PWM逆變器-修訂版..

1、脈寬調制型（脈寬調制型（PWM）逆變器）逆變器Pulse Width ModulationPulse Width Modulation講課目錄講課目錄邱邱 浩：帶電流滯環(huán)跟蹤的逆變器控制浩：帶電流滯環(huán)跟蹤的逆變器控制曾曾 快：快：SPWM單雙極性調制單雙極性調制李李 杰：杰：SPWM波的調制條件和同步、異步、分段調制比較波的調制條件和同步、異步、分段調制比較沈子乂：基礎概念準備沈子乂：基礎概念準備回回 璇：璇：PWM調制在交調制在交-直直-交系統(tǒng)中的優(yōu)勢交系統(tǒng)中的優(yōu)勢趙曉陽：電壓型和電流型趙曉陽：電壓型和電流型PWM調制比較調制比較卿卿 怡：怡：SPWM波的計算法波的計算法梁梁 達：三相橋式達

2、：三相橋式PWM調制調制 基礎概念準備基礎概念準備（）（）PWM的定義：的定義：用直流斬波的方法，將逆變器的輸出相電壓調制成幅值用直流斬波的方法，將逆變器的輸出相電壓調制成幅值相等的若干個矩形電壓脈沖，通過調節(jié)占空比改變脈沖寬度，即可改變輸出相等的若干個矩形電壓脈沖，通過調節(jié)占空比改變脈沖寬度，即可改變輸出電壓的大小，而調節(jié)一個周期的循環(huán)開斷時間可改變輸出電壓的頻率，從而電壓的大小，而調節(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)在逆變器上實現(xiàn)VVVFVVVF的綜合控制。的綜合控制。（）核心依據：（）核心依據：在具有慣性環(huán)節(jié)（電容、電感儲能元件）的電路中，能用等在具有慣性環(huán)

3、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。面積的等幅不等寬的脈沖序列等效正弦波。（3 3）脈沖序列：）脈沖序列：用來控制逆變器功率開關元件的用來控制逆變器功率開關元件的通斷，以使逆變器輸出電壓波。（通過載波、調制波、比較器獲得）通斷，以使逆變器輸出電壓波。（通過載波、調制波、比較器獲得） 基礎概念準備基礎概念準備（4 4）全控器件的等效電路與開關特性）全控器件的等效電路與開關特性IGBT的等效電路如的等效電路如左左圖所示。由圖圖所示。由圖可知可知,若在若在IGBT的柵極的柵極（G）和發(fā)射極和發(fā)射極(E)之間加上驅動正電壓之間加上驅動正電壓,則則MOSFET導

4、通導通,這這樣樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通狀態(tài)而使得晶體管導通;若若IGBT的柵極和的柵極和發(fā)射極之間電壓為發(fā)射極之間電壓為0V或負電壓或負電壓,則則MOSFET截止截止,切斷切斷PNP晶體管基極電流晶體管基極電流的供給的供給,使得晶體管截止。使得晶體管截止。SPWM單極性和雙極性調制單極性和雙極性調制以等腰三角形載波以等腰三角形載波ut和參考正弦波和參考正弦波ur的相交關系，可以產生的相交關系，可以產生SPWM調制波。調制波。truu 當參考電壓當參考電壓ur在正半波時，若在正半波時，若truu ，則調制波，則調制波up=0;若若，

5、則，則up為寬度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，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，稱這種脈沖序列為稱這種脈沖序列為SPWM序列。序列。 當當ur在負半周期時，需要把在負半周期時，需要把ur正半波的正半波的SPWM序列反響，得到一個周期的、幅值序列反響，得到一個周期的、幅值在在0up變化的脈沖序列，稱為單極性變化的脈沖序列，稱為單極性SPWM調制模式，如下圖所示：調制模式，如下圖所示：SPWM單極性和雙極性調制單極性和雙極性調制 如果在每個焦點如果在每個焦點ur=ut處同時產生正、負觸發(fā)脈沖，在一個半周內既有處同

6、時產生正、負觸發(fā)脈沖，在一個半周內既有up又有又有-up脈沖序列。這種調制稱為雙極性脈沖序列。這種調制稱為雙極性SPWM調制模式，如下圖所示：調制模式，如下圖所示：SPWM單極性和雙極性調制單極性和雙極性調制在兩電平電路中，雙極在兩電平電路中，雙極性控制能夠控制同一個性控制能夠控制同一個橋臂上的功率器件互補橋臂上的功率器件互補通斷，前提是遵循先斷通斷，前提是遵循先斷后通原則。雖然矩形脈后通原則。雖然矩形脈沖組成有正有負，但在沖組成有正有負，但在逆變器輸出端只能是電逆變器輸出端只能是電壓平均值，顯然在正半壓平均值，顯然在正半周期周期+Ud/2脈沖合成面積脈沖合成面積大于大于-Ud/2的面積，電壓

7、的面積，電壓平均值為正，且電壓脈平均值為正，且電壓脈沖寬度任然符合正弦分沖寬度任然符合正弦分布，因此近似于正弦電布，因此近似于正弦電壓。同理，負半周期逆壓。同理，負半周期逆變器輸出負值正弦。變器輸出負值正弦。三相橋式三相橋式PWMPWM逆變電路逆變電路 電路用途：電路用途：三相橋式三相橋式PWM變頻電路是變頻電路是PWM變頻電路中使用最多的，它被廣泛變頻電路中使用最多的，它被廣泛應用在異步電動機的變頻調速中應用在異步電動機的變頻調速中，其控制方式為雙極性方式。其控制方式為雙極性方式。 電路組成：電路組成：不控整流環(huán)節(jié)，采用不控整流環(huán)節(jié)，采用6個二極管個二極管VD1VD6整流；逆變環(huán)節(jié)，整流；逆

8、變環(huán)節(jié)，6個個快快速功率開關器件速功率開關器件IGBT和和6個快速續(xù)流二極管個快速續(xù)流二極管DF1DF6組成組成;三相對稱負載，大多為三相對稱負載，大多為感性；調制電路，用于控制感性；調制電路，用于控制IGBT通斷。通斷。開關脈沖的產生開關脈沖的產生載波信號載波信號參考參考信號信號參考參考信號信號載波信號載波信號參考參考信號信號載波信號載波信號 三相三相參考參考信號信號ura、urb、urc分別為三相正弦波信號，分別為三相正弦波信號，其其幅幅值和頻率均相等，相位依次差值和頻率均相等，相位依次差120度度。 A、B、C三相的三相的PWM控制共用一個三角波信號控制共用一個三角波信號ut,其其PWM

9、控制規(guī)律相同。控制規(guī)律相同。 現(xiàn)在以現(xiàn)在以A相為例，當相為例，當uraut時，使時，使VT1導通，導通，VT4關斷；當關斷；當uraut時，使時，使VT1關斷，關斷，VT4導通。導通。VT1、VT4的驅動信號始終互補的驅動信號始終互補。 調制電路內部的調制電路內部的本質是若干比較電路。本質是若干比較電路。將參考信號和載波信將參考信號和載波信號進行比較來控制號進行比較來控制IGBT通斷。通斷。此波形可以看作是此波形可以看作是IGBT的的開關脈沖，正脈沖時開關脈沖，正脈沖時VT1導通，導通，VT4關斷；負脈沖關斷；負脈沖時時VT4導通，導通，VT1關斷。關斷。三相正弦三相正弦PWM波形波形 由圖可

10、以看出，任何時刻始終都有兩由圖可以看出，任何時刻始終都有兩相調制信號電壓大于載波信號電壓，即總相調制信號電壓大于載波信號電壓，即總有兩個有兩個IGBT處于導通狀態(tài)，所以負載上處于導通狀態(tài)，所以負載上的電壓是連續(xù)的正弦波。其余兩相的控制的電壓是連續(xù)的正弦波。其余兩相的控制規(guī)律與規(guī)律與A相相同。相相同。 在雙極性控制方式中，同一相上下兩在雙極性控制方式中，同一相上下兩橋臂的驅動信號都是互補的。但為了防止橋臂的驅動信號都是互補的。但為了防止上下兩橋臂直通而造成短路，要遵循上下兩橋臂直通而造成短路，要遵循“先先斷后通斷后通”的原則，在給一個橋臂加關斷信的原則，在給一個橋臂加關斷信號后，再延遲一小段時間

11、，才給另一個橋號后，再延遲一小段時間，才給另一個橋臂加導通信號。延遲時間主要由功率開關臂加導通信號。延遲時間主要由功率開關的關斷時間決定。的關斷時間決定。三相橋式三相橋式PWM變頻器也是靠同時改變頻器也是靠同時改變三相參考信號（調制信號）變三相參考信號（調制信號）ura、urb、urc的調制周期來改變輸出電壓頻率的，的調制周期來改變輸出電壓頻率的，靠改變三相參考信號的幅度即可改變輸出靠改變三相參考信號的幅度即可改變輸出電壓的大小。電壓的大小。PWM變頻器用于異步電動變頻器用于異步電動機變頻調速時，為了維持電動機氣隙磁通機變頻調速時，為了維持電動機氣隙磁通恒定，輸出頻率和電壓大小必須進行協(xié)調恒定

12、，輸出頻率和電壓大小必須進行協(xié)調控制，即改變三相參考信號調制周期同時控制，即改變三相參考信號調制周期同時必須相應改變其幅值。必須相應改變其幅值。仿真仿真從邏輯的角度講解其原理：從邏輯的角度講解其原理：開關脈開關脈沖電路沖電路逆變電路逆變電路負負載載仿真仿真脈沖開關電路脈沖開關電路仿真仿真逆變電路逆變電路相當相當于兩于兩個電個電容串容串聯(lián)支聯(lián)支路。路。仿真仿真 波的計算法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：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數(shù)字計算由模擬電路過度道微機數(shù)字計算 在相鄰的兩個三角波的中點（也即是在相鄰的兩個三角波的中點（也

13、即是相反三角波的頂點）引一垂線，與參考電相反三角波的頂點）引一垂線，與參考電壓壓ur交于交于E點，該點參考波點，該點參考波ur的相角所對應的相角所對應的時間的時間te也即為已知。從交點也即為已知。從交點E作平行直線作平行直線與相鄰的三角波交于與相鄰的三角波交于A、B兩點，則對應的兩點，則對應的時間間隔時間間隔t2便為便為ur在在te時刻的時刻的SPWM波的波的脈寬。脈寬。)Tt2sin(UU2T2Trtmrmcc2t由圖解法可推導出：由圖解法可推導出：式中：式中：Tc三角載波周期（三角載波周期（s）；）；Tr正弦參考波周期（正弦參考波周期（s）；）；Urm正弦參考波電壓幅值（正弦參考波電壓幅值

14、（V）；）；Utm三角載波電壓幅值（三角載波電壓幅值（V）。）。 使用規(guī)則采樣法計算得到的脈寬使用規(guī)則采樣法計算得到的脈寬t2和準和準確值在起始點和終了時間點上有很小的誤差，確值在起始點和終了時間點上有很小的誤差，一般對控制不會產生影響。一般對控制不會產生影響。 波的計算法波的計算法不對稱規(guī)則采樣法：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)則采樣法生成程度會大大提高。不對稱規(guī)

15、則采樣法生成SPWM的原理圖如下所示。的原理圖如下所示。ABTct20tUd1 等效面積法等效面積法:在采樣控制理論有中一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖在采樣控制理論有中一個重要的結論：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。正弦脈寬調制的基本原理就是按面積相等的原則構成與正弦等效的一系列等幅不等寬的矩形脈制的基本原理就是按面積相等的原則構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已知數(shù)據和正弦數(shù)值依次算出每個脈沖的寬度，通過沖波形。等效面積法

16、就是根據已知數(shù)據和正弦數(shù)值依次算出每個脈沖的寬度，通過查表的方式實時控制查表的方式實時控制。其原理圖如下：。其原理圖如下：Sk10a波的調制條件波的調制條件 SPWM波實質上是功率器件的驅動脈沖，所以與電壓型逆變器輸出電波實質上是功率器件的驅動脈沖，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。的限制。（1）調制比的限制。調制比定義為：）調制比的限制。調制比定義為：tmmUUM 在雙極性在雙極性SPWM波中，最小脈寬出現(xiàn)在波中，最小脈寬出現(xiàn)在ur接近載波接近載波ut峰值的峰值的

17、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斷時兩交點間，此處的最小脈寬時間必須保證大于功率元件的關斷時間間toff使其可靠關斷后，互補元件再導通，因此一般使其可靠關斷后，互補元件再導通，因此一般M不大于不大于0.9。波的調制條件波的調制條件（2）載波比的限制。在波比定義為：）載波比的限制。在波比定義為：rtffN式中：式中：ft表示三角波頻率（表示三角波頻率（Hz）fr表示正弦參考波頻率（表示正弦參考波頻率（Hz） 載波比是一個周期參考正弦波內三角載波的周期數(shù)，在載波比是一個周期參考正弦波內三角載波的周期數(shù)，在fr一定的情一定的情況下，顯然載波比況下，顯然載波比N越大，逆變器輸出電壓

18、波形越接近理想正弦波；越大，逆變器輸出電壓波形越接近理想正弦波；但同時開關元件的開、斷頻率也就越高，因此載波比受到元件的開、但同時開關元件的開、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。斷頻率允許值的限制。同步、異步、分段調制同步、異步、分段調制 載波比載波比N=常數(shù)，一個周期內的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的，當逆常數(shù)，一個周期內的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的，當逆變電路頻率低時，載波頻率低。當其過低時，調制帶來的諧波不易濾除。而過高時變電路頻率低時，載波頻率低。當其過低時，調制帶來的諧波不易濾除。而過高時會使開關元件難以承受，并且同步比異步復雜。會使開關元件難以

19、承受，并且同步比異步復雜。 這種方式通常保持載波頻率這種方式通常保持載波頻率fc不變，所以當信號波頻變化時也會變化，載波比不變，所以當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脈沖數(shù)、相位是不固定的。當頻率較低時，載波比也會變化。在信號波半個周期內脈沖數(shù)、相位是不固定的。當頻率較低時，載波比較大，一個周期產生的脈沖數(shù)過多，使較大，一個周期產生的脈沖數(shù)過多，使PWM波形更接近正弦波。而當信號波頻較波形更接近正弦波。而當信號波頻較高時，高時，N減小，脈沖數(shù)減小，減小，脈沖數(shù)減小，PWM脈沖不對稱影響大，信號波可能隨脈沖不對稱影響大，信號波可能隨PWM脈沖跳脈沖跳動，這使輸出動，這使

20、輸出PWM波和正弦波差異較大。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。而再低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不至于過低功率器件允許的范圍內。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載產生不利影響。而對負載產生不利影響。異步調制：異步調制：分段同步調制：分段同步調制：同步調制：同步調制：PWM調制在

21、交調制在交-直直-交系統(tǒng)中的優(yōu)勢交系統(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。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：（交間接變頻器：（交直直交變頻器）交變頻器） 整流（調壓）整流（調壓） 逆變（調頻）逆變（調頻） 交流交流 直流直流 交流交流特點：調頻范圍寬，應用廣泛。特點：調頻范圍寬，應用廣泛。直接變頻器：（交直接變頻器：（交交變頻器）交變頻器） （變頻）（變頻） 交流交流 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1/31/31/21

22、/2，而且控制復雜，對電網產生較大的無功和諧波污染，通常用于低頻場，而且控制復雜，對電網產生較大的無功和諧波污染，通常用于低頻場合合可控整流器調壓，逆變器調頻可控整流器調壓，逆變器調頻調壓和調頻功能分別在兩個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)，有控制電路調壓和調頻功能分別在兩個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)，有控制電路進行協(xié)調配合，結構簡單，控制方便。裝置輸入環(huán)節(jié)進行協(xié)調配合，結構簡單，控制方便。裝置輸入環(huán)節(jié)采用可控整流。當?shù)皖l低壓運行時，移向觸發(fā)角很大，采用可控整流。當?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，開關頻率低輸出諧波成分大。變器，開關頻

23、率低輸出諧波成分大。不控整流器整流，斬波器調壓，逆變器調頻不控整流器整流，斬波器調壓，逆變器調頻采用二極管整流輸入，功率因數(shù)提高。由于輸出逆變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。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，不控整流器整流，PWM逆變器同時實現(xiàn)調頻調壓逆變器同時實現(xiàn)調頻調壓是變頻調速系統(tǒng)可以只有一個控制功率級，從而簡化了主回是變頻調速系統(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，使電網的功率系數(shù)較高，路，其輸入端可以采用二極管整流，使電網的功率系數(shù)較高，系統(tǒng)有較高的效率。系統(tǒng)有較

24、高的效率。輸出電壓僅由逆變器本身控制，電壓調節(jié)速度快，系統(tǒng)動態(tài)輸出電壓僅由逆變器本身控制，電壓調節(jié)速度快，系統(tǒng)動態(tài)性能好。性能好。采用較高頻率調制時可以得到高質量的輸出電壓波形，抑制采用較高頻率調制時可以得到高質量的輸出電壓波形，抑制了較低次數(shù)的高次諧波，降低諧波損耗，擴大了調速范圍。了較低次數(shù)的高次諧波，降低諧波損耗，擴大了調速范圍。電壓型和電流型電壓型和電流型PWM調制比較調制比較 逆變電路根據直流側電源性質的不同可以分為兩種，直流側為電壓源的為逆變電路根據直流側電源性質的不同可以分為兩種，直流側為電壓源的為電壓型電壓型逆變電路逆變電路，直流側為電流源的為，直流側為電流源的為電流型逆變電路

25、電流型逆變電路。 直流側接有大電容，相當于電壓源，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；直流側接有大電容，相當于電壓源，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，與負載阻抗角無關，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，與負載阻抗角無關，而交流側的電流波形和相位因負載的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。而交流側的電流波形和相位因負載的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。 當交流側位感性負載時需提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用，為給交當交流側位感性負載時需提供無功功率，直流側電容起緩沖無功

26、能量的作用，為給交流側向直流側反饋的能量提供通道，各橋臂都反并聯(lián)了二極管，逆變電路從直流側向交流側向直流側反饋的能量提供通道，各橋臂都反并聯(lián)了二極管，逆變電路從直流側向交流側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流側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行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行體現(xiàn)出來的，電壓型逆變器不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動系統(tǒng)。安裝制動系統(tǒng)。電電壓壓型逆變器的主要特點：型逆變器的主要特點：電壓型和電流型電壓型和電流型PWM調制比較調制比較

27、電流型逆變器的主要特點：電流型逆變器的主要特點： 直流側接有大電感，相當于電流源，直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，直流側接有大電感，相當于電流源，直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，因為各開關器件主要起改交直流電流流通路徑的作用因為各開關器件主要起改交直流電流流通路徑的作用。 交流側電流為矩形波，與負載性質無關，而交流側的電壓波形和相位因負載的阻抗交流側電流為矩形波，與負載性質無關，而交流側的電壓波形和相位因負載的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。 直流側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)二直流側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；逆變電路從直流側向交流側傳送的功率是脈動的，因直流電流無脈動，故傳極管；逆變電路從直流側向交流側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。送功率的的脈動是由直流電壓的脈動體現(xiàn)出來的。 變頻器的設計根據配套系統(tǒng)容量的大小以及一些具體的要求變頻器的設計根據配套系統(tǒng)容量的大小以及一些具體的要求來選擇適當?shù)闹麟娐吠負浣Y構。對于電流型變頻器來說，其