電力電子技術(shù)（第2版） 第4章 逆變電路

第4章逆變電路4.1概述4.2電壓型逆變電路4.3電流型逆變電路4.4逆變電路的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)—ＰＷＭ逆變電路4.5逆變電路的應(yīng)用第4章逆變電路?

引言逆變的概念逆變——將輸入的直流電變成交流電輸出。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。逆變與變頻（Inverter）

變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。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。本章講述無源逆變逆變器已廣泛運(yùn)用于各類：通訊、工業(yè)設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、軍用車載、醫(yī)療救護(hù)車、警車、船舶、太陽能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域。4.1概述

4.1.1逆變的基本原理（１）帶電阻負(fù)載的工作情況分析★開關(guān)S1和S4閉合，S2和S3斷開時(shí)，負(fù)載兩端方向?yàn)樽笳邑?fù)，此時(shí)輸出電壓uo＝Ud，即uo為正值?！镩_關(guān)S1和S4斷開，S2和S3閉合，負(fù)載兩端方向?yàn)橛艺筘?fù)，此時(shí)輸出電壓uo＝-Ud，即uo為負(fù)值。

①和Ｓ３單相橋式逆變電路模型如果改變上述工作狀態(tài)的周期Ｔ，即可改變輸出交流電的周期，即改變了輸出交流電的頻率。純電阻負(fù)載：其輸出電流和電壓成正比S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。直流電交流電（2）帶阻感負(fù)載的工作情況分析當(dāng)為阻感負(fù)載時(shí)，輸出電壓和電流的波形不同，電流相位滯后于電壓。4.1.1逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖4-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。4.1.2逆變電路的分類（１）按輸入電源的特點(diǎn)分類①輸入電源（直流側(cè)電源）為恒壓源的逆變電路稱為電壓源型逆變電路，或電壓型逆變電路。②輸入電源（直流側(cè)電源）為恒流源的逆變電路稱為電流源型逆變電路，或電流型逆變電路。（２）按主電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類①半橋式逆變電路。②全橋式逆變電路。③推挽式逆變電路。（３）按輸出相數(shù)分類①逆變電路輸出的交流電是單相電，稱為單相逆變電路。②逆變電路輸出的交流電是三相電，稱為三相逆變電路。（４）按換流方式的不同分類將電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，稱為換流或換相。在t1時(shí)刻電流從S1和S4支路轉(zhuǎn)移到了S2和S3支路的過程，稱為換流。為實(shí)現(xiàn)換流，必須讓有的支路的器件從通態(tài)變?yōu)閿鄳B(tài)（如圖中t1時(shí)刻的S1和S4），讓有的支路的器件從斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)（如圖中t1時(shí)刻的S2和S3）。因此，研究換流方式的關(guān)鍵是研究器件的通斷。換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT

、電力MOSFET

、GTO

、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2)

電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）外部換流負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。如圖是基本的負(fù)載換流電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id

基本沒有脈動(dòng)。負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以u(píng)o接近正弦波。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT44)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。4.1.3逆變裝置的性能指標(biāo)逆變電路的輸出交流波形總是偏離理想的正弦波，除了含有基波分量外，還含有諧波分量。（１）諧波的定義通常總是希望交流電壓和交流電流呈現(xiàn)出正弦波，正弦波電壓可表示為式中：※

當(dāng)正弦波電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上時(shí)，其電流為同頻率正弦波?！?/p>

當(dāng)正弦波電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?。?/p>

當(dāng)非正弦波電壓施加在線性電路上時(shí)，其電流也為非正弦波。對于非正弦電壓，周期為（一般滿足狄里赫利條件，則可分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)：其中：或在式中，頻率與工頻相同的分量稱為基波分量；

頻率為基波頻率整倍的分量稱為諧波分量；

諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比值的大小就稱為諧波的次數(shù)。（２）諧波系數(shù)HF（ＨarmonnicFactor）

為了表征一個(gè)實(shí)際波形中第n次諧波與基波相比的相對值，引入諧波系數(shù)HF。第n次諧波系數(shù)HFn為

式中，

為第n次諧波電壓有效值，

為基波電壓有效值。

(3)總諧波畸變系數(shù)THD（TotalHarmonicdistortionFactor）

總諧波畸變系數(shù)THD。定義為

對于理想正弦波而言，

。

(4)畸變系數(shù)DF（DistortionFactor）

為了表征一個(gè)實(shí)際波形中每一次諧波分量對波形畸變的影響程度，引入畸變系數(shù)DF。

對于第n次諧波的畸變系數(shù)DFn為:

(5)最低次諧波LOH（Lowest-OrderHarmonic）

最低次諧波LOH定義為與基波頻率最接近的諧波。

4.2電壓型逆變電路

4.2.1

電壓型單相逆變電路

4.2.2

電壓型三相逆變電路4.2電壓型逆變電路

在電壓型逆變電路中，為給直流側(cè)提供恒壓源，在直流側(cè)并聯(lián)大電容，由于電容兩端電壓不能突變，使得直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，相當(dāng)于恒壓源。

4.2.1電壓型單相逆變電路

(1)電壓型單相半橋逆變電路

電壓型單相半橋逆變電路，它主要由兩個(gè)導(dǎo)電橋臂構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電橋臂由一個(gè)全控型器件（這里選用IGBT）和反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成。

1）帶電阻負(fù)載的工作情況圖4.4電壓型單相半橋逆變電路及其工作波形2）帶阻感負(fù)載的工作情況通過上述分析可知，

當(dāng)V1或V2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流和電壓方向相同，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；

而當(dāng)VD1和VD2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流和電壓方向相反，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流側(cè)反饋，即感性負(fù)載將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。

反饋的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)的電容器中，可見直流側(cè)的電容器起著緩沖無功能量的作用。

二極管VD1和VD2是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋二極管；又由于VD1和VD2使的負(fù)載電流連續(xù)，故又可稱為續(xù)流二極管。

通過上述分析可知，電壓型單相半橋逆變電路，無論是電阻負(fù)載還是阻感負(fù)載，其輸出電壓的波形均為180°方波，其幅值為Ud/2。輸出電壓的有效值為：

將uo分解為傅里葉級(jí)數(shù)，得：其中，基波和各次諧波的幅值為：基波和各次諧波的有效值為電壓中僅含奇次諧波，各次諧波值與諧波次數(shù)成反比，且與基波值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。4.2.1單相電壓型逆變電路優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，使用器件少。缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：用于幾kW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。2)全橋逆變電路共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)。其以上分析可知輸出電壓uo的波形和半橋逆變電路uo的波形，形狀相同，均為180°方波，只是幅值增大一倍為Ud。因此輸出電壓的有效值為Ud。

將uo分解為傅里葉級(jí)數(shù)，得：其中，基波和各次諧波的幅值為：基波和各次諧波的有效值為【例4.1】電壓型單相全橋逆變電路如圖所示，其輸出電壓uo為180°方波，輸入直流電壓為200V，負(fù)載中

，，逆變頻率為工頻。試求輸出電壓基波幅值和有效值、輸出電壓第5次諧波的有效值、輸出電流基波的有效值。

解：輸出電壓基波幅值為：輸出電壓基波有效值為：輸出電壓第5次諧波有效值為：輸出電流基波的有效值為：4.2.1單相電壓型逆變電路阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。a)tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基極信號(hào)比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180°－q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。V1、V4V1、VD3VD2、VD3V2、V3V2、VD4VD1、VD4(3)電壓型推挽式單相逆變電路

圖4.8電壓型推挽式單相逆變電路三相交流電三相交流電是由三個(gè)頻率相同、電勢振幅相等、相位差互差120°角的交流電路組成的電力系統(tǒng)。

120o30o150ou2uaubuc4.2.2三相電壓型逆變電路180°導(dǎo)電方式每個(gè)橋臂的導(dǎo)電180°，同一相上下2個(gè)橋臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電角度相差120°。任一瞬間，3個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，可能是上1下2個(gè)臂，也可能是上2個(gè)下1個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流（隔60o）都是在同一相上下2個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，被稱為縱向換流。在0<ωt≤π/3期間V1、V5、V6施加驅(qū)動(dòng)。負(fù)載電流經(jīng)V1、V5被送到U和W相負(fù)載上，然后經(jīng)V相負(fù)載和V6流回電源。在ωt=π/3時(shí)刻，撤除V5的驅(qū)動(dòng)，V5關(guān)斷由于感性負(fù)載電流不能突變，W相電流將由與V2反并聯(lián)的二極管VD2提供。當(dāng)V5被關(guān)斷時(shí)，不能立即導(dǎo)通V2，以防止V5、V2同時(shí)導(dǎo)通造成短路，必須保證有一段死區(qū)時(shí)間或互鎖延遲時(shí)間。V2被施加正向驅(qū)動(dòng)。當(dāng)VD2中續(xù)流結(jié)束時(shí)，W相電流反向經(jīng)V2流回電源。此時(shí)負(fù)載電流由電源送出，經(jīng)V1和U相負(fù)載，然后分流到V和W相負(fù)載，分別經(jīng)V6和V2流回電源。在ωt=2π/3時(shí)刻，撤除V6的驅(qū)動(dòng)，V6關(guān)斷，V相電流由VD3續(xù)流。V6經(jīng)互鎖延遲時(shí)間后，V3被施加驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)續(xù)流結(jié)束時(shí)，V相電流反向經(jīng)V3流入V相負(fù)載。此時(shí)電流由電源送出，經(jīng)V1和V3及U、V相負(fù)載回流到W相。仿此，可以分析整個(gè)周期中各管的運(yùn)行情況。4.2.2三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

◆把上面各式相加并整理可求得設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得

◆負(fù)載線電壓可由下式求出◆負(fù)載各相的相電壓分別為

根據(jù)圖4.10e所示的相電壓波形，以U相為例，輸出相電壓有效值

為，

把按照傅立葉級(jí)數(shù)展開，

得

式中

，k為自然數(shù)?？芍?，相電壓的基波幅值

和基波有效值

分別為其他各次諧波值與基波值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。從圖4.10c中可見，輸出線電壓

為120度方波，其有效值

為

把輸出線電壓

按照傅立葉級(jí)數(shù)展開，得可知，線電壓的基波幅值

和基波有效值

分別為：電壓型逆變電路有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

1）直流側(cè)為恒壓源，或在直流側(cè)并聯(lián)大電容，使得直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流側(cè)呈現(xiàn)為低阻抗。

2）由于輸入直流側(cè)恒壓源的鉗位作用，在開關(guān)器件的控制下，使得輸出電壓的波形為矩形波，波形僅與控制信號(hào)相關(guān)而與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。但輸出電流的波形和相位與負(fù)載的阻抗角相關(guān)。

3）負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，需要將感性負(fù)載儲(chǔ)存的無功能量反饋回直流側(cè)，直流側(cè)的電容器起著緩沖無功能量的作用，且逆變橋各臂都反并聯(lián)了反饋二極管，作為反饋無功能量的通道。4.3電流型逆變電路

4.3.1

電流型單相逆變電路

4.3.2

電流型三相逆變電路

4.3.1電流型單相逆變電路(1)電流型單相逆變電路典型應(yīng)用由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。這種逆變電路常用于金屬熔煉、透熱等的中頻感應(yīng)加熱爐。當(dāng)橋臂1、4和橋臂2、3交替導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載感應(yīng)線圈通入中頻電流，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生中頻的交變磁場，處于此磁場中的金屬材料（相當(dāng)于導(dǎo)體）產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而形成很大的渦流引起金屬材料發(fā)熱4.3.1電流型單相逆變電路(2)電流型單相逆變電路工作原理分析工作方式為負(fù)載換相。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，工作在略失諧呈容性的情況。輸出電流波形接近矩形波，電壓波形接近正弦波。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖4－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2)工作分析一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。t1~t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，iｏ=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2~t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段。LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過程。VT2、VT3電流有一個(gè)增大過程。4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。+-t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4－t2=tg

稱為換流時(shí)間。保證晶閘管的可靠關(guān)斷晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tb。tb=t5-t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。。io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖4－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形為了保證可靠的換相，應(yīng)在負(fù)載電壓uo過零前

時(shí)刻去觸發(fā)VT2、VT3。

稱為觸發(fā)前引時(shí)間。從圖4.13，可得

，而負(fù)載電流io超前負(fù)載電壓uo的時(shí)間把t表示為電角度（弧度）可得式中，為負(fù)載的功率因數(shù)角，為電路工作的角頻率，、分別為、對應(yīng)的電角度。如果忽略換流過程，則輸出的負(fù)載電流io為180°方波，將io分解為傅里葉級(jí)數(shù)，得其基波的有效值為逆變電路的輸入有功功率為逆變電路的輸出有功功率為（當(dāng)電壓為正弦波，電流為非正弦波時(shí)）如忽略逆變電路的功率損耗，則可得根據(jù)上式可知，調(diào)節(jié)輸入直流電壓Ud或改變負(fù)載功率因數(shù)角，就可以改變輸出電壓有效值的大小。4.3.2電流型三相逆變電路1)

電路分析基本工作方式是120°導(dǎo)電方式－每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120°，每個(gè)時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，換流方式為橫向換流。電流型三相逆變電路的基本工作方式為120

導(dǎo)電方式，即一個(gè)周期中同一相（同一半橋）的上、下橋臂各自導(dǎo)通120，其余120上下橋臂都截止（即每個(gè)GTO在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通120）。VT1~VT6每隔60按順序?qū)āＲ虼嗽谝粋€(gè)周期分六個(gè)時(shí)間區(qū)，每個(gè)時(shí)間區(qū)為60則每個(gè)時(shí)間區(qū)導(dǎo)通的GTO的情況如下表4.1所示。表4.1電流型三相逆變電路開關(guān)器件導(dǎo)通情況輸出電流的波形為120方波，按照傅里葉級(jí)數(shù)展開得其基波有效值

：可見，電流型三相逆變電路輸出電流波形含有很多諧波成分，如果負(fù)載為電阻性負(fù)載，則負(fù)載上電壓波形與電流波形一致。對于實(shí)際應(yīng)用中的大部分為阻感負(fù)載，負(fù)載上的電壓近似正弦波。串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。是電流型三相橋式逆變電路。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。120°導(dǎo)電工作方式強(qiáng)迫換流方式，電容C1~C6為換流電容。換流過程分析電容器所充電壓的規(guī)律：對于共陽極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零。等效換流電容概念：分析從VT1向VT3換流時(shí)，圖的C13就是圖4－14中的C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。分析從VT1向VT3換流的過程:

假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓左正右負(fù)。如圖。換流階段分為恒流放電和二極管換流兩個(gè)階段。t1時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷。Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段。如圖4－16b。uC13下降到零之前，VT1承受反壓。+-UVW+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id-+UVW-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id-iVt2時(shí)刻uC13降到零，之后C13反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降，則二極管VD3導(dǎo)通，電流為iV，VD1電流為iU=Id-iV，VD1和VD3同時(shí)通，進(jìn)入二極管換流階段。隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時(shí)刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。

t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段。4.4逆變電路的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

——PWM逆變電路

4.4.1PWM控制的基本原理

4.4.2逆變電路PWM波形產(chǎn)生方法

4.4.3橋式SPWM逆變電路

4.4.4SPWM逆變電路調(diào)制信號(hào)的調(diào)制方式4.4.5PWM逆變電路控制信號(hào)的產(chǎn)生

52PWM控制技術(shù)?

引言脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

(PulseWidthModulation,PWM)就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。PWM逆變電路是指利用全控型器件的通斷，按一定的規(guī)律對逆變電路輸出的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變輸出電壓的大小，也可改變輸出電壓的頻率。

特點(diǎn)：可以得到和正弦波近似等效的輸出波形，減少了諧波，功率因數(shù)高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而且逆變電路的結(jié)構(gòu)簡單。534.4.1PWM控制的基本原理1）重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理54沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)55具體的實(shí)例說明“面積等效原理”a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。

56Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波形57若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>58OwtUd-Ud對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。單極性PWM控制方式雙極性PWM控制方式59等幅PWM波輸入電源是恒定直流

第5章的直流斬波電路7.2節(jié)的PWM逆變電路

7.4節(jié)的PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

6.1節(jié)的斬控式交流調(diào)壓電路

6.4節(jié)的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUoωt4.2.1

計(jì)算法和調(diào)制法601）計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。612）調(diào)制法輸出波形作為調(diào)制信號(hào)ur，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波。通常采用等腰三角形或鋸齒波作為載波uc。與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖。單極性PWM控制方式（單相橋逆變）62ur正半周：V1保持通，V2保持?jǐn)喈?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。Ur負(fù)半周：

V1保持?jǐn)?，V2保持通。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=-Ud。當(dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=0。63雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）當(dāng)ur>uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如io>0，V1和V4通，

如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。如io<0，V2和V3通，

如io>0，VD2和VD3通，

uo=-Ud。圖7-6雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。64圖7-5雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖7-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud

對照上述兩圖可以看出，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，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。65雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖三相橋式PWM型逆變電路三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°66下面以U相為例當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN’=Ud/2。當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN’=-Ud/2。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。67uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。uUV波形可由

uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud;

當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud;

當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。68防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。694.4.4異步調(diào)制和同步調(diào)制70根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)不固定、不對稱。當(dāng)fr較低時(shí)，M較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時(shí)，M減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，M=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式

采用異步調(diào)制時(shí)，希望采用較高的載波頻率，以使在信號(hào)波頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比。712）

同步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即M等于常數(shù)?；就秸{(diào)制方式，fr變化時(shí)M不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。723）分段同步調(diào)制——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持M恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的M，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的M，使載波頻率不致過低。為防止fc在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法?？稍诘皖l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，和分段同步方式效果接近。4.4.5ＰＷＭ逆變電路控制信號(hào)的產(chǎn)生73控制信號(hào)ＰＷＭ其實(shí)就是一個(gè)ＳＰＷＭ波形，那么這個(gè)控制信號(hào)ＳＰＷＭ波形是如何產(chǎn)生的呢？采用模擬電路產(chǎn)生采用微處理器產(chǎn)生采用專門的ＳＰＷＭ芯片產(chǎn)生控制信號(hào)ＳＰＷＭ波形的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)方法總體來說可分為３類：741）采用模擬電路產(chǎn)生752）采用微處理器軟件產(chǎn)生①采用表格法生成ＳＰＷＭ波形。即在整個(gè)變頻范圍內(nèi)，根據(jù)不同的載波比，離線計(jì)算出幅值為１的正弦波相應(yīng)的通斷時(shí)刻點(diǎn)，作為表格存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。運(yùn)行時(shí)按照一定時(shí)間間隔讀取數(shù)據(jù)，并輸出得到ＳＰＷＭ波形。正弦波頻率的改變通過讀取數(shù)據(jù)和時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)，正弦波幅值的改變通過查表數(shù)據(jù)上一個(gè)幅值調(diào)制系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。但是這樣在調(diào)頻范圍內(nèi)有多少個(gè)Ｎ值就需要多少張基準(zhǔn)正弦函數(shù)表，使得占用內(nèi)存大。②通過軟件實(shí)時(shí)計(jì)算生成ＳＰＷＭ波形。它是根據(jù)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算出開關(guān)器件的通斷時(shí)刻。它又可分為自然采樣法和規(guī)則采樣法。763）采用專門的ＳＰＷＭ芯片產(chǎn)生上述應(yīng)用微處理器軟件產(chǎn)生的ＳＰＷＭ波形，其效果受到指令功能、儲(chǔ)存容量、運(yùn)算速度和兼顧系統(tǒng)控制算法的限制，有時(shí)難以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，特別是很難適應(yīng)高頻開關(guān)的要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，很多廠商都開發(fā)研制了多種專門產(chǎn)生ＳＰＷＭ控制信號(hào)的集成芯片。例如HEF4752、ＳＬＥ４５２０、ＭＡ818（828／838）、SA4828(8281/8282）、ＳＭ２００１、ＺＰＳ１０１等。采用這些芯片可以很方便地得到ＳＰＷＭ控制信號(hào)，且比微處理器軟件產(chǎn)生ＳＰＷＭ控制信號(hào)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間更快、控制精度更高。4.5逆變電路的應(yīng)用4.5.1逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域無源逆變電路的應(yīng)用十分廣泛，在交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、電力系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用，下面簡要介紹在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。(1)交通運(yùn)輸無源逆變電路廣泛應(yīng)用于電氣化鐵路中，對于交流傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)車，采用交直交供電方式，把牽引網(wǎng)的交流變?yōu)橹绷?，諸如“動(dòng)車、高鐵”等交流傳動(dòng)機(jī)車都是采用的三相異步電動(dòng)機(jī)，這需要三相交流變頻電源，因此需要通過逆變器將直流電變換為交流電，并起到調(diào)速的作用。另外不管是交流傳動(dòng)機(jī)車或直流機(jī)車都需要通過逆變器將直流變換為50Hz工頻的交流電，給列車上其他交流電器設(shè)備供電。在航天、船舶上需要將直流電變換為220V、115V等電壓等級(jí)交流電，供各類交流用電設(shè)備使用，因此需要逆變器進(jìn)行電能變換。在汽車（特別是新能源汽車中）也大量使用無源逆變電路，比如車載空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)控制、電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置等。4.5逆變電路的應(yīng)用4.5.1逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域(2)工業(yè)生產(chǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中有大量交流電動(dòng)機(jī)，例如風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)床、軋機(jī)、電梯等場合中交流電機(jī)需要由變頻器通過控制交流電機(jī)的電壓、電流和頻率來調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而變頻器的核心部分是無源逆變電路。在工業(yè)中的感應(yīng)加熱由逆變電路產(chǎn)生中高頻交流電，利用渦流效應(yīng)使金屬被感應(yīng)加熱，達(dá)到加熱和融化的目的，中頻爐、高頻爐等設(shè)備就是感應(yīng)加熱的典型應(yīng)用。(3)家用電器在大量的家用電器中逆變電路的使用越來越廣泛，例如變頻空調(diào)、洗衣機(jī)等家用電器，采用了以逆變技術(shù)為核心的變頻裝置的家用電器設(shè)備，能有效地提高效率，降低能耗，節(jié)能環(huán)保。(4)電力系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的高壓直流輸電（HVDC）、交流柔性輸電（FACTS）、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、不間斷供電電源UPS、應(yīng)急電源EPS等應(yīng)用到了逆變電路。①風(fēng)力發(fā)電。受風(fēng)力變化的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出來的交流電很不穩(wěn)定，并網(wǎng)或直接供給用電設(shè)備都非常危險(xiǎn)。為此，先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電整流為直流電，然后再利用逆變器將其逆變?yōu)榉岛拖辔欢挤€(wěn)定的交流電，回饋送入電網(wǎng)或供用電設(shè)備使用。②太陽能發(fā)電。太陽能電池陣列所發(fā)出的電能為直流電，對于離網(wǎng)系統(tǒng)，直接給用電設(shè)備供電，但大多數(shù)用電設(shè)備是交流設(shè)備，所以需要逆變器將直流電變換為交流電；對于并網(wǎng)系統(tǒng)，更是需要逆變器將直流電變換為符合電網(wǎng)要求的交流電，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。③有源濾波和無功補(bǔ)償。為了消除電網(wǎng)諧波污染，抑制諧波電流，提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)，必須對工頻交流電網(wǎng)進(jìn)行有源濾波和無功補(bǔ)償，而有源濾波和無功補(bǔ)償?shù)暮诵募夹g(shù)就是逆變技術(shù)。4.5.2逆變電路在靜止無功發(fā)生器中的應(yīng)用4.5.3無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)4.5.4電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)控制圖8.11在線式UPS結(jié)構(gòu)框圖4.5.5不間斷電源中逆變技術(shù)的應(yīng)用UPS中的整流電路4.5.5不間斷電源中逆變技術(shù)的應(yīng)用為了使PWM整流電路在工作時(shí)功率因數(shù)近似為1，即要求輸入電流為正弦波且和電壓同相位，可以有多種控制方式，這里采用直接電流控制方式。UPS的逆變器正弦波輸出UPS通常采用SPWM逆變器，UPS輸出有單相輸出，也有三相輸出。下面