第5章 无源逆变电路pwm基础（西南交大电力电子—郭世明课件）.pdf

第五章 直交变频电路第五章 直交变频电路 第一节第一节SPWM SPWM 基础基础 脉宽调制是用高度相同，宽度不等的矩形脉冲列去脉宽调制是用高度相同，宽度不等的矩形脉冲列去 逼近一个所需要的电压或电流波形逼近一个所需要的电压或电流波形 幅值调制比：幅值调制比：正弦信号的幅值与三角波信号的幅值正弦信号的幅值与三角波信号的幅值 之比，用之比，用m ma a表示 频率调制比：频率调制比：三角波信号的频率与正弦信号的频率三角波信号的频率与正弦信号的频率 之比，用之比，用m mf f表示m mf f也称为载波比也称为载波比 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 单极性调制与双极性调制单极性调制与双极性调制 +1 - 1 单极性脉宽调制所得到的单极性脉宽调制所得到的PWMPWM信号有正、负和信号有正、负和0 0三种三种 电平双极性脉宽调制所得到的电平双极性脉宽调制所得到的PWMPWM信号只有正负信号只有正负 两种电平两种电平 异步调制与同步调制异步调制与同步调制 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 分段同步调制分段同步调制 将逆变器的工作频率范围划分为若干个频率段，在将逆变器的工作频率范围划分为若干个频率段，在 每个频率段保持频率调制比为常数。

每个频率段保持频率调制比为常数 201 10020304050601070 213345 6999 147 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 基频基频 开关频率开关频率 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 SPWMSPWM的算法的算法 自然采自然采样样法法和和规则规则采采样样法法 δδ u uc c u ut t -T/2-T/2+T/2+T/2 T T 0 0 δδ u uc c u ut t -T/2-T/2+T/2+T/2 T T 0 0 脉宽调制波形的脉宽调制波形的优化－选择优化－选择性的性的谐谐波波消除消除 适当改适当改变波形的宽度或变波形的宽度或开适当开适当宽度的宽度的“缺口缺口” 可以消可以消 除除波形波形中特定中特定的的谐谐波 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 tnUtu n m n ωωsin)( ∑ ∞ = 由付立叶级数由付立叶级数 ∫ = π ωω π 0 )(sin)2/( 2 ttdnUU dnm 要要消除某次谐消除某次谐波，波，使该次谐使该次谐波电压的波电压的积积分为分为零即零即 可可从积从积分的分的意义上看意义上看，，就就是是使谐使谐波波面积面积为为零零。

例例 如原如原波形波形中中有有3 3次次和和5 5次次，若，若改改变脉冲宽度变脉冲宽度则消除了则消除了3 3 次次、、5 5次次 这这种种方方法不法不能能同同时消除几时消除几个个谐谐波波 ωωt 0 ππ 2ππ ωωt ωωt 0 ππ 2ππ ωωt 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 ψψ ωωt 0 ππ 2ππ ωωt ωωt ββ 另另一种一种理解方理解方法法: :为为消除谐消除谐波，波，注入注入一个一个大小大小相等相相等相 位位相相反反的的谐谐波，波，则原则原波形波形中中的的谐谐波波被抵消被抵消在图图示示 波形波形中中，为，为消除消除5 5次次，需要，需要注入注入一个一个反反相的相的5 5次次交交 流脉冲流脉冲中中有有5 5次次分分量量若两个波形若两个波形叠叠 谐谐波方方波波中谐中谐波的幅值是：波的幅值是： 加加，，5 5次就被消除次就被消除波 形形叠加叠加的的结果就结果就是在是在原原 波形波形上上“开开”了了一个一个 “槽槽”所以通过开沟槽以通过开沟槽 能够消除谐能够消除谐波当当在在原原 波形波形上开上开一个一个槽时根据槽时根据 付立叶级付立叶级数分数分析析只只消除消除 某某一一次次 d U nπ 2 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 而脉冲宽度为β、脉冲中心距方波的边缘为ψ度的而脉冲宽度为β、脉冲中心距方波的边缘为ψ度的 交流脉冲的幅值是：交流脉冲的幅值是： 2 sin 4β π n U n d 则对应则对应的的n n次谐次谐波将波将被消除被消除。

由此可由此可得到得到计计算脉冲算脉冲 的宽度的宽度ββ的的公式公式：： 当当 2 sin 44β ππ n U n U n dd = 成立成立 5 . 0 2 sin= βn 交交流脉冲的流脉冲的中心必须位于距方中心必须位于距方波波过零点起过零点起算的、算的、 所需所需消除消除的的谐谐波的波的四四分之一分之一周期处周期处，，即即：： n2 π ψ= 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 ωωt 0 ππ 2ππ uo Ud/2 - Ud/2 αα1α α2 ππ- αα1 ππ- αα2 Ud/2 - Ud/2 Ud - Ud 同同样样，若要同，若要同时消除时消除两个两个 电压电压谐谐波，波，应当应当在在原原波形波形 上开上开二二个个槽槽或增增加加二二个个 与与原原波形极性相波形极性相反反的负脉的负脉 冲适当适当地地选择选择负脉冲的负脉冲的 宽度和宽度和位位置置就可消除这就可消除这两两 个个谐谐波电压 规则规则：在：在方方波波上上每每开开一个一个 槽可消除槽可消除一个一个特定特定的的谐谐 波 开槽开槽后会后会基波基波成成份降低份降低, ,使使 其它其它高高次谐次谐波的幅值波的幅值增增 大大。

仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 tnUtu n m n ωωsin)( ∑ ∞ = ∫∫ ∫ += = 2 1 1 )(sin)(sin[ )(sin)2/( 2 0 0 α α α π ωωωω π ωω π ttdnttdn U ttdnUU d dnm ] )(sin)(sin)(sin 1 12 2 2 ∫∫∫ − − − − +++ π απ απ απ απ α ωωωωωωttdnttdnttdn      +− = n nn U d 21 cos2cos212αα π 由付立叶级由付立叶级数数 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 为消除3、5次谐波令U为消除3、5次谐波令U3m 3m=0和U =0和U5m 5m=0： =0： 05cos25cos21 03cos23cos21 21 21 =+− =+− αα αα 联立方程组可得到特定的角度值联立方程组可得到特定的角度值αα1 1=23.62°和=23.62°和 αα2 2=33.3°采用这种方法可以用较低的开关频率=33.3°采用这种方法可以用较低的开关频率 去掉不希望的低次谐波去掉不希望的低次谐波。

这种方法的优点是可以有效地抑制和消除低次谐这种方法的优点是可以有效地抑制和消除低次谐 波增加滤波器不是有效的方法）它特别适合波增加滤波器不是有效的方法）它特别适合 在UPS（不间断电源），电力牵引用的逆变器等场在UPS（不间断电源），电力牵引用的逆变器等场 合应用 仅内部使用 郭小舟老师仅内部使用 郭小舟老师 第二节电压型脉宽调制逆变电路第二节电压型脉宽调制逆变电路 Z Z - - u uO O T T1 1 T T2 2 U Ud d D D1 1 D D2 2 y y x x + + + + - - U Ud d/2/2 U Ud d/2/2 + + - - i io o - - T2 T1 comp u uc c T1 T2 u ut t inv ωωt Ud/2 - Ud/2 uo T2 T1 ωωt Ud/2 - Ud/2 uo 1 1单相单相半桥半桥PWMPWM逆变电逆变电路路分分析析 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 ωωt Ud/2 - Ud/2 uo D2 T2 D1 T1 设设负载为电负载为电阻阻电电感感性由由半桥半桥的的知识知识可可推出推出：： VoVo为正：为正：T T1 1或或D1D1导导通通。

电流正电流正时时为为T T1 1通通负为负为D D1 1通通 VoVo为负：为负：T T2 2或或D D2 2导导通通电流正时时为为D D2 2通通负为负为T T1 1通通 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 这样得到了单相半桥PWM逆变电路工作时各个开关这样得到了单相半桥PWM逆变电路工作时各个开关 的工作情况对半桥电路任何时刻只有一个开关的工作情况对半桥电路任何时刻只有一个开关 导通负载电流为正时，总是T导通负载电流为正时，总是T1 1或D或D2 2工作，相反负工作，相反负 载电流为负时是T载电流为负时是T2 2或D或D1 1工作 输出电压输出电压u uo o的基波分量的基波分量 tm U t U UU u a d t cmd o11)1 ( sin 2 sin 2 ωω== 输出输出电压电压u uo o的的谐谐波分波分布布的的规规律律是是 1 )(fkjmf fh ±= J J为为偶偶数数时时k k取奇取奇数，数， j j为为奇奇数数时时k k取偶取偶数上式上式表表 明明，，谐谐波分波分量量总总是是以以三角波频率三角波频率及其倍及其倍数数m mf f，，2m2mf f，， 3m3mf f…为为中心中心频率，形频率，形成边成边带带。

仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 2mf+1 1 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 mf mf+2 2mf3mf 2mf+3 3mf+2 3mf+4 3 3 单相单相桥桥PWMPWM逆变电逆变电路路分分析析 单极性单极性控控制制 单极性单极性控控制是用一制是用一条条等等腰腰三角波与三角波与二条二条幅值与频率幅值与频率 相同、相同、但但相相位位相相差差180180度的度的二条二条正弦波正弦波进行进行比比较较，， 分分别别得到两个得到两个桥臂桥臂开开关关的的通通断断时时刻刻 在在输出输出电压的电压的半周内半周内，电压极性只在一个极性，电压极性只在一个极性方方向向 变变化化故故称称“单极性单极性控控制制” 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 INVCOMP u uc+ c+ T1 T4 INVCOMP u uc- c- T2 T3 u ut t Z Z + + u uO O T T1 1T T2 2 T T3 3T T4 4 U Ud d D D1 1D D2 2 D D3 3D D4 4 x x y y - - uc+uc- ut uO T1 T4 T2 T3 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 + + u uO O T T1 1 U Ud d x x y y- - T T3 3 + + u uO O D D1 1 U Ud d x x y y- - D D3 3 + + u uO O T T2 2 U Ud d x x y y - - T T4 4 + + u uO O D D2 2 U Ud d x x y y - - D D4 4 电电路路中可能中可能出现出现的工作的工作模模式式。

其其中中非非零零\ \零零各各4 4种种 + + u uO O T T4 4 x xy y- - D D3 3 + + u uO O D D4 4 x xy y- - T T3 3 + + u uO O D D1 1 x xy y - - T T2 2 + + u uO O T T1 1 x xy y - - D D2 2 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 D4 T4 D3 T3 D2 T2 D1 T1 uX uY uO iO id 仅内部使用仅内部使用 郭小舟老师郭小舟老师 在区域A1，T在区域A1，T3 3T T4 4为导通信号，因i为导通信号，因io o为负故D为负故D3 3T T4 4导通 在A2，T在A2，T1 1T T3 3为on信号，但i为on信号，但io o为负故D为负故D1 1D D3 3导通 在A3，T在A3，T1 1T T2 2为on信号，i为on信号，io o。