三相SPWM逆变器

第四章三相SPWM逆变器
4．１三相ＳＰＷＭ逆变器的结构
ＳＰＷＭ逆变器与ＰＷＭ逆变器在主电路方面没有本质的区别，将电压型ＰＡＭ主电路结构中的晶闸管替换为ＩＧＢＴ就成了ＳＰＷＭ型逆变器的主电路结构。

ＳＰＷＭ脉宽调制时，瞬时电压以极高的速度切换方向而输出半波内不改变方向，因此，输出电压与输出电流常常方向不一致，这时就需要续流二极管来提供与电压极性相反的电流通道。

加上了续流二极管的三相逆变桥，我们就设计好了ＳＰＷＭ逆变器的基本主电路。

图４．１是ＳＰＷＭ逆变器的主电路结构，它由六只ＩＧＢＴ组成三相桥式结构，每个桥上反并联了续流二极管。

4.1 SPWM逆变器的主电路图
ＩＧＢＴ器件有自己特有的驱动电路及保护电路，实际中ＩＧＢＴ通常不以单独的形式供货，而是以包括了驱动及保护电路的智能模块（ＩＰＭ）方式提供的。

ＩＰＭ不仅为ＩＧＢＴ器件提供了驱动电路及保护电路，也为整个模块提供了过热保护等。

在容量比较小的情况下，ＩＰＭ常常做成多器件结构，例如六单元或七单元结构。

六单元结构集成了一个完整的ＳＰＷＭ逆变器，图４．２就是一个六单元ＩＰＭ的结构示意图。

七单元ＩＰＭ除一个逆变器外，还把能耗制动用的斩波元器件及附属电路集成在里边了。

4.2 IPM结构
从图４．２看到，六单元模块为五个主电路端子，即直流正负极输入和交流三相输出端子。

另外有驱动和保护的控制端子若干，它们是能够和常规控制芯片直接连接或者通过光耦合连接的电压型接口。

驱动端子是输入端子，接受外部触发器件，保护端子是输出端子，在保护电路封锁驱动电路的同时发出保护动作信号给外部控制器。

主电路端子通常是接线桩形式，控制端子通常是集中插口形式。

七单元ＩＰＭ增加了一个连接制动电阻的主电路端子及相应的控制端子。

当容量比较大时，如果ＩＰＭ仍然集成整个逆变器，会产生两个方面的缺点：一是模块的体积和重量加大，给安装和布置带来困难，也不利于散热；二是当模块中局部元器件损坏时需要更换整个模块，而大容量的模块的成本必然更高，因此使维护成本增加了。

所以，容量比较大时，ＩＰＭ以两个或者一单元的形式提供。

两单元ＩＰＭ包括一个逆变桥臂的所有器件，即两个ＩＧＢＴ、续流二极管、驱动及保护电路。

一单元ＩＰＭ包括一个ＩＧＢＴ和它的续流二极管、驱动及保护电路。

逆变器的输出主电路中，还需要连续用于限制电压变化率的缓冲电路。

ＩＧＢＴ的驱动电路、保护电路以及包括缓冲电路在内的其他附加辅助电路的具体接线原理。

4.2异步电动机按磁通定向的矢量控制原理
一、电动机合成磁通势及磁链
合成磁通势及磁链是指气隙合成磁通势和气隙磁链。

如果计及定转子绕组漏磁影响，还有另外两个合成磁通势和磁链：定子合成磁通势和定子磁链；转子合成磁通势和转子磁链，三种合成磁通势和磁链定义如下。

（一）气隙磁链
是定子、转子通过气隙相互交链的那部分磁链：
= +(4-1)
式中：为定、转子绕组之间的互感；为由定子电流产生，穿过气隙与转子绕组交链的那部分磁链；
为由转子电流产生，穿过气隙与定子绕链的那部分磁链。

是由气隙合成磁通势产生的。

（二）定子磁链
是气隙磁链与定子漏磁链之和。

= + = ++
=+（4-2）
式中：为定子绕组漏感；为定子绕组全电感，=+；为定子电流产生的全部磁链。

是由定子合成磁通势产生的。

（三）转子磁链
是气隙磁链与转子漏磁磁链之和。

= += ++
=+（4-3）
式中：为转子绕组漏感；为转子绕组全电感，=+；为转子电流产生的全部磁链（包括漏磁链）。

是由转子合成磁通势产生的。

根据上述分析结果，可以作出磁链方向图，如图4-3所示。

、、均可以同步角速度旋转。

二、异步电动机定转子绕组中的感应电动势
通常异步电动机矢量控制系统是以转子磁链为基准，即磁链位置位于轴上。

（1）气隙磁链在定子绕组中感应出定子电动势：
(4-4)
(2)定子磁链在定子绕组中感应出定子全电动势：
dt
s d ss e ψ=
(4-5)
dt
di l e
e s
s a
s ss
σ
+=. (4-6) (3)气隙磁链在转子绕组中感应出转子电动势:
dt
d e s
rs
ψ-= (4-7)
(4)转子磁链在转子绕组中感应出转子全电动势:
dt
d e r
rr
ψ-= (4-8)
dt
di l e
e r
r a
r rr σ
-=. (4-9) 转子电动势rr e 、ra e 的计算是在转子位子d-q 坐标系进行，因为转子绕组本身是以角速度
r ω旋转的。

在磁链幅值不变的情况下，上述各电动势矢量分别垂直与各自的磁链矢量，矢量图如4-3所示。

若磁链幅值变化，电动势中除上述垂直分量外，还要增加与磁链平行的分量。

在d-q 坐标系中，磁链矢量r ψ的表达式为：
l j r e ϕψ=ψ （4-10）
式中：ψ为r ψ的幅值；
ωϕ∆=dt
d l
，ω∆为转差角速度。

将式（4-10）代入式（4-8），得：rr
rr j r rr
e e dt
e d e l 21)(+=ψ-=ϕ l
j r rr e dt
d e
ϕ.1
ψ-= （4-11）
)
90(20..-ψ∆=l j r rr
e
e ϕω
式中：rr
e 2为r ψ值变化引起的变化电动势，与r ψ反向；rr
e 2为旋转电动势，比r
ψ滞后0
90。

三、转子电流矢量
在图4-3中，由于转子漏磁链已被包含在r ψ中，所以电流矢量为： rr
r
r
e r i 1=
（4-12） 式中：r r 为转子电阻。

对应与（4-12），r
i 也可以分解为两部分： l j r rr
r
r
e i e r i ϕ1111-==
)90(22201-==
l j r rr r
r e i e r i ϕ （4-13） 式中：r i 1
为rr e 1
产生的转子电流，与r
ψ反向，其幅值为dt
d r i r r r ψ=11
；r i 2为rr
e 2产生的转子电流，比r ψ滞
后o
90，其幅值为r
r
r r i ψ∆=ω2。

由于磁链位置轴1φ位于转子磁链r ψ轴线上，所以r i 1就是r i 在1φ轴上的分量，r i 2就是r
i 在2φ轴的分量。

dt
d r i i r
r r r
ψ-
=-=11
1φ r
r
r r
r i i ωψφ∆-=-=2
2 （4-14）。