第五章 直流-交流变换器

第五章DC-AC变换电路第五节脉宽调制（PWM）型逆变电路第四节电压型和电流型逆变器第三节无源逆变电路第二节有源逆变应用电路第一节有源逆变的基本原理内容提要与目的要求

第六节三相电压源型SPWM逆变器的仿真1内容提要与目的要求掌握逆变的概念和逆变的条件；掌握三相有源逆变电路的波形及计算；了解逆变失败的原因及最小逆变角的限制；了解变流电路的换流方式；2掌握电压型逆变电路和电流型逆变电路的特点；掌握三相电压型逆变电路、单相并联谐振式逆变电路及串联二极管式电流型逆变电路的工作原理及换流方式；掌握PWM控制方式的理论基础及脉宽调制型逆变电路的控制方式；了解规则采样法的计算方法。重点：三相桥式逆变电路的原理与参数、脉宽调制和谐波消除方法。有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。3定义将直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程称为逆变（Invertion）。把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。4有源逆变定义：当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变。有源逆变电路是将直流电功率返送回电网。用途：有源逆变电路常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速及高压直流输电等场合。5无源逆变定义：当交流侧直接与负载相连，称为无源逆变。无源逆变是将直流电变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。用途：无源逆变电路常用于交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等场合。此外，它还常用于将蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源逆变为交流电供给交流负载。6第一节有源逆变的基本原理1一、电能的交换2二、有源逆变的条件7一、电能的交换对于整流电路而言，当其满足一定的条件，则可工作于有源逆变状态。将这种既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的整流电路称为变流电路（Convertor）。

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图5-1aM电动运转，EG>EM，电流Id从G流向M，M吸收电功率。RΣ为主回路总电阻。由于Id和EG同方向，与EM反方向，因此G输出电功率PG=EG·Id，电能由G流向M，M吸收功率PM=EM·Id，再转变为机械能，RΣ上是热耗。图5-1b回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG，电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。图5-1c两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率，由于R一般都很小，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。åå9由上述分析，可以得出如下结论：①两电源同极性相连时，电流总是从电势高的流向电势低的。电流大小取决于电势差和回路电阻。②与电流同方向的电动势输出功率，而与电流反方向的电动势吸收功率。③两电源反极性相连时形成短路，应严防发生。10以单相全波电路给直流电动机负载供电为例

图2-45a

M电动运行，全波电路工作在整流状态，

在0~/2间，Ud为正值，并且Ud

>EM，才能输出Id。交流电网输出电功率电动机输入电功率电动机输出电功率交流电网输入电功率

图5-2bM回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM

|>|Ud

|，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。

Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在/2~间二、有源逆变的条件11从上述分析可归纳出产生逆变的条件有二：①外部条件：要有直流电动势，其极性与晶闸管的导通方向一致，其值应大于直流侧平均电压；②内部条件：要求晶闸管的控制角α＞π/2，使Ud为负值。两者必须同时具备才能实现有源逆变状态。必须注意：半控桥或带续流二极管的变流电路，由于其整流电压Ud不会出现负值，也不允许直流侧有负极性的电动势，因此不能实现逆变。12第二节有源逆变应用电路有源逆变应用电路四、确定最小逆变角βmin的依据三、逆变失败的原因一、逆变时的波形二、参数计算13逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角不同

0<<p

/2

时，电路工作在整流状态。

p

/2<

<

p时，电路工作在逆变状态。可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。把a>p/2时的控制角用p-

=b表示，b称为逆变角。逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。所以＋b

=p。14一、逆变时的波形1、三相半波逆变波形（图5-3波形）α＜π/2的范围内，Ud波形的正面积大于负面积，则Ud＞0，工作在整流状态，Id从Ud的正端流出，电网输出功率。α=π/2时，Ud的正面积等于负面积，处于临界状态。α＞π/2的范围内，Ud波形的正面积小于负面积，则Ud＜0，工作在逆变状态，Id从Ud的负端流出，电网输入功率。由晶闸管VT1两端的电压波形可以看出，在整流状态，晶闸管阻断时主要承受反向电压，而在逆变状态，晶闸管阻断时主要承受正向电压。152、三相全控桥式电路逆变波形三相全控桥式变流电路当满足相应条件时就可工作于有源逆变状态，此时其对脉冲的要求和整流时相同。图5-4给出了不同逆变角时输出电压波形，晶闸管两端波形与图5-3类同。16二、参数计算1、输出电压平均值计算输出电压平均值的近似计算和整流时一样。（5-1）式中Udo表示α=0°时的输出电压平均值三相半波变流电路Udo=1.17U2三相全控桥式变流电路Udo=2.34U2。

172、电流计算输出电流平均值亦可用整流的公式，即（5-2）在逆变状态时，Ud、EM的极性和整流时相反，均为负值。每个晶闸管导通2π/3，因此流过每个晶闸管的电流平均值、有效值分别为：（设Id波形平直连续）（5-3）（5-4）18变压器二次侧电流的有效值为：三相半波电路（5-5）三相全控桥式电路（5-6）193、功率计算从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：（5-7）当逆变工作时，EM、Ud均为负值，故Pd也为负值，表示功率由直流电动势流向交流电源。204、逆变时的功率因素

（5-8）式中，cosφ为负值，表明电路工作在逆变状态。21三、逆变失败的原因逆变失败（逆变颠覆）：逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源会通过晶闸管电路形成短路，或者直流电动势和变频器的输出平均电压顺向串联，形成很大的短路电流。逆变失败的原因：⑴触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延迟、脉冲次序颠倒等，致使晶闸管不能正常换相，从而使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成短路。⑵晶闸管发生故障，应关断时不能关断，应导通时不能导通，造成逆变失败。⑶交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电动势存在，晶闸管仍可导通，直流电动势通过晶闸管电路而使电路短路。⑷换相的裕量角不足，引起换相失败。22图5-5

变压器漏抗对逆变电路换相过程的影响当b>g时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。

如果b<g时（从图5-5右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。为了防止逆变失败，逆变角β不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。

换相重叠角的影响23四、确定最小逆变角βmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角β应等于βmin=δ+γ+θ‘（5-9）式中，δ为晶闸管的关断时间tq折合的电角度；γ为换相重叠角；θ＇为安全裕量角。⑴晶闸管的关断时间tq一般大的可达200～300us，对应的电角度为3.6°～5.4°⑵换相重叠角γ仍可用下式计算

（5-10）一般重叠角γ仅为15°～20°。24⑶安全裕量角θ‘考虑脉冲间隔的不均匀，电网电压的波动对触发电路的影响及温度变化等因素的影响，一般取安全裕量角为10°。这样，最小逆变角βmin一般取30°～35°。设计逆变电路时必须保证β≥βmin，因此在触发电路中会附加一个保护环节，使脉冲不进入小于βmin的区域内。

25第三节无源逆变电路一、逆变电路的基本工作原理无源逆变电路二、换流方式分类26一、逆变电路的基本工作原理许多情况下不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路。以图5-6的单相桥式逆变电路为例，图中S1～S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。27S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负直流交流28改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同t1前：S1、S4通，uo和io均为正t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向

io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大过程分析：29二、换流方式分类换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相开通：适当的门极驱动信号就可使其开通关断：全控型器件可通过门极关断半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断研究换流方式主要研究如何使器件关断本部分换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本部分讲述301.器件换流2.电网换流3.负载换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）（LineCommutation）由电网提供换流电压称为电网换流可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件（LoadCommutation）由负载提供换流电压称为负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流4.强迫换流（ForcedCommutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流,通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流总共有四种换流方式1.器件换流2.电网换流3.负载换流4.强迫换流换流方式分类31负载换流逆变电路：采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动图5-7

负载换流电路及其工作波形

讨论：32图5-7

负载换流电路及其工作波形

工作过程:4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成33强迫换流逆变电路直接耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压图5-8

直接耦合式强迫换流原理图VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断——通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流两种电感耦合式强迫换流：图5-9a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-9b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断图5-9电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-8）先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加

反压的换流叫电流换流34器件换流——适用于全控型器件其余三种方式——针对晶闸管器件换流和强迫换流——属于自换流电网换流和负载换流——外部换流当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭换流方式小结35第四节电压型和电流型逆变器1一、电压型和电流型逆变器的特点2二、三相电压型逆变电路3三、单相电流型逆变电路4四、三相电流型逆变电路36一、电压型和电流型逆变器的特点逆变电路按其直流电源性质不同分为两种电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路电压型逆变电路的特点(1)

直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2)

输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3)

阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管37电流型逆变电路主要特点(1)

直流侧串大电感，相当于电流源(2)

交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同(3)

直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多换流方式有负载换流、强迫换流38三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成图5-10三相电压型桥式逆变电路180°导电方式每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°任一瞬间有三个桥臂同时导通每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流图中VD1~VD6是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为VD1~VD6起着使负载电流连续的作用，因此称为续流二极管。

二、三相电压型逆变电路39图5-11电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2

负载线电压(5-11)

负载相电压(5-12)波形分析40负载中点和电源中点间电压(5-13)利用式(5-12)和(5-14)可绘出uUN、uVN、uWN波形负载已知时，可由uUN波形求出iU波形一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点(5-14)负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是

411.输出线电压输出线电压有效值基波幅值基波有效值(5-22)(5-20)(5-21)定量分析uUV展开成傅里叶级数式中：422.负载相电压uUN展开成傅里叶级数得负载相电压有效值基波幅值基波有效值(5-18)(5-16)(5-17)防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通”的方法式中：43电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源实例之一：电流型三相桥式逆变电路

吸收换流时负载电感中存贮的能量三、单相电流型逆变电路44电流型逆变电路主要特点(1)

直流侧串大电感，相当于电流源(2)

交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同(3)

直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多换流方式有负载换流、强迫换流45图5-12单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt1、4和2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，R和L串联为其等效电路因功率因数很低，故并联CC和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦（一）电路构成46图5-13并联谐振式逆变电路工作波形

（二）工作原理与波形分析

一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程VT2、VT3电流有一个增大过程4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到Ct=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束t4－t2=tg

称为换流时间io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点47保证晶闸管的可靠关断（图5-13）晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tbtb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq图5-13并联谐振式逆变电路工作波形

48为保证可靠换流应在uo过零前td=t5-t2时刻触发VT2、VT3td为触发引前时间

(5-23)io超前于uo的时间

(5-24)表示为电角度(5-25)w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度49

忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数

(5-26)基波电流有效值

(5-27)负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降）

(5-28)（三）数值分析50实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式固定工作频率的控制方式称为他励方式自励方式存在起动问题，解决方法：先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式附加预充电起动电路，即预先给电容器充电，起动时将电容能量释放到负载上，形成衰减振荡，检测出振荡信号实现自励。51四、三相电流型逆变电路电流型三相桥式逆变电路的输出波形

波形分析输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波输出交流电流的基波有效值电流型三相桥式逆变电路（采用全控型器件）基本工作方式是120°导电方式—每个臂一周期内导电120°每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流52串联二极管式晶闸管逆变电路主要用于中大功率交流电动机调速系统电流型三相桥式逆变电路各桥臂的晶闸管和二极管串联使用120°导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容图5-14串联二极管式晶闸管逆变电路

53电容器充电规律：等效换流电容概念：分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容，（见图5-14）图5-15换流过程各阶段的电流路径对共阳极晶闸管，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换流过程分析54从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负恒流放电阶段

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55从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负二极管换流阶段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56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－UC0C3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换流时的要求图5-16串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形波形分析57第五节脉宽调制（PWM）型逆变电路1一、概述2二、PWM控制的基本原理3三、脉宽调制型逆变电路及其控制方法58一、概述PWM（PulseWidthModulation）控制：就是对脉冲宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。59PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。早期的逆变电路所输出的波形都是矩形波或六拍阶梯波，这些波形含有较大的谐波成分，从而影响负载（尤其电动机负载）的工作性能。由于其优良的性能，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。除了全控器件未能及的大功率领域，不用PWM控制技术的逆变电路很少见了。60二、PWM控制的基本原理

（一）面积等效原理

方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f(t)d

(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同（一）面积等效原理61i(t)e(t)

实例以上实例说明了“面积等效原理”电路输入：e(t)电路输出：i(t)62如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波（二）正弦波脉宽调制（SPWM）63如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。64

对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：

根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。OwtUd-UdOwtUd-Ud65等幅PWM波不等幅PWM波输入电源是恒定直流输入电源是交流或不是恒定的直流直流斩波电路PWM逆变电路PWM整流电路斩控式交流调压电路矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的u0tEOwtUd-Ud66

PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波

PWM波形可等效的各种波形直流斩波电路直流波形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“面积等效原理”67三、脉宽调制型逆变电路及其控制方法（一）调制法产生PWM波形计算法:根据PWM的基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的周波数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。计算法很繁琐，而且当希望输出的正弦波频率，幅值或相位变化时，结果都要变化。68调制法:把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波的调制得到所期望的PWM波采用等腰三角波或锯齿波作为载波等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称载波与平缓变化的调制信号相交，在交点时刻控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。69结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明图5-20单相桥式PWM逆变电路工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补控制规律：以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于UdV4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=UdV4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0uo总可得到Ud和零两种电平uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平1、单相桥式PWM逆变电路70ur正半周，V1保持通，V2保持断当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0图5-21单极性PWM控制方式波形单极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur负半周，请同学们自己分析表示uo的基波分量动画71双极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同当ur

>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud动画72图5-22双极性PWM控制方式波形对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别图5-21单极性PWM控制方式波形动画73双极性PWM控制方式（三相桥逆变）图5-23三相桥式PWM型逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°下面以U相为例进行分析：2、三相桥式PWM型逆变电路动画74图5-24三相桥式PWM逆变电路波形图5-23三相桥式PWM型逆变电路

当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成控制规律动画75在上面讨论中，我们认为逆变器中的开关器件为理想的开关，也就是说，它们的导通和关断都随着驱动信号同时地、无滞后地完成。而实际上，功率开关元件均不可能是理想开关，其导通和关断都需要一定的时间。电压型逆变电路中，同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定一般对BJT可选10～20μs，对IGBT为2～5μs。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。防直通的死区时间76

（二）规则采样法自然采样法：

按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多规则采样法特点工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多图5-25规则采样法77图5-25规则采样法

规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断脉冲宽度d

和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近78正弦调制信号波-----a称为调制度，0≤a<1；-----wr为信号波角频率从图5-25得,(5-30)三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(5-31)规则采样法计算公式推导79三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为d’U、d’V和d’W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(6-6)得

由式(6-7)得

利用以上两式可简化三相SPWM波的计算(5-32)(5-33)

三相桥逆变电路的情况80第六节三相电压源型SPWM逆变器的仿真

三相电压源型SPWM逆变器是在通用变频器中使用最多的，用SIMULINK模块仿真三相电压源型SPWM逆变器很方便，使用模型库的多功能桥模块（UniversalBridge）和PWM脉冲发生器（PWMGenerator）就能实现。三相电压源型SPWM逆变器的仿真模型如图5-26所示。81SPWM逆变器模型的参数设置如图5-27所示。对多功能桥设为三相桥臂，三相在输出端，开关器件选择IGBT。并在测量中选择电压和电流，以便多路测量器（Multimter）观测IGBT承受的电压和电流，为选择IGBT参数提供依据。IGBT的驱动信号由PWM信号发生器产生，在发生器对话框中，选择了内产生调制信号方式，当然也可以采用外调