PWM逆變器-修訂版

脈寬調(diào)制型（PWM）逆變器PulseWidthModulation講課目錄邱浩：帶電流滯環(huán)跟蹤的ＰＷＭ逆變器控制曾快：SPWM單雙極性調(diào)制李杰：SPWM波的調(diào)制條件和同步、異步、分段調(diào)制比較沈子乂：基礎(chǔ)概念準(zhǔn)備回璇：PWM調(diào)制在交-直-交系統(tǒng)中的優(yōu)勢趙曉陽：電壓型和電流型PWM調(diào)制比較卿怡：SPWM波的計算法梁達(dá)：三相橋式PWM調(diào)制

基礎(chǔ)概念準(zhǔn)備（１）PWM的定義：用直流斬波的方法，將逆變器的輸出相電壓調(diào)制成幅值相等的若干個矩形電壓脈沖，通過調(diào)節(jié)占空比改變脈沖寬度，即可改變輸出電壓的大小，而調(diào)節(jié)一個周期的循環(huán)開斷時間可改變輸出電壓的頻率，從而在逆變器上實現(xiàn)VVVF的綜合控制。（２）核心依據(jù)：在具有慣性環(huán)節(jié)（電容、電感儲能元件）的電路中，能用等面積的等幅不等寬的脈沖序列等效正弦波。（3）ＰＷＭ脈沖序列：用來控制逆變器功率開關(guān)元件ＶＴ１～ｖＴ６的通斷，以使逆變器輸出ＰＷＭ電壓波。（通過載波、調(diào)制波、比較器獲得）

基礎(chǔ)概念準(zhǔn)備（4）ＩＧＢＴ全控器件的等效電路與開關(guān)特性IGBT的等效電路如左圖所示。由圖可知,若在IGBT的柵極（G）和發(fā)射極(E)之間加上驅(qū)動正電壓,則MOSFET導(dǎo)通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V或負(fù)電壓,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止。SPWM單極性和雙極性調(diào)制以等腰三角形載波ut和參考正弦波ur的相交關(guān)系，可以產(chǎn)生SPWM調(diào)制波。當(dāng)參考電壓ur在正半波時，若，則調(diào)制波up=0;若，則up為寬度不等的矩形脈沖波，矩形面積所表示的輸出電壓的有效值大小符合正弦分布規(guī)律，稱這種脈沖序列為SPWM序列。當(dāng)ur在負(fù)半周期時，需要把ur正半波的SPWM序列反響，得到一個周期的、幅值在0~up變化的脈沖序列，稱為單極性SPWM調(diào)制模式，如下圖所示：SPWM單極性和雙極性調(diào)制如果在每個焦點ur=ut處同時產(chǎn)生正、負(fù)觸發(fā)脈沖，在一個半周內(nèi)既有up又有-up脈沖序列。這種調(diào)制稱為雙極性SPWM調(diào)制模式，如下圖所示：SPWM單極性和雙極性調(diào)制在兩電平電路中，雙極性控制能夠控制同一個橋臂上的功率器件互補通斷，前提是遵循先斷后通原則。雖然矩形脈沖組成有正有負(fù)，但在逆變器輸出端只能是電壓平均值，顯然在正半周期+Ud/2脈沖合成面積大于-Ud/2的面積，電壓平均值為正，且電壓脈沖寬度任然符合正弦分布，因此近似于正弦電壓。同理，負(fù)半周期逆變器輸出負(fù)值正弦。三相橋式PWM逆變電路

電路用途：三相橋式PWM變頻電路是PWM變頻電路中使用最多的，它被廣泛應(yīng)用在異步電動機(jī)的變頻調(diào)速中，其控制方式為雙極性方式。

電路組成：不控整流環(huán)節(jié)，采用6個二極管VD1~VD6整流；逆變環(huán)節(jié)，6個快速功率開關(guān)器件IGBT和6個快速續(xù)流二極管DF1~DF6組成;三相對稱負(fù)載，大多為感性；調(diào)制電路，用于控制IGBT通斷。開關(guān)脈沖的產(chǎn)生載波信號參考信號參考信號載波信號參考信號載波信號

三相參考信號ura、urb、urc分別為三相正弦波信號，其幅值和頻率均相等，相位依次差120度。

A、B、C三相的PWM控制共用一個三角波信號ut,其PWM控制規(guī)律相同。

現(xiàn)在以A相為例，當(dāng)ura>ut時，使VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷；當(dāng)ura<ut時，使VT1關(guān)斷，VT4導(dǎo)通。VT1、VT4的驅(qū)動信號始終互補。

調(diào)制電路內(nèi)部的本質(zhì)是若干比較電路。將參考信號和載波信號進(jìn)行比較來控制IGBT通斷。此波形可以看作是IGBT的開關(guān)脈沖，正脈沖時VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷；負(fù)脈沖時VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷。三相正弦PWM波形

由圖可以看出，任何時刻始終都有兩相調(diào)制信號電壓大于載波信號電壓，即總有兩個IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以負(fù)載上的電壓是連續(xù)的正弦波。其余兩相的控制規(guī)律與A相相同。

在雙極性控制方式中，同一相上下兩橋臂的驅(qū)動信號都是互補的。但為了防止上下兩橋臂直通而造成短路，要遵循“先斷后通”的原則，在給一個橋臂加關(guān)斷信號后，再延遲一小段時間，才給另一個橋臂加導(dǎo)通信號。延遲時間主要由功率開關(guān)的關(guān)斷時間決定。三相橋式PWM變頻器也是靠同時改變?nèi)鄥⒖夹盘枺ㄕ{(diào)制信號）ura、urb、urc的調(diào)制周期來改變輸出電壓頻率的，靠改變?nèi)鄥⒖夹盘柕姆燃纯筛淖冚敵鲭妷旱拇笮　WM變頻器用于異步電動機(jī)變頻調(diào)速時，為了維持電動機(jī)氣隙磁通恒定，輸出頻率和電壓大小必須進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即改變?nèi)鄥⒖夹盘栒{(diào)制周期同時必須相應(yīng)改變其幅值。仿真從邏輯的角度講解其原理：開關(guān)脈沖電路逆變電路負(fù)載仿真—脈沖開關(guān)電路仿真—逆變電路相當(dāng)于兩個電容串聯(lián)支路。仿真

ＳＰＷＭ波的計算法為簡化算法難度，常采用對稱規(guī)則采樣法，原理圖如下：由模擬電路過度道微機(jī)數(shù)字計算

在相鄰的兩個三角波的中點（也即是相反三角波的頂點）引一垂線，與參考電壓ur交于E點，該點參考波ur的相角所對應(yīng)的時間te也即為已知。從交點E作平行直線與相鄰的三角波交于A、B兩點，則對應(yīng)的時間間隔t2便為ur在te時刻的SPWM波的脈寬。由圖解法可推導(dǎo)出：式中：Tc——三角載波周期（s）；Tr——正弦參考波周期（s）；Urm——正弦參考波電壓幅值（V）；Utm——三角載波電壓幅值（V）。

使用規(guī)則采樣法計算得到的脈寬t2和準(zhǔn)確值在起始點和終了時間點上有很小的誤差，一般對控制不會產(chǎn)生影響。

ＳＰＷＭ波的計算法不對稱規(guī)則采樣法：采用在每個載波周期采樣兩次，即在三角波的頂點位置采樣，又在三角波的底點位置采樣，這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會大大提高。不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM的原理圖如下所示。ABTct20tUd1

等效面積法:在采樣控制理論有中一個重要的結(jié)論：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，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。正弦脈寬調(diào)制的基本原理就是按面積相等的原則構(gòu)成與正弦等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。等效面積法就是根據(jù)已知數(shù)據(jù)和正弦數(shù)值依次算出每個脈沖的寬度，通過查表的方式實時控制。其原理圖如下：Sk10aＳＰＷＭ波的調(diào)制條件

SPWM波實質(zhì)上是功率器件的驅(qū)動脈沖，所以與電壓型逆變器輸出電壓波形抑制。因此受到對逆變器的性能要求特別是功率元件允許的工作條件的限制。（1）調(diào)制比的限制。調(diào)制比定義為：在雙極性SPWM波中，最小脈寬出現(xiàn)在ur接近載波ut峰值的兩交點間，此處的最小脈寬時間必須保證大于功率元件的關(guān)斷時間toff使其可靠關(guān)斷后，互補元件再導(dǎo)通，因此一般M不大于0.9。ＳＰＷＭ波的調(diào)制條件（2）載波比的限制。在波比定義為：式中：ft表示三角波頻率（Hz）fr表示正弦參考波頻率（Hz）

載波比是一個周期參考正弦波內(nèi)三角載波的周期數(shù)，在fr一定的情況下，顯然載波比N越大，逆變器輸出電壓波形越接近理想正弦波；但同時開關(guān)元件的開、斷頻率也就越高，因此載波比受到元件的開、斷頻率允許值的限制。同步、異步、分段調(diào)制

載波比N=常數(shù)，一個周期內(nèi)的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的，當(dāng)逆變電路頻率低時，載波頻率低。當(dāng)其過低時，調(diào)制帶來的諧波不易濾除。而過高時會使開關(guān)元件難以承受，并且同步比異步復(fù)雜。

這種方式通常保持載波頻率fc不變，所以當(dāng)信號波頻變化時也會變化，載波比也會變化。在信號波半個周期內(nèi)脈沖數(shù)、相位是不固定的。當(dāng)頻率較低時，載波比較大，一個周期產(chǎn)生的脈沖數(shù)過多，使PWM波形更接近正弦波。而當(dāng)信號波頻較高時，N減小，脈沖數(shù)減小，PWM脈沖不對稱影響大，信號波可能隨PWM脈沖跳動，這使輸出PWM波和正弦波差異較大。

把逆變電路的輸出頻率分成若干段，每個頻段的載波比一定，不同頻段采用不同的載波比。它可以在高頻段采用較低的載波比，使載波比不致于過高，可限制在功率器件允許的范圍內(nèi)。而再低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不至于過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。異步調(diào)制：分段同步調(diào)制：同步調(diào)制：PWM調(diào)制在交-直-交系統(tǒng)中的優(yōu)勢變頻器是一種能提供頻率及電壓同時變化的電力電子裝置。間接變頻器：（交——直——交變頻器）

整流（調(diào)壓）逆變（調(diào)頻）

交流—————直流—————交流特點：調(diào)頻范圍寬，應(yīng)用廣泛。直接變頻器：（交——交變頻器）（變頻）交流—————————————————交流特點：一次功率變換控制效率高但是輸出頻率低，最高輸出頻率一般為輸入頻率的1/3～1/2，而且控制復(fù)雜，對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的無功和諧波污染，通常用于低頻場合可控整流器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻調(diào)壓和調(diào)頻功能分別在兩個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)，有控制電路進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。裝置輸入環(huán)節(jié)采用可控整流。當(dāng)?shù)皖l低壓運行時，移向觸發(fā)角很大，致使裝置功率因數(shù)低下，此外逆變器多用晶閘管型逆變器，開關(guān)頻率低輸出諧波成分大。不控整流器整流，斬波器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻采用二極管整流輸入，功率因數(shù)提高。由于輸出逆變環(huán)節(jié)功率器件采用晶閘管，輸出諧波成分依然較大。不控整流器整流，PWM逆變器同時實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓是變頻調(diào)速系統(tǒng)可以只有一個控制功率級，從而簡化了主回路，其輸入端可以采用二極管整流，使電網(wǎng)的功率系數(shù)較高，系統(tǒng)有較高的效率。輸出電壓僅由逆變器本身控制，電壓調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)動態(tài)性能好。采用較高頻率調(diào)制時可以得到高質(zhì)量的輸出電壓波形，抑制了較低次數(shù)的高次諧波，降低諧波損耗，擴(kuò)大了調(diào)速范圍。電壓型和電流型PWM調(diào)制比較

逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可以分為兩種，直流側(cè)為電壓源的為電壓型逆變電路，直流側(cè)為電流源的為電流型逆變電路。

直流側(cè)接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；

由于直流電壓源的箝位作用，逆變交流輸出的電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)的電流波形和相位因負(fù)載的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。

當(dāng)交流側(cè)位感性負(fù)載時需提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的能量提供通道，各橋臂都反并聯(lián)了二極管，逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，因直流電壓無脈動，故傳送功率的脈動是由直流電流的脈動體現(xiàn)出來的，電壓型逆變器不能進(jìn)行四象限運行，當(dāng)負(fù)載電動機(jī)需要制動時，需要另行安裝制動系統(tǒng)。電壓型逆變器的主要特點：電壓型和電流型PWM調(diào)制比較電流型逆變器的主要特點：

直流側(cè)接有大電感，相當(dāng)于電流源，直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，因為各開關(guān)器件主要起改交直流電流流通路徑的作用。

交流側(cè)電流為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，而交流側(cè)的電壓波形和相位因負(fù)載的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。

直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，故可控器件不必反并聯(lián)二極管；逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，因直流電流無脈動，故傳送功率的的脈動是由直流電壓的脈動體現(xiàn)出來的。

變頻器的設(shè)計根據(jù)配套系統(tǒng)容量的大小以及一些具體的要求來選擇適當(dāng)?shù)闹麟娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于電流型變頻器來說，其優(yōu)點是有四象限運行能力，能很方便的實現(xiàn)電機(jī)的制動功能，缺點是需要對逆變橋進(jìn)行強迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難，另外由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網(wǎng)會有一定影響，因而多選用電壓型逆變器。帶電流滯環(huán)跟蹤的ＰＷＭ逆變器控制1、在前述SPWM電壓型逆變器，可以使輸出電壓接近正弦，但是由不同寬度的方波脈沖組成，不可避免含有諧波。2、以逆變器為電源的三相異步電動機(jī)，不僅要求端電壓接近正弦，而且從降