第12章 脉宽调制(PWM)逆变器
pwm逆变器工作原理
pwm逆变器工作原理
PWM逆变器是一种将直流电源转换为交流电源的电子器件。
它的基本工作原理是通过一系列的开关操作，将直流电源转换为一系列的脉冲信号，然后再将这个脉冲信号转换成交流信号。
在PWM逆变器中，通常会使用一组开关器件，如晶体管或IGBT，来控制直流电源的通断。
这些开关器件会在一定的频率范围内开关，从而产生一个类似于正弦波的交流信号。
这个交流信号可以用来驱动电机、照明灯具、加热器等交流负载。
PWM逆变器的控制方式通常采用脉宽调制（PWM）技术。
这种技术通过控制开关器件的开关时间，来调节输出电压的频率和幅值。
通过调整PWM信号的占空比，可以控制输出电压的大小和频率，从而实现负载的控制和调节。
在PWM逆变器中，通常会使用高频变压器来将PWM信号转换成交流信号。
这个变压器通常具有多个线圈，可以将PWM信号转换成多个不同电压和频率的交流信号。
这些交流信号可以进一步处理和调节，以满足负载的需求。
总之，PWM逆变器的工作原理是通过一系列的开关操作，将直流电源转换成交流信号，并通过控制PWM信号的占空比来调节输出电压的大小和频率，以满足负载的需求。
pwm脉宽调制原理
pwm脉宽调制原理
PWM脉宽调制原理
PWM，即脉宽调制（Pulse Width Modulation），是一种通过控制信号的脉冲宽度来实现模拟信号的技术。
在电子领域中，PWM技术被广泛应用于控制系统、变频调速、电源供应等方面。
PWM脉宽调制原理基本上可以概括为通过改变信号的占空比来控制输出信号的电压或功率。
在PWM脉宽调制中，信号的周期是固定的，而脉冲的宽度则根据控制信号的变化而改变。
通过控制脉冲的宽度，可以实现对输出信号的精确控制。
通常情况下，信号的占空比被定义为脉冲的宽度与周期的比值，通常以百分比表示。
PWM脉宽调制技术的原理可以简单地解释为：当信号的占空比增大时，输出信号的电压或功率也会随之增大；反之，当信号的占空比减小时，输出信号的电压或功率也会相应减小。
因此，通过改变信号的占空比，可以实现对输出信号的精确控制。
在实际应用中，PWM脉宽调制技术被广泛应用于电子设备中，如直流电机的调速控制、逆变器的控制、电源供应的调节等。
通过PWM 技术，可以实现对电子设备的精确控制，提高系统的稳定性和效率。
除了在电子设备中的应用外，PWM脉宽调制技术还被广泛应用于照明领域。
通过调节LED灯的PWM信号，可以实现对灯光的亮度和
颜色的精确控制，实现节能和环保的效果。
总的来说，PWM脉宽调制技术是一种非常有效的控制技术，可以广泛应用于电子设备、照明领域等各个领域。
通过控制信号的脉冲宽度，可以实现对输出信号的精确控制，提高系统的稳定性和效率。
PWM技术的不断发展和应用将为电子领域带来更多的创新和发展。
pwm逆变电路原理
pwm逆变电路原理
PWM逆变电路是一种经典的功率电子变换电路，用于将直流
电源转换为可控的交流电源。
其原理基于脉宽调制（Pulse Width Modulation）技术，通过控制开关器件的导通时间与断
开时间的比例，可以实现对输出电压的调节。
PWM逆变电路的核心部分是一个全桥逆变器，由4个可控开
关器件组成。
通常，这些开关器件是MOSFET或IGBT，用于控制电流的通断。
在正半周中，两个对角的开关器件同时导通，使得直流电源的正负极与交流负载的两个端点相连接；而在负半周中，另外两个对角开关器件引导电流，实现相反的连接。
通过频繁切换开关状态，可以在负载中产生高频的脉冲信号。
PWM逆变电路的输出电压由导通时间与断开时间的比例决定。
当导通时间较长时，输出电压会接近正电压；反之，断开时间长，则输出电压近似为负电压。
通过调节导通与断开时间的比例，可以实现对输出电压幅值的控制。
此外，通过改变开关频率，还可以调节输出电压的频率。
为了实现精确的输出电压调节，PWM逆变电路通常配备一个
控制电路。
该控制电路可以监测输出电压，并与参考电压进行比较，以生成适当的控制信号。
控制信号通过适当驱动开关器件的导通与断开，从而实现输出电压的稳定调节。
总之，PWM逆变电路利用脉宽调制技术和全桥逆变器构成，
通过控制开关器件的导通与断开时间，实现对直流电源转换为可控的交流电源，并通过控制电路实现对输出电压的精确调节。
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。
pwm逆变原理
pwm逆变原理
PWM（Pulse Width Modulation）逆变原理是一种常见的控制技术，广泛应用于电力电子领域。
它通过周期性地改变波形的脉冲宽度来控制电力输出。
PWM逆变的基本原理是将直流电源通过开关器件（如MOSFET或IGBT）进行高频切换，从而产生一个接近正弦波形的交流电压输出。
这种高频切换的脉冲信号可以通过改变脉冲的占空比来调节输出电压和电流的大小。
在PWM逆变电路中，一个重要的元件是PWM控制器。
PWM控制器通过测量输出信号的电压或电流，并与设定值进行比较，然后调整开关器件的工作状态，以使输出保持在设定值附近。
常用的PWM控制策略有基于单脉冲宽度调制（SPWM）和三角波调制（TPWM）。
在SPWM控制策略中，PWM控制器根据输出信号与设定值的差异来调整脉冲宽度，以维持输出电压的稳定性。
具体来说，PWM控制器会比较输出信号与参考信号（通常为一个正弦波形）之间的差异，并通过调整脉冲的宽度来控制开关器件的开关时间，以调节输出电压。
TPWM控制策略则是基于一个三角波形和一个参考信号的比较。
PWM控制器会通过比较三角波形和参考信号的相对位置，来决定开关器件何时进行切换。
通过调整三角波的周期和幅值，可以实现输出电压的调节。
PWM逆变器广泛应用于各种领域，包括交流电机驱动、太阳能发电系统、UPS电源以及电力调制等。
它具有高效率、快速响应、输出电压可调、输出电流可控等优点。
总之，PWM逆变原理通过脉冲宽度的调制来实现电力输出的控制。
它是一种有效的电力电子技术，在现代工业和电子设备中扮演着重要的角色。
PWM逆变电路及其控制方法
PWM逆变电路及其控制方法PWM逆变电路是一种将直流电能转换为交流电能的电路。
它通过以一定的频率和变化占空比的脉冲宽度调制信号，使得输入的直流电压经过逆变器变换后，输出成为一定频率和幅值可调的交流电压。
PWM逆变电路主要用于交流传动，太阳能发电系统，UPS等领域。
PWM逆变电路的基本结构包括直流输入电源、逆变器和输出滤波电路。
其中，直流输入电源将直流电压提供给逆变器，逆变器利用PWM技术将直流电压转换为交流电压，输出滤波电路对逆变器输出的脉冲波进行滤波，得到平滑的交流电压输出。
脉宽调制控制是最常用的PWM逆变电路控制方法。
它通过改变逆变器输入脉冲信号的占空比，控制逆变器输出交流电压的幅值。
具体实现方法是利用比较器将一个三角波信号与一个参考电压进行比较，产生一个PWM波形信号。
这个PWM波形信号的脉宽由比较器输出的高低电平确定，通过改变三角波信号的频率和参考电压的大小，可以改变脉冲宽度从而控制逆变器输出电压的幅值。
频率调制控制是通过改变逆变器输入脉冲信号的频率，控制逆变器输出交流电压的频率。
与脉宽调制控制不同，频率调制控制中，逆变器输出的脉冲宽度保持不变。
具体实现方法是通过改变比较器的阈值电压，或者改变三角波信号的频率，从而改变逆变器输出信号的频率。
值得注意的是，PWM逆变电路的控制方法还可以根据需要，对脉宽调制控制和频率调制控制进行组合，以实现更复杂的控制策略。
总结起来，PWM逆变电路是一种将直流电能转换为交流电能的电路，其控制方法主要有脉宽调制控制和频率调制控制两种。
通过调整脉宽和频率，可以实现对逆变器输出交流电压幅值和频率的精确控制。
脉冲宽度调制(PWM)技术原理
一、PWM技术原理由于全控型电力半导体器件的出现，不仅使得逆变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称PwM技术。
PwM技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。
采用PwM方式构成的逆变器，其输人为固定不变的直流电压，可以通过PwM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。
由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、质量轻、可靠性高。
又因为集凋压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。
此外，采用PwM技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。
把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲，每个脉冲的宽度为每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比γ为此时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。
二、正弦波脉宽调制(sPwM）1．sPwM的概念工程实际中应用最多的是正弦PwM法(简称sPwM)，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应每一等份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩形来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这N个等幅(Vd)不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。
各矩形脉冲的宽度自可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定脉宽：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽。
度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。
若使脉冲宽度与正弦函数值成比例，则也可生成sPwM波形。
在工程应用中感兴趣的是基波，假定矩形脉冲的幅值Vd恒定，半周期内的脉冲数N也不变，通过理论分析可知，其基波的幅值V1m脉宽δi有线性关系在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。
逆变器的PWM调制技术
逆变电路
逆变器的PWM调制技术
1.1 PWM调制技术的基本思想
脉宽调制技术
在不改变电路结构的前提 下使输出电压的波形明显 得到改善 。
调制
在原有方波输出的电平中对称地增加若干个“电压 缺口”，以模拟多重化技术中“阶梯”数的变化， 使之在保证基波输出幅值的前提下，达到减少或消 除部分谐波的目的。
直流–交流逆变电路中的控制信号uctr可以是恒定 的或随时间变化，该调制信号的输出是这个调制 信号与开关频率恒定的三角波进行比较后产生。 SPWM通过改变占空比实现控制，它不仅可有效 的控制平均直流输出电压的幅值，而且还能根据 调制信号的频率来控制逆变器的基波输出频率。
三角波utri的频率
U
fs 载波频率
脉宽调制
逆变电路
改变输出电平的宽度，或改变电 压缺口的宽度，且这种缺口是由 输出的电平幅值直接跳变到零， 或直接跳变到负值的调制。
脉宽调制
PWM调制
PWM调制可使输出电压的谐波次数由较低的频段移 到较高的频段，高频滤波较容易实现，成本降低， 控制更加灵活。
逆变电路
利用半个周波
内的三个控制度， a1a2a3 1.0
0.4 0.2 0.0
1
逆变电路
Uctr
Utri 1/fs
t
t=0 UA0_1
Ud /2t -Ud /2 Uctr<Utri TA -: 通,TA+: 断 Uctr>Utri TA+: 通,TA-: 断
mf为奇数
ma=0.8 , mf=15 mf+2 2mf+1
h×f1 次谐波 3mf+2
mf
2mf
☹缺 点：PWM调制技术会产生很大的谐波分量。 ☺优点：PWM调制技术电路比较简单，所需开关
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Id
2
1
iVT
wt
1
iVT
Id
2
wt
a)
图2-45 单相全波电路的整流和逆变
电 动 机 输 出 电 功 率
2-4
2.7.1 逆变的概念
从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件
有二：
有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致， 其值大于变流器直流侧平均电压。 晶闸管的控制角a > /2，使Ud为负值。
EM Ce n
（2-113）
（2-114） （2-115）
3X Id B (R +R + 2 ) C B M e a1 a2 a3 I
转速与电流的机械特性关系式为
n 1 . 17 U 2 cos a Ce R I d U Ce
n
其机械特性是一组平行的直线，其斜 率由于内阻不一定相同而稍有差异。
2-15
2.8.1
工作于整流状态时
U d E M R I d U
此时，整流电路直流电压的平衡方程为 （2-112）
式中， R
EM
R I d
RB RM
3X B 2
。
为电动机的反电动势 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：
– 变压器的电阻压降 I d R B – 电枢电阻压降 I d R M – 由重叠角引起的电压降 3 X B I d ( 2 )
2-11
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
g —— 换相重叠角的确定：
1) 查阅有关手册 举例如下：
整流电压 整流电流 变压器容量 短路电压比Uk% 220V 800A 240kV。A 5%
g
15~20
2) 参照整流时g 的计算方法
cos a - cos( a g ) Id X
B
2 U 2 sin
逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于
bmin=d +g+q′
（2-109）
d ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度
tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。
g —— 换相重叠角
随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。
q′——安全裕量角
主要针对脉冲Leabharlann 对称程度（一般可达5）。值约取为10。
调节a 角，即可调节电动机的转速。
O a1<a2<a3
d 图2-49 三相半波电流连续时以 电流表示的电动机机械特性
2-17
2.8.1
工作于整流状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性
当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不 再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。
当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这个 E 0是不存在 的，真正的理想空载点远大于此值。 E
n b '1 b '2 b '3 b '4
1 C
(U d 0 cos b I d R )
n 正组变流器
（2-123)
a 增大方向 b 增大方向
Id
反组变流器e
b '增大方向
a1 a2 a3 a4 a =b =
2
a '= b '= 2
a '增大方向
a '4 a '3 a '2
a '1
有源逆变电路——交流侧和电网连结。
应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速 以及高压直流输电等。 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负 载，将在第5章介绍。
对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆 变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工 作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。
工作于有源逆变状态时
d M d
1) 电流连续时电动机的机械特性
电流连续时的机械特性由 U - E I R 决定的。 E 逆变时由于U -U cos b ， 反接，得
d d0
M
E M - (U d 0 cos b I d R )
（2-122)
因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式
a 60 电动机的实际空载反电动势都
是
2U 2 。
E0 ( 2U2)
断续区特性的近似直线
E0' a > 60 时为： 2U 2 cos(a - 3) 。(0.585U2)
主电路电感足够大，可以只考虑电流连续 O 段，完全按线性处理。 当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性 来近似处理，等效电阻要大一个数量级。
3
b g
i VT
2
i VT
i VT
1
i VT
3
图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 如果b <g 时（从图2-47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。 2-10
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
2) 确定最小逆变角bmin的依据
晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。
交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量角不足，引起换相失败。
2-9
2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
换相重叠角的影响：
当b >g 时，换相结束时，晶 闸管能承受反压而关断。
ud ua ub uc ua ub
O
p
wt b <g wt
a
id O i VT
2
b g b >g
sin( EM 2U 2 cos 7 6 1- e
sin( 7 6 e
- q c tan
- b q - ) - sin(
7 6
- b - )e
- q c tan
- q c tan
(2-124)
7 6 - b - )e
- q c tan
n
EM Ce
半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud 不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电 动势，故不能实现有源逆变。 欲实现有源逆变，只能采用全控电路。
2-5
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
逆变和整流的区别：控制角 a 不同
0<a < /2 时，电路工作在整流状态。
/2< a < 时，电路工作在逆变状态。
b '增大方向 a 增大方向 b 增大方向
Id
理想空载转速上翘很多，机械特 性变软，且呈现非线性。 逆变状态的机械特性是整流状态 的延续。 纵观控制角 a变化时，机械特性得 变化。
m
（2-110）
g
根据逆变工作时 a
cos g 1 2U
2
-b
B
，并设 b
，上式可改写成
（2-111）
Id X
sin
m
这样， bmin一般取30~35。
2-12
2.8 晶闸管直流电动机系统
2.8.1 工作于整流状态时
2.8.2 工作于有源逆变状态时 2.8.3 直流可逆电力拖动系统
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 > /2时的控制角用- a = 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。
2-6
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的 输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。
2-13
2.8 晶闸管直流电动机系统· 引言
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装
臵带直流电动机负载组成的系统。
是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装臵的主要用途之一。
对该系统的研究包括两个方面：
其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。
其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本
节主要从第二个方面进行分析。
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub
O
wt b=
3
b=
4 u cb uab u ac u bc u ba u ca
b=
6 u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc
u d u ab u ac u bc u ba u ca
Id
图2-50 电流断续时电动势的特性曲线 分界线
很小也可引起很大的转速变化。
随着a 的增加，进入断续区的电 流值加大。
a1 a2 a3 a4 a5
断续区 连续区
O
图2-51 考虑电流断续时
不同a 时反电动势的特性曲线 a 1 < a 2 <a 3 <60，a 5> a 4>60
Id
2-19
2.8.2
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即 I
I VT Id 3 0 . 577 I d
U - E R
每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：
（2-106）
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：
Pd R I d E M I d
2
（2-107）
当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值， 表示功率由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：
2U 2 cos Ce
- b q - ) - sin(
(2-125)
Id
3 2U 2 2 Z cos
[cos(
7 6