第五章逆變技術(shù)5.1無(wú)源逆變?cè)?.2正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)5.3電壓空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)5.4三電平逆變器5.1無(wú)源逆變?cè)戆阎绷麟娔茏儞Q成交流電能的技術(shù)稱為逆變技術(shù)。逆變分為有源逆變和無(wú)源逆變。二者區(qū)別在于：交流側(cè)是否與交流電源連接。根據(jù)逆變器直流環(huán)節(jié)的電源性質(zhì)，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。5.1無(wú)源逆變?cè)?/p>

5.1.1逆變電路的基本工作原理◆當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。

◆改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。

◆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。5.1.2單相電壓型逆變電路1.單相橋式逆變電路四個(gè)橋臂，把橋臂T1和T4作為一對(duì)，橋臂T2和T3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，且兩對(duì)交替各導(dǎo)通180°單相橋式逆變電路

單相橋式逆變電路

單相半橋逆變電路

推挽式逆變電路

5.1.3三相電壓型逆變電路為了分析方便，畫(huà)成串聯(lián)的兩個(gè)電容器，并標(biāo)出了假想中點(diǎn)O，在大部分應(yīng)用中并不需要該中點(diǎn)。5.1.3三相電壓型逆變電路為得到大小相等、相位互差120°的三相正弦交流電流，首先需要得到相應(yīng)的三相交流正弦電壓。三相的上橋臂T1、T3、T5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次相差120°，三相的下橋臂T4、T6、T2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次相差120°。每相的上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，相位相差180°，T1～T6之間依次相差60°。這種控制方式稱為180°導(dǎo)通型。5.1.3三相電壓型逆變電路◆負(fù)載線電壓◆對(duì)于a相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，uao=Ud/2，當(dāng)T4導(dǎo)通時(shí)，uao=-Ud/2，uao的波形是幅值為Ud/2的矩形波，b、c兩相的情況和a相類(lèi)似。5.1.3三相電壓型逆變電路◆負(fù)載相電壓三式相加可得由于可得5.1.3三相電壓型逆變電路

◆

id

=ia+ib

+ic可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖h所示，可以看出id每隔60°脈動(dòng)一次。5.1.3三相電壓型逆變電路相電壓在每個(gè)周期中每60°發(fā)生一次電平變化，形成相電壓的六階梯波，也稱為六拍階梯波逆變器。5.2正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)由于脈寬調(diào)制逆變器輸出量中的諧波成分減少，改善了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)情況，消除電傳動(dòng)系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)的齒槽效應(yīng)，而且也使電動(dòng)機(jī)的損耗減少、效率提高。5.2.1SPWM調(diào)制理論基礎(chǔ)脈寬調(diào)制技術(shù)(PulseWidthModulation，PWM)調(diào)制的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即大小、形狀不相同的窄脈沖變量作用于慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，只要它們的沖量(即變量對(duì)時(shí)間的積分)相等，其作用效果基本相同。5.2.1SPWM調(diào)制理論基礎(chǔ)例：當(dāng)大小、形狀不同的四種窄脈沖電壓u(t)作用于R-L電路構(gòu)成的一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，只要四個(gè)窄脈沖電壓的沖量相等，輸出電流響應(yīng)i(t)就基本相同。5.2.1SPWM調(diào)制理論基礎(chǔ)在正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)中，由于逆變器的期望輸出是一正弦電壓波形，可以把一個(gè)正弦半波在時(shí)間軸上作N等分，把正弦曲線每一等分所包圍的面積都用一個(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來(lái)代替，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半波等效，而另外一個(gè)負(fù)半波也可用相同的方法等效代替。5.2.2SPWM的調(diào)制方法

單極性正弦脈寬調(diào)制?工作時(shí)T1和T2通斷互補(bǔ)，T3和T4通斷也互補(bǔ)。

?當(dāng)為電感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流比電壓滯后。單極性正弦脈寬調(diào)制

單極性正弦脈寬調(diào)制

單極性正弦脈寬調(diào)制在一個(gè)周期內(nèi)，PWM波形就由±

Ud和零三種電平構(gòu)成。缺點(diǎn)：控制邏輯復(fù)雜雙極性正弦脈寬調(diào)制

雙極性正弦脈寬調(diào)制

三相橋式SPWM逆變工作原理◆采用雙極性控制方式。

◆三相SPWM的調(diào)制特點(diǎn)是：a、b和c三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波uc，三相的調(diào)制信號(hào)ura、urb和urc依次相差120°。三相橋式SPWM逆變工作原理◆電路工作過(guò)程（a相為例）?當(dāng)ura>uc時(shí)，上橋臂T1導(dǎo)通，下橋臂T4關(guān)斷，則a相相對(duì)于直流電源中點(diǎn)o的輸出電壓uao=Ud/2。?當(dāng)ura<uc時(shí)，T4導(dǎo)通，T1關(guān)斷，則uao=-Ud/2。?T1和T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。?當(dāng)給T1(T4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是T1(T4)導(dǎo)通，也可能是二極管D1(D4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來(lái)決定。5.2.3載波比和調(diào)制度

5.2.4SPWM調(diào)制方式

1.異步調(diào)制5.2.4SPWM調(diào)制方式

5.2.4SPWM調(diào)制方式3.分段同步調(diào)制在實(shí)際的PWM逆變器調(diào)速中，將同步調(diào)制和異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，常采用分段同步調(diào)制方式，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比N恒定，始終為3的倍數(shù)和奇數(shù)，以保持輸出波形對(duì)稱，吸取了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。低速時(shí)吸取了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，采用異步調(diào)制，而在中高速段時(shí)，使N分段有級(jí)地減小，并將載波頻率限制在開(kāi)關(guān)管允許的頻率范圍內(nèi)。5.2.5SPWM波生成方法自然采樣法

2.規(guī)則采樣法

5.3電壓空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)

交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)間相量來(lái)表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量uA0，uB0，uC0

。5.3電壓空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)

A、B、C分別表示電機(jī)定子三相繞組在空間的軸線，它們?cè)诳臻g位置互差120°。三相定子相電壓

分別加在三相繞組上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量

5.3.1空間矢量的定義

三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為式中

us—

定子三相電壓合成空間矢量；

Is—

定子三相電流合成空間矢量；Ψs—

定子三相磁鏈合成空間矢量。

5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)2

弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量對(duì)于111與000這兩個(gè)工作狀態(tài)，稱之為零矢量，它們的幅值為0，也無(wú)相位，可認(rèn)為它們坐落在六邊形的中心點(diǎn)上。六邊形合成電壓矢量常用其輻射形式，如圖5-29所示，各個(gè)矢量之間可分為6個(gè)扇區(qū)(Ⅰ～Ⅵ)。5.3.4期望電壓空間矢量的合成與實(shí)現(xiàn)一個(gè)正十八邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)比正六邊形磁場(chǎng)更加逼近圓形磁場(chǎng)，正多邊形的邊數(shù)越多，越逼近圓，從而使磁鏈幅值恒定。這時(shí)三相逆變器的輸出一系列等幅不等寬的脈沖波，形成了電壓空間矢量控制的PWM逆變器，由于它間接控制了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以也稱磁鏈跟蹤控制的PWM逆變器。5.3.4期望電壓空間矢量的合成與實(shí)現(xiàn)

5.3.4期望電壓空間矢量的合成與實(shí)現(xiàn)

5.3.5基本電壓空間矢量的作用順序?yàn)闇p少開(kāi)關(guān)損耗，將基本電壓空間矢量作用順序的分配原則選定為：在每次開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變逆變器其中一相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。并且對(duì)零矢量在時(shí)間上進(jìn)行了平均分配，使產(chǎn)生的PWM對(duì)稱，從而有效地降低了PWM的諧波分量。5.3.6SVPWM的實(shí)施算法

5.4三電平逆變器采用12只IGBT器件(IPM，智能功率模塊)及6只鉗位二極管組成的帶中性點(diǎn)鉗位的電路，Ta1、Tb1、Tc1、Ta4、Tb4、Tc4為主管，Ta2、Ta3、Tb2、Tb3、Tc2、Tc3為輔管，輔管與DaP、DaN、DbP、DbN、DcP、DcN等6只鉗位二極管結(jié)合，可使輸出鉗位在0電平。5.4.1三電平的產(chǎn)生

5.4.2三電平空間電壓矢量

5.4.2三電平空間電壓矢量

5.4.2三電平空間電壓矢量由此看出，盡管有27個(gè)電壓空間矢量，但除去冗余的8個(gè)，還有19個(gè)，也就是圖中的19個(gè)點(diǎn)。27個(gè)電壓空間矢量分布在Ⅰ～Ⅵ6個(gè)扇區(qū)中，根據(jù)角度可判斷電壓矢量所在扇區(qū)。5.4.3傳統(tǒng)的三電平SVPWM控制算法1.三電平空間矢量的分解以大矢量(PNN)為起始沿逆時(shí)針每60°依次定義為扇區(qū)Ⅰ～Ⅵ，再將每個(gè)扇區(qū)正三角形區(qū)域劃分為4個(gè)小三角形5.4.3傳統(tǒng)的三電平SVPWM控制算法2.確定參考電壓矢量位置與輸出電壓矢量

5.4.