三相电压源（一）课件.ppt

《三相电压源（一）课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相电压源（一）课件.ppt（20页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三节第三节 三相逆变器三相逆变器2第三节 三相逆变器3.1 三相电压源逆变器三相电压源逆变器（一）（一）三相电压源型方波逆变器三相电压源型方波逆变器（二）（二）三相电压源型三相电压源型SPWMSPWM逆变器基本原理逆变器基本原理（三）（三）SPWMSPWM波形生成技术波形生成技术（四）（四）双极性调制及逆变器输入电压双极性调制及逆变器输入电压（五）自然采样法（五）自然采样法（六）规则采样法（六）规则采样法（七）消除有限次谐波的（七）消除有限次谐波的PWMPWM调制方法调制方法（八）（八）VSRVSR空间矢量空间矢量PWMPWM控制控制（九）（九）过调制问题过调制问题3.2 三相电流源逆变器三

2、相电流源逆变器（一）三相（一）三相CSR PWM信号发生的二信号发生的二,三逻辑转换三逻辑转换（二）三值逻辑（二）三值逻辑PWM状态切换状态切换33.1 三相电压源逆变器图图6-21所示为三相电压所示为三相电压源型逆变器的基本电路。源型逆变器的基本电路。S1-S6采采GTO,GTR,IGBT,MOSFET等自断器件等自断器件,D1-D6是与是与S1-S6反并反并联的二极管联的二极管,其作用是为其作用是为感性负载提供续流回路。感性负载提供续流回路。图中图中L和和R为负载相电感为负载相电感和相电阻。和相电阻。41.180导电型由由图图6-22 6-22 可可以以看看到到，在在00tStS 和和S

3、S 及及S S 被被施施加加正正向向驱驱动动脉脉冲冲而而导导通通。负负载载电电流流经经S S 和和S S 被被送送到到a a和和c c相相绕绕组组；然然后后经经b b相相负负载载和和开开关关S S 流流回回电电源源。在在=时时刻刻，S S 的的驱驱动动脉脉冲冲下下降降到到0 0电电平平，S S 迅迅速速关关断断，由由于于感感性性负负载载电电流流不不能能突突变变，c c相相电电流流将将由由与与S S 反反并并联联的的二二极极管管D D 提提供供，c c相相负负载载电电压压被被钳钳位位到到0 0电电位位。其其他他两两相相电电流流通通路路不不变变。当当S S 被被关关断断时时，不不能能立立即即导导通

4、通S S，以以防防S S 没没完完全全关关断断而而出出现现同同一一桥桥臂臂的的两两个个元元件件S2S2、S5S5同同时时导导通通而而造造成成短短路路，必必须须保保证证在在一一段段时时间间T T，该该时时间间里里同同一一桥桥臂臂两两个个元元件件都都不不通通，称称之之为为死死区区时时间间或或互互锁锁延延迟迟时时间间。经经互互锁锁延延迟迟时时间间t t后后，与与S5S5同同一一桥桥臂臂的的下下部部元元件件S2S2被被施施加加正正向向驱驱动动脉脉冲冲而而导导通通。当当D2D2中中续续流流结结束束时时（续续流流时时间间取取决决于于负负载载电电感感和和电电阻阻值值），c c相相电电流流反反向向经经S2S2

5、流流回回电电源源。此此时时负负载载电电流流由由电电流流送送出出，经经S1S1和和a a绕绕负负载载，然然后后分分流流到到b b和和c c相负载，分别经相负载，分别经S4S4和和S2S2流回电源。流回电源。51.180导电型 理想情况下，每个开关元件和理想情况下，每个开关元件和与其反并联的二极管承受的电压为与其反并联的二极管承受的电压为直流电源电压直流电源电压U,电流为各相负载电流为各相负载电流。但由于线路分布电感和功率电流。但由于线路分布电感和功率器件结电容及二极管的反向恢复特器件结电容及二极管的反向恢复特性，会在功率开关开通和关断期间性，会在功率开关开通和关断期间形成尖峰电流和电压，严重时甚

6、至形成尖峰电流和电压，严重时甚至会超过功率元件的安全工作区而导会超过功率元件的安全工作区而导致损坏。致损坏。考虑到直流电压源中性点与考虑到直流电压源中性点与负载中点负载中点O联接，负载为星形联接，联接，负载为星形联接，输出电压波形如图输出电压波形如图6-23中的中的（a）（）（b）(c)所示，相电压可以所示，相电压可以用傅立叶级数表示如下：用傅立叶级数表示如下：61.180导电型73.1 三相电压源逆变器（一）三相电压源型方波逆变器（一）三相电压源型方波逆变器 在图在图6-21电路中，当控制信号为电路中，当控制信号为三相互差三相互差120的方的方波信号时，可以控制每个开关导通波信号时，可以控制

7、每个开关导通180（180导电型）或导电型）或120（120导电型）。导电型）。相邻两个功率元件的导通时间互差相邻两个功率元件的导通时间互差60。1.180导电型导电型l以以180180桥臂交替的纵向换流方式，各相开始导桥臂交替的纵向换流方式，各相开始导导导电方式即每一个桥臂的导通角为电方式即每一个桥臂的导通角为180180，同相上下电，同相上下电的时间依次相差的时间依次相差120120。81.180导电型线电压的傅立叶级数表达式为电压基波有效值为线电压平均值有效值线电压平均值有效值为有效值有效值为91.180导电型若负载采用星形联接，并且星形负载的中点o不与直流电源中心联接。在 区段，开关

8、,和 导通，其等效电路如图6-24所示，假设负载为阻性负载并且三相平衡，在此期间a相负载和c相负载处于并联状态，由于 ，所以a相和c相负载上电压为 ，而b相负载上电压为 同理，可以分析在 期间，a相负载上电压为 ，而b,c相负载上的电压为 当 期间,a b相负载上电压为 ，而c相负载上的电压 因此中点不联接是输出a相电压波形如图6-25所示。b和c相电压波形与此相同，仅相位滞后 和 ，其合成线电压波形与图6-23中（d）（e）（f）10 2.120导电型 采用采用120导电性时，每一个开关元器件通角为导电性时，每一个开关元器件通角为120，S1-S2一次以相隔一次以相隔60导通，逆变桥中任意时

9、刻都有两个功率管导通，工作安全可靠，不会导通，逆变桥中任意时刻都有两个功率管导通，工作安全可靠，不会发生同一桥臂两元件直通现象，此时输出相电压波形为发生同一桥臂两元件直通现象，此时输出相电压波形为120方波，其幅方波，其幅值为值为，合成线电压波形与课本图，合成线电压波形与课本图6-25形状相同，不同的是其台阶为形状相同，不同的是其台阶为 和和 Ud。相电压和线电压有效值。相电压和线电压有效值为为 和和，比，比180导电型有效值低。导电型有效值低。（二）三相电压源型SPWM逆变器基本原理在图在图6-21所示电路中，开关器件用所示电路中，开关器件用GTR,IGBT,MOSFET 等开关等开关频率较

10、高的功率器件。以频率较高的功率器件。以a相桥臂为例，在相桥臂为例，在 期间，对开关器件期间，对开关器件S1施加如图施加如图6-23（b）所示脉宽调制驱动波形，开关器件）所示脉宽调制驱动波形，开关器件S4驱动信驱动信号为号为0.在在 期间，对功率器件期间，对功率器件S4施加如图施加如图6-23（c）所示脉宽调制）所示脉宽调制波形，而波形，而S1驱动信号为驱动信号为0，即将图，即将图6-21中中6个功率器件驱动方波信个功率器件驱动方波信号置换为每半周期号置换为每半周期N个脉冲宽度按正弦波规律变化的系列方波信号，个脉冲宽度按正弦波规律变化的系列方波信号，即可构成三相电压型即可构成三相电压型SPWM逆

11、变器。与方波逆变器不同点是，在逆变器。与方波逆变器不同点是，在正弦波调制的半个周期内，方波逆变器是连续导通的，而正弦波调制的半个周期内，方波逆变器是连续导通的，而SPWM逆变器要分别导通和关断逆变器要分别导通和关断N次。次。11（二）三相电压源型SPWM逆变器基本原理在图在图6-21所示逆变电路中，假设三所示逆变电路中，假设三相负载按图所示为星形接法，星相负载按图所示为星形接法，星形中点形中点o不与直流电压源中点联接，不与直流电压源中点联接，则逆变器输出相电压如图则逆变器输出相电压如图6-26（a）所示。相电压为带有槽口）所示。相电压为带有槽口的阶梯波，其槽口的宽带和系列的阶梯波，其槽口的宽带

12、和系列脉冲的宽带均按正弦波规律变化。脉冲的宽带均按正弦波规律变化。线电压波形如图线电压波形如图6-26（b）所示，）所示，为分布在整个半周期内的脉宽调为分布在整个半周期内的脉宽调制波，其形状与驱动信号相同。制波，其形状与驱动信号相同。线电压线电压Uab在相位上超前相电压在相位上超前相电压Ua30。当采用三角波作载波，正。当采用三角波作载波，正弦波作为调制波时，由分析可知弦波作为调制波时，由分析可知输出电压输出电压Uab按图按图6-26所示相位，所示相位，其傅立叶级数表达式形式相同其傅立叶级数表达式形式相同。12（三）SPWM波形生成技术前面分析了以三角波作为载波，正弦波作为调制波的单级性前面分

13、析了以三角波作为载波，正弦波作为调制波的单级性SPWM调制原理，调制原理，给出了单相运行时输出电压波形（见图给出了单相运行时输出电压波形（见图6-27）。三角波和正弦波可以用模拟电）。三角波和正弦波可以用模拟电路产生。然而，用模拟电路产生调幅调频的正弦波非常复杂。为此，可采用路产生。然而，用模拟电路产生调幅调频的正弦波非常复杂。为此，可采用分频器和开关电容滤波器或直接微机产生调制信号分频器和开关电容滤波器或直接微机产生调制信号。如果将三角波换成锯齿。如果将三角波换成锯齿波，也可得到单沿调制的单级性波，也可得到单沿调制的单级性SPWM波形。波形。13（四）双极性调制及逆变器电压输出图图6-28给

14、出了三角波作为载波，其给出了三角波作为载波，其峰值为峰值为2Uc,即以等腰点作为中性点，即以等腰点作为中性点，幅值为正幅值为正Uc的对称三角波。图中，的对称三角波。图中，UmSint为为a相输出电压基波。当相输出电压基波。当采用图采用图6-21所示三相逆变器拓扑，所示三相逆变器拓扑，中性点中性点o与直流电压中点相连时，与直流电压中点相连时，其工作原理分析如下：在其工作原理分析如下：在ata1区间，区间，a相桥臂的上部元件相桥臂的上部元件S1导通，导通，在在a相绕组上施加的相电压值为相绕组上施加的相电压值为Ud/2，宽度为，宽度为a1-a0的方波。的方波。a1时时刻刻S1关断，下部功率元件关断，

15、下部功率元件S4导通，导通，a相绕组上施加的相电压为幅值相绕组上施加的相电压为幅值-Ud/2,宽度为宽度为a2-a1的方波。在调制的方波。在调制正弦波半周期中，正弦波半周期中，S1和和S4分别导分别导通和关断通和关断N/2次。其中载波比次。其中载波比N和和调制系数调制系数分别被定义为分别被定义为 N=14(四)双极性调制及逆变器电压输出式中式中 调制正弦波幅值调制正弦波幅值 载波信号峰值载波信号峰值式中式中 三角波频率三角波频率,输出基波频率，输出基波频率，由图由图6-28（a）可见，当正弦波电压）可见，当正弦波电压 瞬时值大于三角波瞬时值时，瞬时值大于三角波瞬时值时，功率元件功率元件 S1导

16、通而导通而 S4 阻断，反之亦然。阻断，反之亦然。为了调节输出电压频率，只需要调节调为了调节输出电压频率，只需要调节调制波频率。为了调节输出电压幅值，只需要调节调制波的幅度制波频率。为了调节输出电压幅值，只需要调节调制波的幅度。注意，输出。注意，输出a 相电相电压基波压基波 虽然和调制正弦波虽然和调制正弦波 具有相同的形式和频率，但其幅度却不相等，其幅具有相同的形式和频率，但其幅度却不相等，其幅度之比为：度之比为：式中式中 三角波信号峰值三角波信号峰值15（四）双极性调制及逆变器电压输出 比值比值K为功率开关放大器（逆变器）的电压放大倍数。按照式为功率开关放大器（逆变器）的电压放大倍数。按照式

17、6-34b对调制系数对调制系数的定义可知，在载波比的定义可知，在载波比N确定后，每半周脉冲个数随之确定，确定后，每半周脉冲个数随之确定，基准正弦调制波与三角波的交点时刻基准正弦调制波与三角波的交点时刻a1,a2,.,a2i-1,a2i,随调制系数随调制系数变变化，从而使输出脉宽随化，从而使输出脉宽随变化，达到了输出电压幅值调节的目的。变化，达到了输出电压幅值调节的目的。取取N为奇数，则输出电压基波半周期内脉冲电压个数为奇数，则输出电压基波半周期内脉冲电压个数i=(N-1)/2.根据根据图图6-28（b）所示波形，即）所示波形，即式中式中 图图6-28（a）中）中ua(t)可看作是一个幅值为可看

18、作是一个幅值为Ud/2的矩形波加上一个幅的矩形波加上一个幅值为值为2*Ud/2的负脉冲的起点和终点分别是的负脉冲的起点和终点分别是a1,a2,.a2i-1,a2i,16因此因此图图6-29所示为三角波所示为三角波Uc，调制正弦波，调制正弦波ur和和SPWM输出波输出波ua的关系图，以三的关系图，以三角波两个峰值之间为一个载波周期角波两个峰值之间为一个载波周期2，取该周期中点，即三角波正峰值时刻，取该周期中点，即三角波正峰值时刻为为t轴的轴的0点。设在该周期内点。设在该周期内ur和和Uc的交点时刻分别为的交点时刻分别为 1和和，则，则SPWM输输出波出波ua可表示为可表示为则则a相电压为相电压为

19、式中式中 n=1,3,5.，i=(N-1)/2 基波电压基波电压 为为17式中式中 载波角频率，载波角频率，rad/s 把把 展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得：代入上式得到代入上式得到：18（四）双极性调制及逆变器输出电压上式（上式（6-43）中的）中的1和和2在三角载波的各周期中是不同的，为了求出在三角载波的各周期中是不同的，为了求出1和和2的一般表达式，设调制正弦波电压的一般表达式，设调制正弦波电压ur的一般表达式为的一般表达式为 Ur=t式中式中 为调制系数。为调制系数。由于根据式（由于根据式（6-34b）=Urm/Uc，Urm=Uc，在此处分析时取，在此处分析时取Uc=1,因此，因

20、此，调制正弦波幅值调制正弦波幅值=Urm。根据图根据图6-29，三角载波表达式为，三角载波表达式为 由于由于1和和2是三角波与调制波瞬时值相等处（两函数交点处是三角波与调制波瞬时值相等处（两函数交点处Uc=Ur时）的时）的ct值，因此由式（值，因此由式（6-44）和式（）和式（8-45）可得）可得 19（四）双极性调制及逆变器输出电压（四）双极性调制及逆变器输出电压由上式代入式（由上式代入式（6-43）中可得）中可得 将式（将式（6-47）代入式（）代入式（6-41）得）得式（式（6-48）中的第一项即为）中的第一项即为SPWM输出波形中的基波分量输出波形中的基波分量，第二项为，第二项为谐谐波

21、波，c为载波对应的角频率。为载波对应的角频率。在三相桥式在三相桥式SPWM逆变器中，各相输出端对直流电源中点的电压波逆变器中，各相输出端对直流电源中点的电压波 形完全相同，只是相位互差形完全相同，只是相位互差120设设a相和相和b相输出端相对直流电源中性点相输出端相对直流电源中性点的相电压基波分量分别为的相电压基波分量分别为Ua01和和Ub01，20则：则：则输出线电压基波分量：则输出线电压基波分量：由式（由式（6-49）可以看到，当调制系）可以看到，当调制系=1时，输出线电压基波时，输出线电压基波最大幅值为（）最大幅值为（）Ud,有效值为（有效值为（6/4）Ud,即即0.612Ud，对，对380V交流电机变频调速的应用则无法达到额定功率。交流电机变频调速的应用则无法达到额定功率。