合肥工业大学 电力电子技术第十五讲第四章

1、电 力 电 子 技 术Power Electronics4.2.3.5 SPWM谐波及其特征使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。为了定量评价SPWM输出波形的品质，必须定量研究SPWM谐波及其特征。SPWM的波形调制包括同步调制和异步调制。考虑到同步调制是异步调制的特例，因此，这种双重傅立叶级数谐波分析法也同样适用于SPWM的同步调制。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2

2、.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.2.3.5 SPWM谐波及其特征 单相双极性SPWM谐波及其特征以载波角频率为基准并采用双重傅立叶级数谐波分析法，可以推导出单相电压型逆变器采用双极性SPWM控制时的输出电压谐波方程4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.

3、3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器 (4-42) m 相对于载波的谐波次数；N相对于调制波的谐波次数。当单相电压型逆变器采用双极性SPWM控制时，其基波幅值与调制度成正比，故通过调节正弦调制波的幅值就可以调节输出电压。 4.2.3.5 SPWM谐波及其特征 单相双极性SPWM谐波及其特征4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆

4、变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器当时，根据式(4-42)可画出单相电压型逆变器采用双极性SPWM控制时等于任意正整数时的频谱分布及谐波幅值与M的关系。其PWM波形中不含低次谐波，其谐波主要分布在载波角频率c以及2 c 、 3 c附近，并以载波角频率c附近的谐波幅值为最大。4.2.3.5 SPWM谐波及其特征单相单极性SPWM谐波及其特征以载波角频率为基准并采用双重傅立叶级数谐波分析法，可以推导出单相电压型逆变器采用单极性

5、SPWM控制时的输出电压谐波方程 4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器 (4-43)由式(4-43)可以画出单相电压型逆变器采用单极性SPWM控制时的频谱分布及谐波幅值与M的关系，如图4-45所示。 4.2.3.5 SPWM谐波及其特征单相单极性SP

6、WM谐波及其特征载波采用单极性三角波的单极性SPWM波形的谐波含量比载波采用双极性三角波的双极性SPWM波的谐波含量要小得多。 其PWM波形中不含低次谐波，其谐波主要分布在载波角频率c以及2 c 、 3 c附近，并以载波角频率c附近的谐波幅值为最大。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波

7、逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4-45 单相电压型逆变器单极性SPWM控制时的输出电压频谱4.2.3.5 SPWM谐波及其特征当m=1时，对同样的值，单极性SPWM波的谐波幅值，明显比双极性SPWM波的谐波幅值小。以上分析表明，相对于双极性SPWM而言，单极性SPWM具有更低的输出谐波 。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的

8、合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器单相单极性SPWM输出电压频谱单相双极性SPWM输出电压频谱4.2.3.5 SPWM谐波及其特征 三相SPWM谐波及其特征 对于三相电压型逆变器的SPWM控制，用与上述分析同样的方法可以求出逆变器输出线电压的方程式为 4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢

9、量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器 (4-44) 同理也可以求出uBC、 uCA的方程式。 4.2.3.5 SPWM谐波及其特征 三相SPWM谐波及其特征 与上述单相SPWM谐波及其特征相比较，其共同点就是均不含有低次谐波。所不同的是，三相电压型逆变器SPWM控制时，载波角频率c及其整数倍谐波全为零。谐波中幅值较高的谐波是c2 s以及2c s 。 4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压

10、型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图PWM逆变电路的多重化PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式利用电抗器联接的二重PWM逆变电路二重PWM型逆变电路 PWM逆变电路的多重化两个单元的载波信号错开180输出端相对于直流电源中点N的电压uUN=(uU1N+uU2N)/2，已变为单极性PWM波输出线电压共有0

11、、(1/2)Ud、Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少输出电压所含谐波角频率仍可表示为nc+kr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2c附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍二重PWM型逆变电路输出波形 PWM逆变电路的多重化移相PWM控制的基本思想是在多重化数为n的组合PWM系统中使用共同的调制波，并将各组中的三角载波相位相互错开2/n角度，利用PWM波形叠加产生移相PWM波形，从而成倍地提高系统等效开关频率，降低PWM谐波，改善输出波形。载波fr=7.5kHz，调制度为1时，输出电压波形和对应的谐波频谱 PWM逆变电路的多重化PWM逆变电路的多重化PWM逆变电路的多重化单H

12、桥输出电流波形3H桥级联输出电流波形PWM逆变电路的多重化PWM逆变电路的多重化4.4 电流型逆变器 电流型逆变器拓扑是逆变器另一类主要的拓扑结构。这类逆变器的直流侧以电感为能量缓冲元件，从而使其直流侧呈现出电流源特性。电流型逆变器有以下主要特点：直流侧有足够大的储能电感元件，从而使其直流侧呈现出电流源特性，即稳态时的直流侧电流恒定不变。逆变器输出的电流波形为方波或方波脉冲，并且该电流波形与负载无关。逆变器输出的电压波形则取决于负载，且输出电压的相位随负载功率因数的变化而变化。 逆变器输出电流的控制仍可以通过PAM （脉冲幅值调制）和PWM（脉冲宽度调制）两种基本控制方式来实现。4.1 概述

13、4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4 电流型逆变器 值得注意的是，电流型逆变器与电压型逆变器在结构上具有一定的对偶性，例如：电压型逆变器直流侧的储能元件为电容，而电流型逆变器直流侧的储能元件为电感；另外，电压型逆变器的的功率管旁有反向并联的续流二极管，而电流

14、型逆变器的功率管旁则一般有正向串联的阻断二极管（具有反向阻断能力的功率管除外，例如晶闸管）。与电压型逆变器类似，依据控制方式和结构的不同，电流型逆变器也可分为方波型、阶梯波型、正弦波型（PWM型）三类。下面主要讨论方波型、阶梯波型电流型逆变器。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器

15、 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.1 电流型方波逆变器 电流型方波逆变器按拓扑结构的不同可分为电流型单相全桥逆变器以及电流型三相桥式逆变器两类。也可以按电流型逆变器所采用功率器件的不同分为半控型和全控型两类。由于电流型逆变器尤其是大功率电流型方波逆变器仍有不少采用基于晶闸管的半控型结构，因此，除全控型结构外，以下讨论还将涉及到半控型电流型逆变器。 4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.

16、3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.1.1 单相全桥电流型方波逆变器 全控型单相全桥电流型方波逆变器为了使全控型功率器件具有足够的反向阻断能力，通常在每个功率管上正相串联一个二极管。另外，由于电流型逆变器的输出电流是基于功率器件通断直流侧电流的方波电流，因此，为了防止输出过电压，电流型逆变器的输出需要接入滤波电容。单相全桥电流型方波逆变器也可采用PAM（脉冲幅值调制）控制和SPM（单脉冲控制）两种控制方式。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆

17、变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器单相全桥电流型逆变器的主电路 b)方波驱动信号 4.4.1.1 单相全桥电流型方波逆变器 半控型单相全桥电流型方波逆变器结构功率器件为晶闸管基于晶闸管的半控型逆变器的换流可采用强迫换流和负载换流两种换流方式。当晶闸管逆变器采用强迫换流时，一般需增加强迫换流电路，从而使其结构复杂化。晶闸管逆变

18、器采用负载换流时，晶闸管的换流电压需要由负载提供，即要求负载电流相位超前负载电压相位，显然，这就要求负载为容性负载。 4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.1.1 单相全桥电流型方波逆变器 采用负载换流的晶闸管单相全桥电流型方波逆变器的电路结构

19、如图4-55a所示。图4-55a所示电路是中频感应加热的电流型逆变器电路。为了使输出电压波形近似为正弦波，将逆变器输出电路设计成并联谐振电路。另一方面，为了实现晶闸管逆变器的负载换流，这就要求负载为容性负载，因此其输出电路中的补偿电容设计应使负载电路工作在容性小失谐状态。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器

20、 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.1.2 三相全桥电流型方波逆变器 全控型三相全桥电流型方波逆变器与单相全桥电流型方波逆变器类似，三相全桥电流型方波逆变器可采用PAM控制和SPM两种控制方式。三相全桥电流型方波逆变器一般只采用120导电方式。采用120导电方式时，任何瞬间，三相全桥电流型变流器有且只有两个桥臂导电，此时三相全桥电流型变流器的三相输出只有两相输出电流，而两相的输出电流幅值必然一致。 4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压

21、型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器电路中的每个功率管上正相串联一个反向阻断二极管。4.4.1.2 三相全桥电流型方波逆变器 全控型三相全桥电流型方波逆变器三相全桥电流型变流器120导电方式时的相关波形如图4-56c所示。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电

22、压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.1.2 三相全桥电流型方波逆变器 半控型三相全桥电流型变流器电路采用了强迫换流方式，其中C1 C6为换流电容，VD1 VD6为串联二极管。电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零。由于晶闸管本身具有反向阻断能力，因此，图4-57所示电路中的串联二极管VD1 VD6其主要作用是为了阻断换流电容间的相互放电。图4-57所示电

23、路通常称为串联二极管式晶闸管逆变器。基于晶闸管的半控型三相全桥电流型方波逆变器仍采用120导电方式，其输出波形可参见图4-56c。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器图4-57晶闸管三相全桥（串联二极管式）电流型方波逆变器的电路结构 三相电流型逆变电

24、路分析从VT1向VT3换流的过程: 假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。 换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断。Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。三相电流型逆变电路t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。随着C13电压增高，充电电流渐

25、小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路波形分析右图为电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形。uC1的波形和uC13完全相同，从UC0降为UC0 。C3和C5是串联后再和C1并联的，电压变化的幅度是C1的一半。uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零。这些电压恰好符合相隔120后从VT3到VT5换流时的要求。4.4.2 电流型阶梯波逆变器 电流型阶梯波逆变器的拓扑结构主要包括直接并联多重叠加结构变压器移相多重叠加结构等4.1 概述 4.1.1逆变

26、器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.2.1 直接并联多重叠加的电流型阶梯波逆变器 多个电流型逆变器输出可直接并联。图4-59为两个三相电流型逆变器采用输出直接并联的多重叠加结构以及输出电流的叠加波形。4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.

27、1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.2.1 直接并联多重叠加的电流型阶梯波逆变器 电路采用了120导电方式的PAM移相叠加控制。功率管每60换向一次，可将PAM方波相位互相错开60/2=30角。这样，通过30角的移相叠加即得8阶梯波电流。对图4-59b所示的电流波形进行谐波分析可知：每相输出的120方波谐波电流

28、表达式为4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压型正弦波逆变器 4.3 空间矢量PWM控制 4.3.1三相VSR空间电压矢量分布 4.3.2空间电压矢量的合成4.4 电流型逆变器 4.4.1电流型方波逆变器 4.4.2电流型阶梯波逆变器4.4.2.1 直接并联多重叠加的电流型阶梯波逆变器 每相输出的120方波谐波电流表达式为4.1 概述 4.1.1逆变器的基本原理 4.1.2逆变器的分类 4.1.3逆变器的性能指标 4.2 电压型逆变器（VSI） 4.2.1电压型方波逆变器 4.2.2电压型阶梯波逆变器 4.2.3电压