電力電子技術(shù)-7.2三相SPWM逆變

7-3-14）雙極性PWM控制方式

（三相橋逆變）

圖7-7三相橋式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urU、urV和urW依次相差120°7-3-2控制極信號的時序分布載波信號為對稱三角波純電阻負載

各相上下橋臂控制信號相位互補，上下臂輪流導(dǎo)通。各相對電源中點電壓任一時刻主電路有3器件導(dǎo)通，其它器件關(guān)斷。純電阻負載各D不導(dǎo)通。

三相SPWM逆變電路7-3-3輸出電壓

[N=3]幅值由開關(guān)角決定，開關(guān)角由調(diào)制比m決定。

采用平均值模型

輸出相電壓波形共有5個電平：7-3-4阻性負載上3管全關(guān)斷，U相對中點輸出電壓為05號開，經(jīng)46管兩路并聯(lián)返回，輸出為－1/3Ud。1、5管開，并聯(lián)，經(jīng)6回，輸出＋1/3Ud上3管開，下3全關(guān)，輸出01，5開，并聯(lián)，經(jīng)6回，輸出＋1/3Ud1開，單獨經(jīng)6、2并聯(lián)返回，輸出2/3Ud類推，相電壓由5種電平組成線電壓為兩相電壓的差，由3種電平組成Ug>Uc,Ug1>0Ug<Uc,Ug1<0Vg>Uc,Ug3>0Ug<Uc,Ug3<0Wg>Uc,Ug5>0Ug<Uc,Ug5<07-3-5輸出電壓比方波逆變多2狀態(tài)：上3管載流、下3管載流，將三相負載短路。此時直流電源和逆變器/負載間無電流，相電壓為0。三相電路線電壓諧波分布：相電壓諧波分布與單相雙極性SPWM相似，但無N整數(shù)倍次

N次諧波含量在m較小時較高選N為3的整數(shù)倍，則線電壓諧波主要分布在

直流電壓利用率

7-3-6感性負載N_D2,6_O_T4_NP_T5_O_T4,6_NP_T5_O_T6_N,D1_PP_T5_O_D1,3_P,三上臂導(dǎo)通，三相暫時短路

P_T5_O,電流過0,P_T1_O_T6_N1.三上135管關(guān)斷，三下管462正驅(qū)動。

V,W相電流為正，U相電流為負。續(xù)流電流從N分D2、6經(jīng)V、W負載到中線從U負載經(jīng)T4回N形成回路2.上13下2管關(guān)斷，下管46上5管正驅(qū)動。V,W相電流為正，U相電流為負。續(xù)流電流從N經(jīng)D6經(jīng)V負載到中線從U負載經(jīng)T4回N形成回路，直到V電流下降到0；W相T5導(dǎo)通，從電源獲得能量，電流經(jīng)T5、W相負載流向中線，經(jīng)U相負載從T4回N。V電流過0后，此電流的一部分經(jīng)V負載、T6回N。3.上3下24管關(guān)斷，下管6上15管正驅(qū)動。W相電流為正，UV相電流為負。W相電流繼續(xù)經(jīng)T5、W相負載流向中線，一路經(jīng)V相負載從T6回N，一路作為U相續(xù)流電流從中線經(jīng)D1回電源形成回路

。4.T6關(guān)斷，V相電流維持原方向，使D3導(dǎo)通續(xù)流。此時T5、D1繼續(xù)導(dǎo)通，形成三上臂導(dǎo)通，相當(dāng)于三相輸出UVW暫時處于短路5、T6正驅(qū)動，D3T6換流，U相電流過0時，D1T1交換導(dǎo)通，電流從電源經(jīng)T1和T5、UW負載到中線，經(jīng)V負載從T6回N。此時U、W相電流為正，V相電流為負。其它時區(qū)類推。7-3-7仿真驗證模型7-3-8三相SPWM控制7-3-9DC=300V,450Hz，m＝1輸出相電流輸出相電壓直流側(cè)輸入電流7-3-10輸出相電壓頻譜分析N-2＝450－2×50＝350Hz，與基波相對值無450Hz諧波7-3-11輸出線電壓頻譜分析450Hz調(diào)制輸出50Hz線電壓諧波分布最低次諧波7-3-1220KHz,m=1，阻感負載7-3-13輸出相電壓頻譜，m=17-3-14輸出電壓頻譜，m=0.52N-1次幅值最大7-3-15諧波分析小結(jié)三相和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc＝Nwr整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr，即N±2、2N±2。SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。7-3-167.2.2

異步調(diào)制和同步調(diào)制根據(jù)載波和信號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。保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N變化在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱當(dāng)fr較低時，N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，N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)制信號頻率fr之比，N=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式7-3-177.2.2

異步調(diào)制和同步調(diào)制2）

同步調(diào)制——載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud

同步調(diào)制三相PWM波形基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。7-3-187.2.2

異步調(diào)制和同步調(diào)制3）分段同步調(diào)制劃分頻段，每頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。高頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；低頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。滯后切換,防止跳動。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)。在低頻輸出時用異步調(diào)制，高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，和分段同步方式效果接近。

分段同步調(diào)制方式舉例

7-3-19規(guī)則采樣法與平均模型法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(7)7-3-20ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d規(guī)則采樣法正弦調(diào)制信號波a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為d′U、d′V和d′W，同一時刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式(6)得可用于簡化生成三相SPWM波的計算7-3-21使用載波對正弦信號波調(diào)制，會產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量。諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一。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。分析方法以載波周期為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級數(shù)表達式。[推導(dǎo)參見“劉鳳君

現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用電子工業(yè)出版社2006p142~p175]盡管分析過程復(fù)雜，但結(jié)論簡單而直觀。7.2.4PWM逆變電路的諧波分析

【見前各節(jié)】7-3-22晶閘管相控整流：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，功率因數(shù)很低。二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，功率因數(shù)也很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路?？刂芇WM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。7.4PWM整流電路及其控制方法7-3-231．單相PWM整流電路單相PWM整流電路PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多。半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個電容串聯(lián)，其中點和交流電源連接。

單相半橋電路

交流側(cè)電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必須的。全橋電路直流側(cè)電容只要一個就可以。

單相全橋電路7.4.1PWM整流電路的工作原理7-3-24正弦信號波和載波相比較,對V1~V4進行SPWM控制，可在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個SPWM波uAB。由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動。當(dāng)指令信號頻率和電源同頻時，is也為與電源頻率相同的正弦波。uAB中含和正弦信號波同頻且幅值成比例的基波分量，以及和載波有關(guān)的頻率很高的諧波，不含有低次諧波。us一定時，is幅值和相位僅由uAB中基波uAB1的幅值及其與us的相位差決定。改變uAB1的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度。(1)單相全橋PWM整流電路的工作原理7-3-257-31-b)逆變運行d·Us·UR·UAB·Is·UL7-31-a)整流運行d·Us·UL·UR·UAB·Isa：滯后相角d

，和同相，整流狀態(tài)，功率因數(shù)為1。PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)。b：超前相角d

，和反相，逆變狀態(tài)，說明PWM整流電路可實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，這一特點對于需再生制動的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)很重要工作原理7-3-267-31-c)無功補償運行d·Us·UR·UAB·Is·UL7-31d)超前角為j

jd·Us·UR·UABIs·ULc：滯后相角d，超前90°，電路向交流電源送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）。d：通過對幅值和相位的控制，可以使比超前或滯后任一角度j

。工作原理7-3-27整流狀態(tài)下:us>0時，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例。V2通時，us通過V2、VD4向Ls儲能。V2關(guān)斷時，Ls中的儲能通過VD1、VD4向C充電。us<0時，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路。單相全橋PWM整流電路工作原理7-3-28原理和單相全橋電路相似。進行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相、功率因數(shù)近似為1。和單相相同，該電路也可工作在逆變、無功補償?shù)冗\行狀態(tài)。三相橋式PWM整流電路

負載整流：單位功率因數(shù)2．三相PWM整流電路7-3-29間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有多種控制方法，根據(jù)有沒有引入電流反饋可分為兩種

間接電流控制、直接電流控制。與相電壓同相的正弦電流指令相電壓減去電阻、電感壓降得到給定相電壓指令，與三角波比較后得到該相PWM控制信號1)間接電流控制間接電流控制也稱為相位和幅值控制。按圖7-31a（逆變時為圖7-31b）的相量關(guān)系來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效果。圖為間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中的PWM整流電路為圖6-30的三相橋式電路控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。直流電流指令電流在輸入回路電阻上的壓降電感電流在感抗上的壓降，相位相差90度7.4.2PWM整流電路的控制方法7-3-30有不同的電流跟蹤控制方法，一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖。直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。2)

直接電流控制【略】7-3-31PWM控制技術(shù)的地位PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠影響的一項技術(shù)。器件與PWM技術(shù)的關(guān)系IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強大的物質(zhì)基礎(chǔ)。PWM控制技術(shù)用于直流斬波電路直流斬