极性单相双极性SPWM谐波及其特征谐波及其特征可画出单相电压型逆变器采用双极性SPWM控制时等于任意正整数时的频谱分布及谐波幅值与M的关系。其PWM波形中不含低次谐不含低次谐波波，其谐波主要分布在载波角频率c以及2 c、3 c附近，并以载波角频率c附近的谐波幅值为最大。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 2）单相单极性）单相单极性SPWM谐波及其特征谐波及其特征以载波角频率为基准并采用双重傅立叶级数谐波分析法，可以推导出单相电压型逆变器采用单极性SPWM控制时的输出电压谐波方程 由上式可以画出单相电压型逆变器采用单极性SPWM控制时时的频谱分布及谐波幅值与M的关系。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 2）单相单极性）单相单极性SPWM谐波及其特征谐波及其特征载波采用单极性三角波的单极性SPWM波形的谐波含量比载波采用双极性三角波的双极性SPWM波的谐波含量要小得多谐波含量要小得多。其PWM波形中不不含含低低次次谐谐波波，其谐波主要分布在载波角频率c以及2 c、3 c附近，并以载波角频率c附近的谐波幅值为最大。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 当m=1时，对同样的值，单极性单极性SPWM波的谐波幅值，明显比双极波的谐波幅值，明显比双极性性SPWM波的谐波幅值小波的谐波幅值小。当双极性SPWM波的载波比为单极性SPWM波的载波比的一半时，即双极性SPWM波频谱中的m为2，4，6，的载波谐波的上下边频成分，分别与单极性SPWM波中m为1，2，3，的相应成分完全一致；而双极性SPWM波中为1，3，5，的载波、载波谐波及上下边频成分在单极性SPWM波中为零。以上分析表明，相对于双极性相对于双极性SPWM而言，单极性而言，单极性SPWM具有更具有更低的输出谐波低的输出谐波。单相单极性SPWM输出电压频谱单相双极性SPWM输出电压频谱4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 3）三相三相SPWM谐波及其特征谐波及其特征 对于三相电压型逆变器的SPWM控制，用与上述分析同样的方法可以求出逆变器输出线电压的方程式为 同理也可以求出uBC、uCA的方程式。4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 3）三三相相SPWM谐谐波波及及其特征其特征 与上述单相SPWM谐波及其特征相比较，其共同点就是均均不不含有低次谐波含有低次谐波。所不同的是，三相电压型逆变器SPWM控制时，载波角频率c及其整数倍谐波全为零，并且它们的上下边频中的零序谐波成分也不存在了。谐波中幅值较高的谐波是c2 s以及2c s。三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型正弦波逆变器5.SPWM谐波及其特征谐波及其特征 The End