第五章DC-AC變換電路第五節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）型逆變電路第四節(jié)電壓型和電流型逆變器第三節(jié)無源逆變電路第二節(jié)有源逆變應用電路第一節(jié)有源逆變的基本原理內(nèi)容提要與目的要求

第六節(jié)三相電壓源型SPWM逆變器的仿真1內(nèi)容提要與目的要求掌握逆變的概念和逆變的條件；掌握三相有源逆變電路的波形及計算；了解逆變失敗的原因及最小逆變角的限制；了解變流電路的換流方式；2掌握電壓型逆變電路和電流型逆變電路的特點；掌握三相電壓型逆變電路、單相并聯(lián)諧振式逆變電路及串聯(lián)二極管式電流型逆變電路的工作原理及換流方式；掌握PWM控制方式的理論基礎及脈寬調(diào)制型逆變電路的控制方式；了解規(guī)則采樣法的計算方法。重點：三相橋式逆變電路的原理與參數(shù)、脈寬調(diào)制和諧波消除方法。有源逆變的條件和有源逆變失敗的原因。3定義將直流電轉變成交流電，這種對應于整流的逆向過程稱為逆變（Invertion）。把直流電逆變成交流電的電路稱為逆變電路。4有源逆變定義：當交流側接在電網(wǎng)上，即交流側接有電源時，稱為有源逆變。有源逆變電路是將直流電功率返送回電網(wǎng)。用途：有源逆變電路常用于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉子異步電動機串級調(diào)速及高壓直流輸電等場合。5無源逆變定義：當交流側直接與負載相連，稱為無源逆變。無源逆變是將直流電變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負載。用途：無源逆變電路常用于交流電動機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等場合。此外，它還常用于將蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源逆變?yōu)榻涣麟姽┙o交流負載。6第一節(jié)有源逆變的基本原理1一、電能的交換2二、有源逆變的條件7一、電能的交換對于整流電路而言，當其滿足一定的條件，則可工作于有源逆變狀態(tài)。將這種既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)的整流電路稱為變流電路（Convertor）。

8

圖5-1aM電動運轉，EG>EM，電流Id從G流向M，M吸收電功率。RΣ為主回路總電阻。由于Id和EG同方向，與EM反方向，因此G輸出電功率PG=EG·Id，電能由G流向M，M吸收功率PM=EM·Id，再轉變?yōu)闄C械能，RΣ上是熱耗。圖5-1b回饋制動狀態(tài)，M作發(fā)電運轉，此時，EM>EG，電流反向，從M流向G。故M輸出電功率，G則吸收電功率，M軸上輸入的機械能轉變?yōu)殡娔芊此徒oG。圖5-1c兩電動勢順向串聯(lián)，向電阻R供電，G和M均輸出功率，由于R一般都很小，實際上形成短路，在工作中必須嚴防這類事故發(fā)生。??9由上述分析，可以得出如下結論：①兩電源同極性相連時，電流總是從電勢高的流向電勢低的。電流大小取決于電勢差和回路電阻。②與電流同方向的電動勢輸出功率，而與電流反方向的電動勢吸收功率。③兩電源反極性相連時形成短路，應嚴防發(fā)生。10以單相全波電路給直流電動機負載供電為例

圖2-45a

M電動運行，全波電路工作在整流狀態(tài)，

在0~/2間，Ud為正值，并且Ud

>EM，才能輸出Id。交流電網(wǎng)輸出電功率電動機輸入電功率電動機輸出電功率交流電網(wǎng)輸入電功率

圖5-2bM回饋制動，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，Id方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變EM極性。為了防止兩電動勢順向串聯(lián)，Ud極性也必須反過來，即Ud應為負值，且|EM

|>|Ud

|，才能把電能從直流側送到交流側,實現(xiàn)逆變。

Ud可通過改變來進行調(diào)節(jié)，逆變狀態(tài)時Ud為負值，逆變時在/2~間二、有源逆變的條件11從上述分析可歸納出產(chǎn)生逆變的條件有二：①外部條件：要有直流電動勢，其極性與晶閘管的導通方向一致，其值應大于直流側平均電壓；②內(nèi)部條件：要求晶閘管的控制角α＞π/2，使Ud為負值。兩者必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變狀態(tài)。必須注意：半控橋或帶續(xù)流二極管的變流電路，由于其整流電壓Ud不會出現(xiàn)負值，也不允許直流側有負極性的電動勢，因此不能實現(xiàn)逆變。12第二節(jié)有源逆變應用電路有源逆變應用電路四、確定最小逆變角βmin的依據(jù)三、逆變失敗的原因一、逆變時的波形二、參數(shù)計算13逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別：控制角不同

0<<p

/2

時，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時，電路工作在逆變狀態(tài)。可沿用整流的辦法來處理逆變時有關波形與參數(shù)計算等各項問題。把a>p/2時的控制角用p-

=b表示，b稱為逆變角。逆變角b和控制角a的計量方向相反，其大小自b=0的起始點向左方計量。所以＋b

=p。14一、逆變時的波形1、三相半波逆變波形（圖5-3波形）α＜π/2的范圍內(nèi)，Ud波形的正面積大于負面積，則Ud＞0，工作在整流狀態(tài)，Id從Ud的正端流出，電網(wǎng)輸出功率。α=π/2時，Ud的正面積等于負面積，處于臨界狀態(tài)。α＞π/2的范圍內(nèi)，Ud波形的正面積小于負面積，則Ud＜0，工作在逆變狀態(tài)，Id從Ud的負端流出，電網(wǎng)輸入功率。由晶閘管VT1兩端的電壓波形可以看出，在整流狀態(tài)，晶閘管阻斷時主要承受反向電壓，而在逆變狀態(tài)，晶閘管阻斷時主要承受正向電壓。152、三相全控橋式電路逆變波形三相全控橋式變流電路當滿足相應條件時就可工作于有源逆變狀態(tài)，此時其對脈沖的要求和整流時相同。圖5-4給出了不同逆變角時輸出電壓波形，晶閘管兩端波形與圖5-3類同。16二、參數(shù)計算1、輸出電壓平均值計算輸出電壓平均值的近似計算和整流時一樣。（5-1）式中Udo表示α=0°時的輸出電壓平均值三相半波變流電路Udo=1.17U2三相全控橋式變流電路Udo=2.34U2。

172、電流計算輸出電流平均值亦可用整流的公式，即（5-2）在逆變狀態(tài)時，Ud、EM的極性和整流時相反，均為負值。每個晶閘管導通2π/3，因此流過每個晶閘管的電流平均值、有效值分別為：（設Id波形平直連續(xù)）（5-3）（5-4）18變壓器二次側電流的有效值為：三相半波電路（5-5）三相全控橋式電路（5-6）193、功率計算從交流電源送到直流側負載的有功功率為：（5-7）當逆變工作時，EM、Ud均為負值，故Pd也為負值，表示功率由直流電動勢流向交流電源。204、逆變時的功率因素

（5-8）式中，cosφ為負值，表明電路工作在逆變狀態(tài)。21三、逆變失敗的原因逆變失?。孀冾嵏玻耗孀冞\行時，一旦發(fā)生換相失敗，外接的直流電源會通過晶閘管電路形成短路，或者直流電動勢和變頻器的輸出平均電壓順向串聯(lián)，形成很大的短路電流。逆變失敗的原因：⑴觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延遲、脈沖次序顛倒等，致使晶閘管不能正常換相，從而使交流電源電壓和直流電動勢順向串聯(lián)，形成短路。⑵晶閘管發(fā)生故障，應關斷時不能關斷，應導通時不能導通，造成逆變失敗。⑶交流電源發(fā)生缺相或突然消失，由于直流電動勢存在，晶閘管仍可導通，直流電動勢通過晶閘管電路而使電路短路。⑷換相的裕量角不足，引起換相失敗。22圖5-5

變壓器漏抗對逆變電路換相過程的影響當b>g時，換相結束時，晶閘管能承受反壓而關斷。

如果b<g時（從圖5-5右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關斷，而應關斷的晶閘管（VT1)不能關斷，最終導致逆變失敗。為了防止逆變失敗，逆變角β不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。

換相重疊角的影響23四、確定最小逆變角βmin的依據(jù)逆變時允許采用的最小逆變角β應等于βmin=δ+γ+θ‘（5-9）式中，δ為晶閘管的關斷時間tq折合的電角度；γ為換相重疊角；θ＇為安全裕量角。⑴晶閘管的關斷時間tq一般大的可達200～300us，對應的電角度為3.6°～5.4°⑵換相重疊角γ仍可用下式計算

（5-10）一般重疊角γ僅為15°～20°。24⑶安全裕量角θ‘考慮脈沖間隔的不均勻，電網(wǎng)電壓的波動對觸發(fā)電路的影響及溫度變化等因素的影響，一般取安全裕量角為10°。這樣，最小逆變角βmin一般取30°～35°。設計逆變電路時必須保證β≥βmin，因此在觸發(fā)電路中會附加一個保護環(huán)節(jié)，使脈沖不進入小于βmin的區(qū)域內(nèi)。

25第三節(jié)無源逆變電路一、逆變電路的基本工作原理無源逆變電路二、換流方式分類26一、逆變電路的基本工作原理許多情況下不加說明時，逆變電路一般多指無源逆變電路。以圖5-6的單相橋式逆變電路為例，圖中S1～S4是橋式電路的4個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。27S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負直流交流28改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同t1前：S1、S4通，uo和io均為正t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向

io從電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大過程分析：29二、換流方式分類換流——電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相開通：適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使其開通關斷：全控型器件可通過門極關斷半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷研究換流方式主要研究如何使器件關斷本部分換流及換流方式問題最為全面集中,因此在本部分講述301.器件換流2.電網(wǎng)換流3.負載換流利用全控型器件的自關斷能力進行換流（DeviceCommutation）（LineCommutation）由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路不需器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加元件（LoadCommutation）由負載提供換流電壓稱為負載換流負載電流相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現(xiàn)負載換流4.強迫換流（ForcedCommutation）設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流,通常利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，也稱為電容換流總共有四種換流方式1.器件換流2.電網(wǎng)換流3.負載換流4.強迫換流換流方式分類31負載換流逆變電路：采用晶閘管負載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性電容為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入直流側串入大電感Ld，id基本沒有脈動圖5-7

負載換流電路及其工作波形

討論：32圖5-7

負載換流電路及其工作波形

工作過程:4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流基本呈矩形波負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uot1時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成33強迫換流逆變電路直接耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流——由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓圖5-8

直接耦合式強迫換流原理圖VT通態(tài)時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關斷——通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流兩種電感耦合式強迫換流：圖5-9a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關斷圖5-9b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關斷圖5-9電感耦合式強迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關斷的換流也叫電壓換流（圖5-8）先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加

反壓的換流叫電流換流34器件換流——適用于全控型器件其余三種方式——針對晶閘管器件換流和強迫換流——屬于自換流電網(wǎng)換流和負載換流——外部換流當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅換流方式小結35第四節(jié)電壓型和電流型逆變器1一、電壓型和電流型逆變器的特點2二、三相電壓型逆變電路3三、單相電流型逆變電路4四、三相電流型逆變電路36一、電壓型和電流型逆變器的特點逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路電流型逆變電路或電流源型逆變電路電壓型逆變電路的特點(1)

直流側為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側電壓基本無脈動(2)

輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同(3)

阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管37電流型逆變電路主要特點(1)

直流側串大電感，相當于電流源(2)

交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同(3)

直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極管電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多換流方式有負載換流、強迫換流38三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應用最廣的是三相橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變電路組成圖5-10三相電壓型橋式逆變電路180°導電方式每橋臂導電180°，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120°任一瞬間有三個橋臂同時導通每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流圖中VD1~VD6是負載向直流側反饋能量的通道，故稱為反饋二極管；又因為VD1~VD6起著使負載電流連續(xù)的作用，因此稱為續(xù)流二極管。

二、三相電壓型逆變電路39圖5-11電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負載各相到電源中點N'的電壓：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2

負載線電壓(5-11)

負載相電壓(5-12)波形分析40負載中點和電源中點間電壓(5-13)利用式(5-12)和(5-14)可繪出uUN、uVN、uWN波形負載已知時，可由uUN波形求出iU波形一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似橋臂1、3、5的電流相加可得直流側電流id的波形，id每60°脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側向直流側傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點(5-14)負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是

411.輸出線電壓輸出線電壓有效值基波幅值基波有效值(5-22)(5-20)(5-21)定量分析uUV展開成傅里葉級數(shù)式中：422.負載相電壓uUN展開成傅里葉級數(shù)得負載相電壓有效值基波幅值基波有效值(5-18)(5-16)(5-17)防止同一相上下兩橋臂開關器件直通采取“先斷后通”的方法式中：43電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路一般在直流側串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源實例之一：電流型三相橋式逆變電路

吸收換流時負載電感中存貯的能量三、單相電流型逆變電路44電流型逆變電路主要特點(1)

直流側串大電感，相當于電流源(2)

交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同(3)

直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極管電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多換流方式有負載換流、強迫換流45圖5-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路

4橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT，用來限制晶閘管開通時的di/dt1、4和2、3以1000~2500Hz的中頻輪流導通，可得到中頻交流電采用負載換相方式，要求負載電流略超前于負載電壓負載一般是電磁感應線圈，加熱線圈內(nèi)的鋼料，R和L串聯(lián)為其等效電路因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)CC和L、R構成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波因基波頻率接近負載電路諧振頻率，故負載對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓波形接近正弦（一）電路構成46圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形

（二）工作原理與波形分析

一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導通階段和兩個換流階段t1~t2：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段，iｏ=Id，t2時刻前在C上建立了左正右負的電壓t2~t4：t2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進入換流階段LT使VT1、VT4不能立刻關斷，電流有一個減小過程VT2、VT3電流有一個增大過程4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到Ct=t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結束t4－t2=tg

稱為換流時間io在t3時刻，即iVT1=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點47保證晶閘管的可靠關斷（圖5-13）晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tbtb=t5-t4應大于晶閘管的關斷時間tq圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形

48為保證可靠換流應在uo過零前td=t5-t2時刻觸發(fā)VT2、VT3td為觸發(fā)引前時間

(5-23)io超前于uo的時間

(5-24)表示為電角度(5-25)w為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對應的電角度49

忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)

(5-26)基波電流有效值

(5-27)負載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）

(5-28)（三）數(shù)值分析50實際工作過程中，感應線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應負載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式自勵方式存在起動問題，解決方法：先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉入自勵方式附加預充電起動電路，即預先給電容器充電，起動時將電容能量釋放到負載上，形成衰減振蕩，檢測出振蕩信號實現(xiàn)自勵。51四、三相電流型逆變電路電流型三相橋式逆變電路的輸出波形

波形分析輸出電流波形和負載性質(zhì)無關，正負脈沖各120°的矩形波輸出電流和三相橋整流帶大電感負載時的交流電流波形相同，諧波分析表達式也相同輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關，大體為正弦波輸出交流電流的基波有效值電流型三相橋式逆變電路（采用全控型器件）基本工作方式是120°導電方式—每個臂一周期內(nèi)導電120°每時刻上下橋臂組各有一個臂導通，橫向換流52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機調(diào)速系統(tǒng)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°導電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體相同強迫換流方式，電容C1~C6為換流電容圖5-14串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

53電容器充電規(guī)律：等效換流電容概念：分析從VT1向VT3換流時，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容，（見圖5-14）圖5-15換流過程各階段的電流路徑對共陽極晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零換流過程分析54從VT1向VT3換流的過程:假設換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負恒流放電階段

t1時刻觸發(fā)VT3導通，VT1被施以反壓而關斷Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負載、W相負載、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uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時間大于tq就能保證關斷55從VT1向VT3換流的過程:假設換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負二極管換流階段t2時刻uC13降到零，之后C13反向充電。忽略負載電阻壓降，則二極管VD3導通，電流為iV，VD1電流為iU=Id-iV，VD1和VD3同時通，進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時刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關斷，二極管換流階段結束

t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導通階段56電感負載時，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形uC1的波形和uC13完全相同，從UC0降為－UC0C3和C5是串聯(lián)后再和C1并聯(lián)的，電壓變化的幅度是C1的一半uC3從零變到-UC0，uC5從UC0變到零這些電壓恰好符合相隔120°后從VT3到VT5換流時的要求圖5-16串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形波形分析57第五節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）型逆變電路1一、概述2二、PWM控制的基本原理3三、脈寬調(diào)制型逆變電路及其控制方法58一、概述PWM（PulseWidthModulation）控制：就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM控制的思想源于通信技術，全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術的發(fā)展史上占有十分重要的地位。59PWM控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。早期的逆變電路所輸出的波形都是矩形波或六拍階梯波，這些波形含有較大的諧波成分，從而影響負載（尤其電動機負載）的工作性能。由于其優(yōu)良的性能，現(xiàn)在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是PWM逆變電路。除了全控器件未能及的大功率領域，不用PWM控制技術的逆變電路很少見了。60二、PWM控制的基本原理

（一）面積等效原理

方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f(t)d

(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同（一）面積等效原理61i(t)e(t)

實例以上實例說明了“面積等效原理”電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)62如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波（二）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）63如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波SPWM波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。64

對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：

根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。OwtUd-UdOwtUd-Ud65等幅PWM波不等幅PWM波輸入電源是恒定直流輸入電源是交流或不是恒定的直流直流斬波電路PWM逆變電路PWM整流電路斬控式交流調(diào)壓電路矩陣式變頻電路基于面積等效原理進行控制，本質(zhì)是相同的u0tEOwtUd-Ud66

PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波

PWM波形可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:

所需波形等效的PWM波基于“面積等效原理”67三、脈寬調(diào)制型逆變電路及其控制方法（一）調(diào)制法產(chǎn)生PWM波形計算法:根據(jù)PWM的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的周波數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。計算法很繁瑣，而且當希望輸出的正弦波頻率，幅值或相位變化時，結果都要變化。68調(diào)制法:把希望輸出的波形作調(diào)制信號，通過對此信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波采用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應用最多，因其任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱載波與平緩變化的調(diào)制信號相交，在交點時刻控制器件通斷，就得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。69結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明圖5-20單相橋式PWM逆變電路工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補控制規(guī)律：以uo正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo等于UdV4關斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0負載電流為負的區(qū)間，V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=UdV4關斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0uo總可得到Ud和零兩種電平uo負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平1、單相橋式PWM逆變電路70ur正半周，V1保持通，V2保持斷當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0圖5-21單極性PWM控制方式波形單極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷ur負半周，請同學們自己分析表示uo的基波分量動畫71雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負，其幅值只有±Ud兩種電平同樣在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制器件的通斷ur正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同當ur

>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud動畫72圖5-22雙極性PWM控制方式波形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圖5-21單極性PWM控制方式波形動畫73雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖5-23三相橋式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°下面以U相為例進行分析：2、三相橋式PWM型逆變電路動畫74圖5-24三相橋式PWM逆變電路波形圖5-23三相橋式PWM型逆變電路

當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN’=Ud/2當urU<uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN’=-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通uUN’、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1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=－Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成控制規(guī)律動畫75在上面討論中，我們認為逆變器中的開關器件為理想的開關，也就是說，它們的導通和關斷都隨著驅(qū)動信號同時地、無滯后地完成。而實際上，功率開關元件均不可能是理想開關，其導通和關斷都需要一定的時間。電壓型逆變電路中，同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定一般對BJT可選10～20μs，對IGBT為2～5μs。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。防直通的死區(qū)時間76

（二）規(guī)則采樣法自然采樣法：

按照SPWM控制的基本原理產(chǎn)生的PWM波的方法，其求解復雜，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多規(guī)則采樣法特點工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖5-25規(guī)則采樣法77圖5-25規(guī)則采樣法

規(guī)則采樣法原理三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷脈沖寬度d

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近78正弦調(diào)制信號波-----a稱為調(diào)制度，0≤a<1；-----wr為信號波角頻率從圖5-25得,(5-30)三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(5-31)規(guī)則采樣法計算公式推導79三角波載波公用，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(6-6)得

由式(6-7)得

利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算(5-32)(5-33)

三相橋逆變電路的情況80第六節(jié)三相電壓源型SPWM逆變器的仿真

三相電壓源型SPWM逆變器是在通用變頻器中使用最多的，用SIMULINK模塊仿真三相電壓源型SPWM逆變器很方便，使用模型庫的多功能橋模塊（UniversalBridge）和PWM脈沖發(fā)生器（PWMGenerator）就能實現(xiàn)。三相電壓源型SPWM逆變器的仿真模型如圖5-26所示。81SPWM逆變器模型的參數(shù)設置如圖5-27所示。對多功能橋設為三相橋臂，三相在輸出端，開關器件選擇IGBT。并在測量中選擇電壓和電流，以便多路測量器（Multimter）觀測IGBT承受的電壓和電流，為選擇IGBT參數(shù)提供依據(jù)。IGBT的驅(qū)動信號由PWM信號發(fā)生器產(chǎn)生，在發(fā)生器對話框中，選擇了內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制信號方式，當然也可以采用外調(diào)