第5章 PWM逆变器控制技术
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第五章直流交流(DCAC)变换.
第五章直流—交流（DC—AC）变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。
当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压左（+）、右（-），如图5-1（a）所示。
当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。
换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压，如图5-1（b）所示。
这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压，如图5-1（c）波形所示。
控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压幅值。
输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。
图5-1 DC—AC变换原理要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。
晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。
但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。
常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。
由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。
在交—直—交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。
根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：图5-4 电压源型逆变器图5-5 无功二极管的作用1．电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。
电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。
第5章 异步电动机电压-频率协调控制
对图5-2所示电压型逆变器A相电压uan进行傅立叶分 析，得
u an = 2U d 1 1 1 1 sin ω1t + sin 5ω1t + sin 7ω1t + sin 11ω1t + sin 13ω1t + ... π 5 7 11 13
它的相电压有效值Ua=0.471Ud， U 相电压基波有效值Ua1=0.45Ud（√2Ud /π ）。 对图5-2所示逆变器线电压uab进行傅立叶分析，得
图5-6 给定积分器原理电路
2.函数发生器（GF）
函数发生器的功能是实现调速时V/f协调所需要的函 数关系，它的工作原理示于图5-7 中。 对运算放大器A的虚地点列电流平衡方程式，可推导 出函数发生器输出Uo和输入Ui之间的关系式为
R2 + R p 2 R2 + R p 2 U o = −U i +Uk R1 R5
5.4 谐波的影响 电动机期望有正弦电压和正弦电流，但是 前述方波或者准方波逆变器所产生的却不是正 弦波，这对电动机的运行有什么影响呢？应用 傅立叶分析的方法对方波或准方波进行分解， 可以得到有用的基波和不期望的谐波。一般说 来，谐波有四个有害的影响，它们是： 转矩脉动 谐波发热 参数变化 噪音
1.转矩脉动(torque pulsation)
图5-7 函数发生器原理电路
3.电压频率转换器（GVF）
电压频率转换器的功能是将与速度给定对应的电压 Ui输入信号转换成相应频率f0的输出脉冲信号。对它的基 本要求是：有比较好的稳定性；有满足要求的线性控制 范围。
图5-8 电压频率转换器原理电路
4.环形分配器（DRC）
图5-9 环形分配器原理电路
D端输入状态 Qn Qn+1 ----------------------------------------1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 ------------------------------------------
u an = 2U d 1 1 1 1 sin ω1t + sin 5ω1t + sin 7ω1t + sin 11ω1t + sin 13ω1t + ... π 5 7 11 13
它的相电压有效值Ua=0.471Ud， U 相电压基波有效值Ua1=0.45Ud（√2Ud /π ）。 对图5-2所示逆变器线电压uab进行傅立叶分析，得
图5-6 给定积分器原理电路
2.函数发生器（GF）
函数发生器的功能是实现调速时V/f协调所需要的函 数关系，它的工作原理示于图5-7 中。 对运算放大器A的虚地点列电流平衡方程式，可推导 出函数发生器输出Uo和输入Ui之间的关系式为
R2 + R p 2 R2 + R p 2 U o = −U i +Uk R1 R5
5.4 谐波的影响 电动机期望有正弦电压和正弦电流，但是 前述方波或者准方波逆变器所产生的却不是正 弦波，这对电动机的运行有什么影响呢？应用 傅立叶分析的方法对方波或准方波进行分解， 可以得到有用的基波和不期望的谐波。一般说 来，谐波有四个有害的影响，它们是： 转矩脉动 谐波发热 参数变化 噪音
1.转矩脉动(torque pulsation)
图5-7 函数发生器原理电路
3.电压频率转换器（GVF）
电压频率转换器的功能是将与速度给定对应的电压 Ui输入信号转换成相应频率f0的输出脉冲信号。对它的基 本要求是：有比较好的稳定性；有满足要求的线性控制 范围。
图5-8 电压频率转换器原理电路
4.环形分配器（DRC）
图5-9 环形分配器原理电路
D端输入状态 Qn Qn+1 ----------------------------------------1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 ------------------------------------------
PWM控制原理(精编文档).doc
【最新整理，下载后即可编辑】PWM控制技术主要内容：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析，PWM整流电路。
重点：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法。
难点：PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析。
基本要求：掌握PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，了解PWM逆变电路的谐波分析，了解跟踪型PWM逆变电路，了解PWM整流电路。
PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
第3、4章已涉及这方面内容:第3章：直流斩波电路采用，第4章有两处：4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变频电路。
本章内容PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术，也介绍PWM 整流电路1 PWM控制的基本原理理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图6-2a所示。
其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示。
从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
PWM逆变电路及其控制方法
PWM逆变电路及其控制方法PWM（Pulse Width Modulation）逆变电路是一种通过改变电压或电流波形的占空比来实现电能转换的技术。
它广泛应用于各种电源逆变器、交流电机驱动器、太阳能逆变器、UPS（不间断电源系统）等领域。
本文将介绍PWM逆变电路的基本原理、常见的控制方法以及应用实例。
PWM逆变电路的基本原理是通过将直流电压转换为交流电压，使得输出波形的频率和幅值可以根据需求进行调节。
其核心部件是逆变器，通常由开关元件（如功率开关管）和输出变压器组成。
逆变器通过快速开关开关闭合，产生一系列电压脉冲，然后经过输出变压器将直流电压转换为交流电压。
PWM逆变电路的控制方法有多种，常见的包括：固定频率脉宽调制（Fixed Frequency Pulse Width Modulation，FFPWM）、固定频率电压脉宽调制（Constant Frequency Voltage Pulse Width Modulation，CFVPWM）、固定频率电流脉宽调制（Constant Frequency Current Pulse Width Modulation，CFCPWM）以及多重脉冲脉宽调制（Multiple Pulse Width Modulation，MPWM）等。
固定频率脉宽调制是PWM逆变电路中最简单的控制方法之一，其特点是输出频率和开关频率固定，可以通过调节脉宽来实现输出波形的幅值控制。
固定频率电压脉宽调制在固定频率脉宽调制的基础上增加了电压控制环节，通过反馈控制使输出电压达到设定值。
固定频率电流脉宽调制则在固定频率脉宽调制的基础上增加了电流控制环节，通过反馈控制使输出电流达到设定值。
多重脉冲脉宽调制是在固定频率脉宽调制的基础上引入多个脉冲周期，通过交错控制来改善输出波形的谐波含量。
1.电力电子逆变器：将直流电能转换为交流电能。
通过控制PWM逆变电路的开关元件，可以实现交流电压的频率和幅值的调节，广泛应用于电力系统、电动机驱动器及电力调速系统等。
电力电子技术(第四版)课后答案
第5章逆变电路5.l.无源逆变电路和有源逆变电路有何不同?答:两种电路的不同主要是:有源逆变电路的交流侧接电阿,即交流侧接有电源。
而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。
5.2.换流方式各有那儿种?各有什么特点?答:换流方式有4种:器件换流:利用全控器件的自关断能力进行换流。
全控型器件采用此换流方式。
电网换流:由电网提供换流电压,只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。
负载换流:由负载提供换流电压,当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时,可实现负载换流。
强迫换流:设置附加换流电路,给欲关断的晶闸管强追施加反向电压换流称为强迫换流。
通常是利用附加电容上的能量实现,也称电容换流。
晶闸管电路不能采用器件换流,根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。
5.3.什么是电压型逆变电路?什么是电流型逆变电路?二者各有什么特点？答:按照逆变电路直流测电源性质分类,直流侧是电压源的称为逆变电路称为电压型逆变电路,直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主要持点是:①直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。
②由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
电流型逆变电路的主要特点是:①直流侧串联有大电感,相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。
②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径,因此交流侧输出电流为矩形波,并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流测电惑起缓冲无功能量的作用。
因为反馈无功能量时直流电流并不反向,因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。
单相桥式逆变pwm控制技术方程
单相桥式逆变pwm控制技术方程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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逆变器的PWM控制
ωs
i i
F
图5-2b 两相交流绕组
图5-2b中绘出了两相静止绕组 和 ， 它们在空间互差90°，通以时间上互差 90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁 动势 F 。 当图a和b的两个旋转磁动势大小和转速 都相等时，即认为图5-2b的两相绕组与图 5-2a的三相绕组等效。
（3）旋转的直流绕组与等效直流电机模型
t
实验一
第十周为实验课 使用工具matlab/simulink/simPowerSystems 仿真一个三相电压源型逆变器，控制方式采 用SPWM，负载可选三相对称负载或异步电 机。 实验报告上请说明电路参数选择、控制实现 方式，仿真结果分析过程等。
第四节 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 本节提要
SPWM原理
SPWM的原理为在控制电路中调制，在主电路中输出。在控制 电路中，一个频率为fr幅值为Ur的参考正弦波Wsin（调制信号） 加载于频率为fc幅值为Uc的三角波WΔ（载波）后，得到一个 脉冲宽度变化的SPWM波Wspwm（已调制波），用已调制波的高 低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开关元件，即 可使逆变器输出与已调制波Wspwm相似的SPWM电压波形，SPWM 输入输出原理框图如下页所示：
正弦脉宽调制（ SPWM）输入、输出原理图
在控制电路中，一个频率为fr幅值为Ur的参考正弦波Wsin （调制信号）加载于频率为ft幅值为Ut的三角波WΔ（载波） 后，得到一个脉冲宽度变化的SPWM波Wspwm（已调制波）， 用已调制波的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的 主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波Wspwm相似的 SPWM电压波形；
4. 可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形， 能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近似正 弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，提高了系 统的性能。
无源三相PWM逆变器控制电路设计
目录第一章：课程设计的目的及要求 (2)第二章整流电路 (5)第三章逆变电路 (9)第四章 PWM逆变电路的工作原理 (11)第五章三相正弦交流电源发生器 (14)第六章三角波发生器 (15)第七章比较电路 (16)第八章死区生成电路 (18)第九章驱动电路 (20)附录参考文献课程设计的心得体会第一章：课程设计的目的及要求一、课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。
5、提高学生课程设计报告撰写水平。
二、课程设计的要求1. 自立题目题目：无源三相PWM逆变器控制电路设计注意事项：①学生也可以选择规定题目方向外的其它电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，②通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。
首先要明确自己课程设计的设计内容。
控制框图设计装置（或电路）的主要技术数据主要技术数据输入交流电源：三相380V，f=50Hz交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为SPWM控制原理输出交流：电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相异步电动机，P=5kW等效为星形RL电路，R=10Ω，L=15mH 设计内容：整流电路的设计和参数选择滤波电容参数选择三相逆变主电路的设计和参数选择IGBT电流、电压额定的选择三相SPWM驱动电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。
主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。
课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。
第章PWM逆变器控制技术
PWM逆变器控制技术简介PWM逆变器是一种基于现代电力电子技术的调制器，它用直流电源来驱动交流电机等交流负载。
PWM逆变器的基本原理是采用可逆变器将直流电能转换成交流电能，并通过强制控制逆变电压和电流波形实现输出交流电能的调节。
PWM逆变器控制技术是实现PWM逆变器中电压和电流波形控制的关键。
其主要包括基于模拟电路的控制技术和基于数字信号处理器（DSP）的控制技术两种。
基于模拟电路的控制技术基于模拟电路的PWM逆变器控制技术主要是设计PWM逆变器模块的控制电路。
该模块包括直流母线电压检测模块、三相桥式逆变器驱动模块、输出滤波器模块和逆变保护模块等。
其中，直流母线电压检测模块用来检测逆变器所需的直流母线电压；三相桥式逆变器驱动模块负责将直流母线电压转换成交流电压；输出滤波器模块用于对交流电压进行滤波处理，降低输出电压的噪声和杂波；逆变保护模块用于对逆变器进行过流、过温、过压、欠压等的保护。
基于模拟电路的PWM逆变器控制技术具有控制精度高、反应速度快等优点，但是电路复杂度高，稳定性较差。
基于数字信号处理器的控制技术基于数字信号处理器的PWM逆变器控制技术主要是基于现代信息技术和数字信号处理器的技术来实现PWM逆变器的电压和电流波形控制。
它可以通过控制DSP硬件平台或通过软件仿真实现。
该技术的优点是：可通过数字控制实现高度准确的波形控制和滤波功能，提高了逆变器的控制精度；DSP系统具有灵活性，可以实现各种传感器和控制策略的接口控制；DSP系统可通过程序算法进行修正，提高了系统稳定性和抗干扰性。
基于数字信号处理器的PWM逆变器控制技术已经得到广泛应用，尤其是在高档电力电子产品中，如交流电机驱动器、UPS电源、变频空调等。
PWM逆变器控制技术的应用PWM逆变器控制技术已广泛应用于各种电力电子产品中。
以下是其主要应用领域：交流电机驱动器交流电机驱动器是目前应用最广泛的PWM逆变器控制技术之一。
它是通过PWM逆变器实现对电机控制电压、频率等参数的调节，可以实现电机转速的可控，使得电动机具有更好的动态响应和启动能力。
PWM控制技术
新型电源技术课题报告课题：PWM电源控制技术专业：应用电子技术___班级：_**__________组长： ***___学号：****_ _组员1：***_ 学号：**** _组员2：***____学号：****_组员3：***__ 学号：***_指导教师：___****______评分：________________一、设计的目的随着电子技术的高速发展、电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益紧密，任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。
特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。
本文基于这个思想，设计和制作了符合指标要求的开关稳压电源.开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点，被称作高效节能电源。
由于开关稳压电源具有这些优点，基于这个思想上设计一个基于PWM控制技术的开关稳压电源，以满足小型电子设备的供电需要。
1 PWM控制的基本原理理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图6-2a所示。
其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示。
从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
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现代电力电子技术 Modern Power Electronics
教案编写：
授课教师：
肖强晖
肖强晖
廖无限
第5章 PWM逆变器控制技术
• • • • • • §5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 引 言 PWM逆变器主电路 PWM逆变器的控制技术 PWM逆变器的主要性能指标 PWM逆变器用于驱动异步电机 PWM逆变器用于不间断电源（UPS）
§5.1 引
言
逆变的概念 逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无 源逆变。 逆变技术应用 在3×220V低压变频器的应用中，逆变器容量达到300kVA 以上； 在中压（10kV以下）变频器中，逆变器可达7500kVA； 在不间断电源（UPS）的应用中，逆变器容量达1000kVA； 在电力机车牵引电气传动应用中，逆变器可达1500kW； 在铁道运输应用中，110VDC/3×220V逆变器的容量可达 600kVA； 几乎渗透到国民经济的各个领域。
逆变技术发展 随着电力半导体器件、高频PWM控制技术、微电子技术和 微处理器技术的迅速发展，推动着PWM高频逆变器技术的发 展与应用。 由于PWM控制技术、现代控制理论、微控制器技术和电机 控制专用DSP技术等普及及应用，PWM高频逆变器向全数字化、 智能化方向发展。 PWM逆变器分类 单相逆变器适用于中、小功率应用场合；三相逆变器适用 于中、大功率应用场合。 PWM逆变器按电路结构的不同又可划分为半桥式、全桥式、 推挽式等； 按输出波形的特点可划分为正弦波和非正弦波逆变器； 按输入（直流）电源的特点划分为电压型、电流型和谐振 环型逆变器。 本章分析三相全桥电压型PWM高频逆变器控制技术。
V1 (t ) 为输出相电压的基波分量
② 输出相电压谐波畸变率THD
V 1 Vn
V 1 THD h V1 V1
n 2
Vn
2
分别为相电压基波和n次谐波电压的有效值
5. 输出电压的静态稳定度 对于中、小功率等级逆变器输出电压的静态控制精度， 其典型值为±2%～±3%；对于中、大功率等级逆变器，其 典型值为±1%。 6. 输出电压的动态特性 对于小功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于 ±6%～±8%（典型值）； 对于中、大功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于 ±5%（典型值）。 上述电压波动值应在10～30ms内恢复到稳定值（典型值为 20ms）。
§5.2 PWM逆变器主电路
主电路包括直流侧滤波电容、均压电阻、三相IGBT-PWM全桥电 路、缓冲吸收回路、交流侧输出滤波电路、以及交流输出电压、 电流检测电路和直流侧电压检测电路等几个部分。在电压型交 -直-交变流器中，直流侧是作为输入端变流器的整流器和作为 输出端变流器的PWM逆变器之间的联接纽带，一般称之为中间 回路。
§5.5 PWM逆变器用于驱动异步电机
应用原因
由于异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参 数系统，难以直接、准确地控制电磁转矩。
通过转子磁链这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从 静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换，就可以将定子电流 分解出相互独立的励磁电流分量和转矩电流分量。 由于这两个分量是直流量（标量），所以可方便地进行 独立控制。
§5.6 PWM逆变器用于不间断电源（UPS）
以爱克赛公司（Exide）生产的9305系列中功率UPS产品（7.5～ 60kVA）为例，说明在采用了三相电压型PWM逆变器控制技术后 UPS的输出特性。
① 输出电压的静态特性 9305系列UPS产品的输出电压静态控制精度为380V±1%； ② 输出电压的动态特性 输出电压动态波动值<±3%（7.5～15kVA）或±5%（20～ 60kVA）（0↔100%负载）；并且1ms恢复到输出电压的稳定值； ③ 输出频率特性 频率控制精度为0.1‰；允许的市电同步跟踪范围为 50Hz±4%； ④ 输出电压的谐波畸变率 带线性负载时，输出电压的谐波畸变率小于2%； 带100%非线性负载时，其谐波畸变率小于5%。
通过坐标变换后重构的电机模型就可等效成一台直流电 机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁链控制。
转子磁链定向矢量控制的基本原理 交流电机的电磁转矩一般和定、转子旋转磁场及其夹角有 关。因此，要控制其电磁转矩，必须先检测和控制交流电 机的磁链。 磁链检测方法 在转子磁链定向矢量控制系统中，一般将（ d q ）坐标系放在 同步旋转的转子磁链上，从而把静止坐标系中的各交流量转化 为旋转坐标系中的直流量（标量），并且通过动态控制使得 d 轴与转子磁链空间矢量方向重合，此时转子磁链 q 轴分量为零 （ rq 0 ）。
Байду номын сангаас
思考与练习五
• 5.1 试分析三相PWM逆变器的实际应用主电路。它有哪 几个部分组成？各自起到什么作用？ • 5.2 试说明PWM逆变器有哪两种主要的控制方式？各自 具有什么样的技术特点？ • 5.3 试说明PWM逆变器的分相电压SPWM控制原理。 • 5.4 试说明PWM逆变器的电压空间矢量PWM控制原理。 • 5.5 试说明PWM逆变器的主要性能指标有哪些?
2 1 Vn DF 2 V1 n 2,3, n 1 2
DFn
Vn V1 n 2
第n次谐波DF
4. 输出电压谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion ) ① 输出相电压谐波有效值为
Vh 1 2 V ( t ) V ( t ) dt 1 T T
§5.3 PWM逆变器的控制技术
对于电压型PWM逆变控制方式而言，常用的有分相电压 SPWM控制、空间矢量PWM控制（SVPWM）、预测电压PWM 控制等。
1. 分相电压SPWM控制
基本控制原理：对PWM逆变器的三相输出电压 分别进行电压SPWM控制，然后在输出端合成三 相输出正弦波电压。
分相电压SPWM控制技术的特点 ① 对RLC线性负载能够很好地输出三相正弦波电压； ② 对非线性负载如不可控整流负载，其输出电压波形会发 生畸变，表现为正弦波的波头位置产生电压跌落，使得输出电 压波形近似为梯形波，从而使星型连接的三相输出中性点对地 电位的电压提高。此时应该对非线性负载进行有效的补偿控制， 使输出电压波形保持为正弦波； ③ 三相输出电压的对称性可控制为 三相相电压幅值差≤±1%（带三相平衡非线性负载）； ±3%（带100%的三相不平衡非线性负载）； 三相相电压相位移差≤±1º （带三相平衡非线性负 载）；±2.5º （带100%的三相不平衡非线性负载）。
§5.4 PWM逆变器的主要性能指标
1. 直流侧电压的利用率 k u 定义为交流侧输出线电压峰值（ 的比值
ku
3Vm ）与直流侧电压平均值V dc
3V m V dc
2. 最低次谐波LOH（Lowest-order harmonic） 最低次谐波定义为与输出电压基波最接近的谐波。 3. 畸变因数DF（Distortion factor） 为了表征经过二次滤波后谐波产生波形畸变的程度，引入畸变 因数。畸变因数定义为
7. 三相输出电压的对称性 ① 三相输出相电压幅值差，一般可以做到≤±1%～±3%； ② 三相输出相电压相位移差，一般可达到≤±1º ～ ±2.5º 。
8. 输出电压的频率特性 中、小功率等级PWM逆变器频率控制精度的典型值为2‰ （相对额定频率值）， 中、大功率等级逆变器的典型值可达到为0.1‰～1‰ （相对额定频率值）的范围。 利用上述性能指标就可以比较科学地评价PWM逆变电路的 质量。对于逆变装置或系统来说，还需增加逆变效率、 单位重量（或体积）输出功率及可靠性等性能指标。
⑤ 带三相不平衡负载能力 带100%不平衡负载时，三相相电压幅值差为±1%（典 型值）；三相相位移差为<±2°（典型值）； ⑥ 输出过载能力 125%过载时，可以持续带负载10分钟；150%过载，30 秒；大于150%过载，5秒； ⑦ 系统效率 系统的运行效率高达94%，由于9305系列UPS采用双 PWM变流器技术，因而可以估计逆变器的运行效率约为 96%左右。
• 实际上，在PWM逆变器主电路中还必须设置一些必要的 保护措施： • ① 交流输出电压的过压保护（锁死保护）； • ② 交流输出电压的欠压保护（回差保护）； • ③ 交流输出电流的过流保护（锁死保护）； • ④ 交流输出电流的过载保护（锁死保护）； • ⑤ 直流侧电压的欠压保护（回差保护）； • ⑥ 直流侧电压的过压保护（锁死保护）； • ⑦ IGBT模块的过温保护（回差保护）等。
2. 电压空间矢量PWM控制
基本控制原理：在一个开关周期Ts中，用相邻的两个 有效电压开关矢量的平均值等效在此开关周期中三相 输出电压合成矢量的给定值，同时对称地插入零矢量 作用时间。
• 电压空间矢量PWM控制技术的特点 • ① 具有容易实现交流侧输出相电压正弦化和直流侧电 压的利用率高等优点； • ② 三相输出电压的对称性控制容易，不论平衡非线性 负载还是不平衡非线性负载，均可以控制为 三相相电压幅值差≤±1%；三相相电压相位移差 ≤±2º 。 • ③ 能够有效地优化开关序列，降低系统的开关损耗， 提高系统的效率； • ④ 由于开关频率固定，交流侧输出滤波电路容易设计； • ⑤ 实现DSP数字控制方案极为容易。
器件选用 IGBT-PWM全桥电路中的6个IGBT管选用1200V耐压的新型 NPT-IGBT器件； 直流侧滤波电容C1和C2选用450VDC耐压的电解电容器； R1和R2是均压功率电阻，以保持C1和C2上的电压均衡； C3和C4是高频滤波电容器，选取500V或600V的耐压值； Rf、Cf和Df组成了IGBT的缓冲吸收回路，Rf采用无感功率 电阻，Cf采用1200V的无感吸收电容，Df选用快恢复二极管。
教案编写：
授课教师：
肖强晖
肖强晖
廖无限
第5章 PWM逆变器控制技术
• • • • • • §5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 引 言 PWM逆变器主电路 PWM逆变器的控制技术 PWM逆变器的主要性能指标 PWM逆变器用于驱动异步电机 PWM逆变器用于不间断电源（UPS）
§5.1 引
言
逆变的概念 逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无 源逆变。 逆变技术应用 在3×220V低压变频器的应用中，逆变器容量达到300kVA 以上； 在中压（10kV以下）变频器中，逆变器可达7500kVA； 在不间断电源（UPS）的应用中，逆变器容量达1000kVA； 在电力机车牵引电气传动应用中，逆变器可达1500kW； 在铁道运输应用中，110VDC/3×220V逆变器的容量可达 600kVA； 几乎渗透到国民经济的各个领域。
逆变技术发展 随着电力半导体器件、高频PWM控制技术、微电子技术和 微处理器技术的迅速发展，推动着PWM高频逆变器技术的发 展与应用。 由于PWM控制技术、现代控制理论、微控制器技术和电机 控制专用DSP技术等普及及应用，PWM高频逆变器向全数字化、 智能化方向发展。 PWM逆变器分类 单相逆变器适用于中、小功率应用场合；三相逆变器适用 于中、大功率应用场合。 PWM逆变器按电路结构的不同又可划分为半桥式、全桥式、 推挽式等； 按输出波形的特点可划分为正弦波和非正弦波逆变器； 按输入（直流）电源的特点划分为电压型、电流型和谐振 环型逆变器。 本章分析三相全桥电压型PWM高频逆变器控制技术。
V1 (t ) 为输出相电压的基波分量
② 输出相电压谐波畸变率THD
V 1 Vn
V 1 THD h V1 V1
n 2
Vn
2
分别为相电压基波和n次谐波电压的有效值
5. 输出电压的静态稳定度 对于中、小功率等级逆变器输出电压的静态控制精度， 其典型值为±2%～±3%；对于中、大功率等级逆变器，其 典型值为±1%。 6. 输出电压的动态特性 对于小功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于 ±6%～±8%（典型值）； 对于中、大功率等级逆变器，其输出电压动态波动值应小于 ±5%（典型值）。 上述电压波动值应在10～30ms内恢复到稳定值（典型值为 20ms）。
§5.2 PWM逆变器主电路
主电路包括直流侧滤波电容、均压电阻、三相IGBT-PWM全桥电 路、缓冲吸收回路、交流侧输出滤波电路、以及交流输出电压、 电流检测电路和直流侧电压检测电路等几个部分。在电压型交 -直-交变流器中，直流侧是作为输入端变流器的整流器和作为 输出端变流器的PWM逆变器之间的联接纽带，一般称之为中间 回路。
§5.5 PWM逆变器用于驱动异步电机
应用原因
由于异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参 数系统，难以直接、准确地控制电磁转矩。
通过转子磁链这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从 静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换，就可以将定子电流 分解出相互独立的励磁电流分量和转矩电流分量。 由于这两个分量是直流量（标量），所以可方便地进行 独立控制。
§5.6 PWM逆变器用于不间断电源（UPS）
以爱克赛公司（Exide）生产的9305系列中功率UPS产品（7.5～ 60kVA）为例，说明在采用了三相电压型PWM逆变器控制技术后 UPS的输出特性。
① 输出电压的静态特性 9305系列UPS产品的输出电压静态控制精度为380V±1%； ② 输出电压的动态特性 输出电压动态波动值<±3%（7.5～15kVA）或±5%（20～ 60kVA）（0↔100%负载）；并且1ms恢复到输出电压的稳定值； ③ 输出频率特性 频率控制精度为0.1‰；允许的市电同步跟踪范围为 50Hz±4%； ④ 输出电压的谐波畸变率 带线性负载时，输出电压的谐波畸变率小于2%； 带100%非线性负载时，其谐波畸变率小于5%。
通过坐标变换后重构的电机模型就可等效成一台直流电 机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁链控制。
转子磁链定向矢量控制的基本原理 交流电机的电磁转矩一般和定、转子旋转磁场及其夹角有 关。因此，要控制其电磁转矩，必须先检测和控制交流电 机的磁链。 磁链检测方法 在转子磁链定向矢量控制系统中，一般将（ d q ）坐标系放在 同步旋转的转子磁链上，从而把静止坐标系中的各交流量转化 为旋转坐标系中的直流量（标量），并且通过动态控制使得 d 轴与转子磁链空间矢量方向重合，此时转子磁链 q 轴分量为零 （ rq 0 ）。
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思考与练习五
• 5.1 试分析三相PWM逆变器的实际应用主电路。它有哪 几个部分组成？各自起到什么作用？ • 5.2 试说明PWM逆变器有哪两种主要的控制方式？各自 具有什么样的技术特点？ • 5.3 试说明PWM逆变器的分相电压SPWM控制原理。 • 5.4 试说明PWM逆变器的电压空间矢量PWM控制原理。 • 5.5 试说明PWM逆变器的主要性能指标有哪些?
2 1 Vn DF 2 V1 n 2,3, n 1 2
DFn
Vn V1 n 2
第n次谐波DF
4. 输出电压谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion ) ① 输出相电压谐波有效值为
Vh 1 2 V ( t ) V ( t ) dt 1 T T
§5.3 PWM逆变器的控制技术
对于电压型PWM逆变控制方式而言，常用的有分相电压 SPWM控制、空间矢量PWM控制（SVPWM）、预测电压PWM 控制等。
1. 分相电压SPWM控制
基本控制原理：对PWM逆变器的三相输出电压 分别进行电压SPWM控制，然后在输出端合成三 相输出正弦波电压。
分相电压SPWM控制技术的特点 ① 对RLC线性负载能够很好地输出三相正弦波电压； ② 对非线性负载如不可控整流负载，其输出电压波形会发 生畸变，表现为正弦波的波头位置产生电压跌落，使得输出电 压波形近似为梯形波，从而使星型连接的三相输出中性点对地 电位的电压提高。此时应该对非线性负载进行有效的补偿控制， 使输出电压波形保持为正弦波； ③ 三相输出电压的对称性可控制为 三相相电压幅值差≤±1%（带三相平衡非线性负载）； ±3%（带100%的三相不平衡非线性负载）； 三相相电压相位移差≤±1º （带三相平衡非线性负 载）；±2.5º （带100%的三相不平衡非线性负载）。
§5.4 PWM逆变器的主要性能指标
1. 直流侧电压的利用率 k u 定义为交流侧输出线电压峰值（ 的比值
ku
3Vm ）与直流侧电压平均值V dc
3V m V dc
2. 最低次谐波LOH（Lowest-order harmonic） 最低次谐波定义为与输出电压基波最接近的谐波。 3. 畸变因数DF（Distortion factor） 为了表征经过二次滤波后谐波产生波形畸变的程度，引入畸变 因数。畸变因数定义为
7. 三相输出电压的对称性 ① 三相输出相电压幅值差，一般可以做到≤±1%～±3%； ② 三相输出相电压相位移差，一般可达到≤±1º ～ ±2.5º 。
8. 输出电压的频率特性 中、小功率等级PWM逆变器频率控制精度的典型值为2‰ （相对额定频率值）， 中、大功率等级逆变器的典型值可达到为0.1‰～1‰ （相对额定频率值）的范围。 利用上述性能指标就可以比较科学地评价PWM逆变电路的 质量。对于逆变装置或系统来说，还需增加逆变效率、 单位重量（或体积）输出功率及可靠性等性能指标。
⑤ 带三相不平衡负载能力 带100%不平衡负载时，三相相电压幅值差为±1%（典 型值）；三相相位移差为<±2°（典型值）； ⑥ 输出过载能力 125%过载时，可以持续带负载10分钟；150%过载，30 秒；大于150%过载，5秒； ⑦ 系统效率 系统的运行效率高达94%，由于9305系列UPS采用双 PWM变流器技术，因而可以估计逆变器的运行效率约为 96%左右。
• 实际上，在PWM逆变器主电路中还必须设置一些必要的 保护措施： • ① 交流输出电压的过压保护（锁死保护）； • ② 交流输出电压的欠压保护（回差保护）； • ③ 交流输出电流的过流保护（锁死保护）； • ④ 交流输出电流的过载保护（锁死保护）； • ⑤ 直流侧电压的欠压保护（回差保护）； • ⑥ 直流侧电压的过压保护（锁死保护）； • ⑦ IGBT模块的过温保护（回差保护）等。
2. 电压空间矢量PWM控制
基本控制原理：在一个开关周期Ts中，用相邻的两个 有效电压开关矢量的平均值等效在此开关周期中三相 输出电压合成矢量的给定值，同时对称地插入零矢量 作用时间。
• 电压空间矢量PWM控制技术的特点 • ① 具有容易实现交流侧输出相电压正弦化和直流侧电 压的利用率高等优点； • ② 三相输出电压的对称性控制容易，不论平衡非线性 负载还是不平衡非线性负载，均可以控制为 三相相电压幅值差≤±1%；三相相电压相位移差 ≤±2º 。 • ③ 能够有效地优化开关序列，降低系统的开关损耗， 提高系统的效率； • ④ 由于开关频率固定，交流侧输出滤波电路容易设计； • ⑤ 实现DSP数字控制方案极为容易。
器件选用 IGBT-PWM全桥电路中的6个IGBT管选用1200V耐压的新型 NPT-IGBT器件； 直流侧滤波电容C1和C2选用450VDC耐压的电解电容器； R1和R2是均压功率电阻，以保持C1和C2上的电压均衡； C3和C4是高频滤波电容器，选取500V或600V的耐压值； Rf、Cf和Df组成了IGBT的缓冲吸收回路，Rf采用无感功率 电阻，Cf采用1200V的无感吸收电容，Df选用快恢复二极管。