4.1 逆变电路&SPWM控制(陈新)
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第四章有源逆变讲解
• 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器 相互切换。
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-7
有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢规定： 角计算的起始点为控制角 = 处， 计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-0
概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-11
本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-12
有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 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6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。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
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4-7
有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢规定： 角计算的起始点为控制角 = 处， 计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
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4-0
概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
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4-11
本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
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4-12
有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 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6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。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
逆变电路
uo 4U d 1 1 sin t sin 3 t sin 5 t L 3 5
基波的幅值Uo1m： U o1m
4U d 1.27U d
2 2U dLeabharlann 基波有效值Uo1： U o1
0.9U d
上述公式对半桥逆变电路同样适用，只是公式中的Ud要换成Ud/2
逆变电路的主要应用 处理各种直流电源：如把蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源变成交 流电源。 交流电机变频调速、不间断电源、感应加热电源等。
2
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明：
P98
P98
S1~S4是桥式逆变电路的4个桥臂。 把直流电变成了交流电的原理： t1～t2期间：S1、S4闭合，S2、S3断开：负载电压uo为正(左正右负) t2～t3期间：S1、S4断开，S2、S3闭合：负载电压uo为负(左负右正) 改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流io和负载电压uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，负载电流io相位滞后于负载电压uo的相位，两者波形也不同。
14
全桥逆变电路的移相调压方式
P102
前述对称交替驱动180°的全桥电路输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。下面用移相方式调节输 出电压。将V4、V3的驱动信号相对于V1、V2前移，驱动 脉冲宽度仍为180°。 工作过程 ①t1时刻前：V1和V4导通， uo=+Ud ②t1时刻：关断V4，驱动V3。但V3不能立刻导通。因负载电感 中的电流io不能突变，二极管VD3导通与V1构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-V1)，期间uo=0 ③t2时刻：使V1截止，驱动V2，但V2不能立刻导通。因负载电 流io尚未降到零，VD2导通续流， VD2与VD3构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-电源-VD2)。期间uo=-Ud ④当负载电流io过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud ⑤t3时刻：关断V3，驱动 V4。但V4不能立刻导通，VD4导通续 流，uo再次为零。
基波的幅值Uo1m： U o1m
4U d 1.27U d
2 2U dLeabharlann 基波有效值Uo1： U o1
0.9U d
上述公式对半桥逆变电路同样适用，只是公式中的Ud要换成Ud/2
逆变电路的主要应用 处理各种直流电源：如把蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源变成交 流电源。 交流电机变频调速、不间断电源、感应加热电源等。
2
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明：
P98
P98
S1~S4是桥式逆变电路的4个桥臂。 把直流电变成了交流电的原理： t1～t2期间：S1、S4闭合，S2、S3断开：负载电压uo为正(左正右负) t2～t3期间：S1、S4断开，S2、S3闭合：负载电压uo为负(左负右正) 改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流io和负载电压uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，负载电流io相位滞后于负载电压uo的相位，两者波形也不同。
14
全桥逆变电路的移相调压方式
P102
前述对称交替驱动180°的全桥电路输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。下面用移相方式调节输 出电压。将V4、V3的驱动信号相对于V1、V2前移，驱动 脉冲宽度仍为180°。 工作过程 ①t1时刻前：V1和V4导通， uo=+Ud ②t1时刻：关断V4，驱动V3。但V3不能立刻导通。因负载电感 中的电流io不能突变，二极管VD3导通与V1构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-V1)，期间uo=0 ③t2时刻：使V1截止，驱动V2，但V2不能立刻导通。因负载电 流io尚未降到零，VD2导通续流， VD2与VD3构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-电源-VD2)。期间uo=-Ud ④当负载电流io过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud ⑤t3时刻：关断V3，驱动 V4。但V4不能立刻导通，VD4导通续 流，uo再次为零。
逆变电路原理图
逆变电路原理图逆变电路是一种将直流电转换为交流电的电路。
它通常由开关管和电感、电容等元件组成，可以实现直流电源向各种负载输出交流电。
逆变电路在各种电子设备中都有广泛的应用，例如逆变电源、UPS电源等。
在本文中，我们将介绍逆变电路的原理图及其工作原理。
逆变电路的原理图通常由输入端、输出端、开关管、电感、电容等元件组成。
其中，输入端接收直流电源，经过开关管的控制，通过电感和电容等元件实现直流电到交流电的转换，最终输出到负载中。
开关管的工作状态由控制电路来控制，它可以周期性地打开和关闭，从而实现对直流电的切割和转换。
电感和电容则起到了滤波和平滑输出波形的作用。
逆变电路的工作原理是基于开关管的工作状态来实现的。
当开关管处于导通状态时，直流电源通过电感储能，同时电容器充电，此时负载得到电源供电。
当开关管处于断开状态时，电感释放能量，电容器放电，此时负载得到的是电感和电容器放电的能量。
通过不断地切换开关管的工作状态，可以实现直流电到交流电的转换。
在逆变电路中，开关管的工作状态由控制电路来控制。
控制电路通常由PWM控制器、驱动电路、反馈电路等组成。
PWM控制器可以根据输入信号的大小和频率来生成相应的脉冲信号，驱动电路则将脉冲信号传递给开关管，控制其导通和断开。
反馈电路则可以监测输出端的电压和电流，将其反馈给PWM控制器，实现对输出波形的调节和稳定。
逆变电路的原理图和工作原理对于电子工程师来说是非常重要的。
通过深入理解逆变电路的原理图和工作原理，可以更好地设计和调试逆变电路，提高电路的效率和稳定性。
同时，对于工程师来说，熟练掌握逆变电路的原理图和工作原理也是必不可少的技能。
总之，逆变电路是一种非常重要的电子电路，在各种电子设备中都有着广泛的应用。
通过深入理解逆变电路的原理图和工作原理，可以更好地应用和设计逆变电路，提高电路的效率和稳定性。
希望本文对您有所帮助，谢谢阅读！。
电力电子技术-第4章逆变电路讲解
（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
电力电子整流逆变电路讲解
第4章 逆变电路
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
引言
■逆变的概念 ◆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，本章主要讲述无源逆变。 ■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。 ■逆变电路的主要应用 ◆各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
e) f)
O O
2 U 3
d
t
U d 3
uNN'
t
1 (uUN' uVN' uWN' ) 3
(4-7)
iU g) i h) O
d
t
O
t
图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
◆负载参数已知时，可以由uUN的波形 求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的 是阻感负载下 / 3时iU的波形。 ◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可 得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所 示，可以看出id每隔60°脉动一次。
图4-4 电感耦合式强迫换流原理图
■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 ◆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。
8/47
4.2 电压型逆变电路
u a) u b) u c) u d)
UN'
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
引言
■逆变的概念 ◆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，本章主要讲述无源逆变。 ■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。 ■逆变电路的主要应用 ◆各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
e) f)
O O
2 U 3
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t
U d 3
uNN'
t
1 (uUN' uVN' uWN' ) 3
(4-7)
iU g) i h) O
d
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O
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图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
◆负载参数已知时，可以由uUN的波形 求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的 是阻感负载下 / 3时iU的波形。 ◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可 得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所 示，可以看出id每隔60°脉动一次。
图4-4 电感耦合式强迫换流原理图
■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 ◆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。
8/47
4.2 电压型逆变电路
u a) u b) u c) u d)
UN'
电力电子技术——有源逆变电路
当=60，Id=0时，设对应的反电动势为 E0 ，
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
电力电子技术-PWM型逆变电路的控制方法
直流－交流变换器(3)
4.5.1 PWM逆变电路的控制信号的产生方法
z 计算法
根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽 度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM 波形。
本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要 变化。
z
调制法
在调制信号ur 和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断，在负载上调
制出期望的信号。
直流－交流变换器(3)
1. 调制法
可采取单极性调制(载波为单极 性），也可采用双极性调制(载 波为双极性）。
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。
u uc ur
O
ωt
Uudo
uo uof
O
ωt
-Ud
单极性PWM控制方式波形
u
ur uc
O
ω
uo
uof uo
Ud
确定a1的值，再令两个 不同的 an=0(n=3,5…)， 就可建三个方程，求得
α1、α2和α3 。
O a1
a2 a3
π
2π
ωt
-Ud
特定谐波消去法的输出PWM波形
直流－交流变换器(3)
消去两种特定频率的谐波 在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消。 可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：
给定a1，解方程可得α1、α2和α3。a1变，α1、α2和α3也相应改变。
直流－交流变换器(3)
一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周
期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k－1
个频率的特定谐波。 k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在下一讲学习。
电力电子技术41逆变
4.1.1 逆变器的基本原理
3. 斩控调制方式
②脉冲频率调制（PFM）：
u
这种控制方式是指调制脉
冲宽度和幅值固定不变，而
o
t
脉冲调制频率可调。基于PFM 控制的逆变器输出波形如图
b)
4-5b所示。PFM控制方式由于
需要很宽的开关频率变化范
围，考虑到输出滤波器设计
的困难，因此在逆变器中一
般较少采用。
显然，采用SPM控制方式时，逆变 器输出方波的幅值即逆变器直流侧 电压（或电流）的幅值恒定。
4.1.1 逆变器的基本原理
1. 方波变换方式
采用SPM变换方式时，由于逆变器输出方波的幅值一定，因此逆 变器直流侧可采用较为简单的不变幅值的直流电源整流输入方 式（如二极管整流电路）。
但是SPM方式由于需要调节方波的导通角，因而需要采用快速功 率元件（如IGBT等）
方波逆变器常采用脉冲幅值调制（PAM）控制 阶梯波逆变器常采用移相叠加或多电平控制 正弦波逆变器则常采用脉冲宽度调制（PWM）控制
3. 按逆变器功率电路结构形式的不同，逆变器可分为半桥逆变器、 全桥逆变器、推挽式逆变器等。
4. 按逆变器功率电路的功率器件的不同，逆变器可分为半控型逆 变器和全控型逆变器。
4.1 概述
许多场合下，电网提供的50Hz工频电源不能满足负载的特殊需 要，要用交直交变频电路进行电能变换。如感应加热，根据加 热工艺和对象的不同，所需感应加热电源的频率范围从几百Hz 到几千Hz。
交流电机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源，这些 电源的核心就是逆变电路。
有些负载虽然也用工频电源供电，但对电源的频率稳定性、波 形畸变等有严格要求，且绝不允许瞬时停电。比如对于计算机 一类的负载，特别是银行、证券公司、医院以及大型计算机中 心的计算机，瞬时的停电会带来严重后果。因此，需要不间断 电源（Uninterruptable Power Supply——UPS），其核心就 是逆变电路。
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逆变器输出波形的PWM控制
4。改进型正弦脉宽调制 仅正弦波过零点附近60度加入载波
优点：增加基波分量，并保持原谐波含量，同时减 小了开关损耗
逆变器输出波形的PWM控制
5。谐波消除技术： （1）固定开关角（2）阶梯波（3）多重化连接
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（ 1 ） 特 定 谐 波 消 去 法 (Selected Harmo-nic Elimination PWM—SHEPWM)
当ur>uc时使V4通，V3 断，uo=Ud
ur负半周，V1保持断，V2保持通 当ur<uc时使V3通，V4断，uo=-Ud 当ur>uc时使V3断，V4 通，uo=0 虚线uof表示uo的基波分量
当ur<uc时使V4断，V3 通，由D2续流，uo=0
V1 VD1
V3
u
uc
ur
VD3
总之，SPWM控制是变换器中关键技术之一，而且仍然是在不 断深入研究的重要课题。
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三相桥式逆变器
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第九章功率晶体管（5）
三相SPWM调制
在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥 式逆变器。
三相桥式逆变器一般都采用双极性控制方 式。
U、V和W三相的SPWM的控制通常公用一 个三角波载波信号，用三个相位互差120° 的正弦波作为调制信号，以获得三相对称输 出。U、V和W各相功率开关器件的控制规 律相同。
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SPWM产生方法2－专用集成电路
三相桥式逆变器
采用专门产生SPWM波形的大规模集成电路芯片可简化控制电 路和软件设计，降低成本，提高可靠性。
目 前 应 用 得 较 多 的 SPWM 芯 片 有 HEF4752 、 SLE4520 、 MA818、8XC196MC。
HEF4752芯片可提供三组互差120°的互补输出SPWM控制 脉冲，以供驱动逆变器六个功率开关器件产生对称的三相输 出，可适用于晶闸管或功率晶体管。该芯片有8段载波比(15、 21、30、42、60、84、120、168)自动切换，调制频率范围 为0~200Hz
在交点时刻对功率开关器件的通断进行控 制，这样就可得到SPWM波形。
但这种模拟电路的缺点是结构复杂，难以 实现精确的控制。目前SPWM的产生和控 制可以用微机来完成
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1. 自然采样法
求取开关时刻的方程 式是超越方程，求解 时需要花费较多的计 算时间，因而难以在 实时控制中在线计 算。
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在用微机软件生成SPWM时，通常有查表法和实时计 算法。
查表法是根据不同的调制度M和正弦调制信号的角频 率，先离线计算出各开关器件的通断时刻，把计算结果 存于EPROM中，运行时查表读出需要的数据进行实时 控制，该方法所需要的内存容量往往较大。
实时计算法是在运行时，根据控制变量进行在线计算求 得所需的数据。这种方法适用于计算量不大的场合。实 际所用的方法往往是上述两种方法的结合。
第九章功率晶体管（5）
南航 电力电子 课程组
逆变电路
逆变电路与PWM控制
陈新
chen.xin@
课程组网站：/powerelec
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逆变电路 • 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 主要研究无源逆变 交流侧接负载，为无源逆变
在这种方法中，已经不再比较载波和正弦调制波，但目的仍是 使输出波形尽可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的 一种方法。
应当指出，低次谐波消去法可以很好地消除指定的低次谐波， 但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大。不过，因 为其次数已比所消去的谐波次数高，因而较容易滤除。
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4．跟踪型SPWM
电压型逆变器
逆变电路的基本工作原理
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逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作 原理
S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
t
a)
b)
图5-1 逆变电路及其波形举例
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逆变电路的基本工作原理
S1、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。
可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样 法所得到的脉冲宽度非常接近。
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第九章功率晶体管（5）
采用三角波载波的规则采样法
采用三角波载波的规则采样法
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3．低次谐波消除法
以消去SPWM波形中某些主要的低次谐波为目的，通过计算确 定各脉冲的开关时刻．这种方法称为低次谐波捎去法。
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SPWM变换器
功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶 体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。
用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使装置的 体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本 低。
SPWM变换器，简单地说，是控制逆变器开关器件的 通断顺序和时间分配规律，在变换器输出端获得等 幅、宽度可调的矩形波。这样的波形可以有多种方法 获得。
u
O
uo Ud
O -Ud
ur
uc
uof
uo
ωt ωt
27
28
双极性PWM控制方式
当ur >uc时，给V1和V4导通 信号，给V2和V3关断信号
当ur<uc时，给V2和V3导通 信号，给V1和V4关断信号
u
O
uo Ud
O -Ud
ur
uc
uof
uo
ωt
ωt 29
双极性PWM控制方式
3．双极性调制
直流电 交流电
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第九章功率晶体管（5）
逆变电路的基本工作原理
逆变电路
逆变电路最基本的工 作原理 ——改变两组
开关切换频率，可改
变输出交流电频率。
电和u阻o的负波载形时相，同负，载相电位流也io 相同。
a) uo
io
于阻u感o负，载波时形，也i不o相同位。滞后
t1 t2
t
b)
图5-1 逆变电路及其波形举例
k越大，开关时刻的计算越复杂 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法
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（2）阶梯波和多重化连接 低频开关工作，适用于很大功率输出 缺点：体积重量较大
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逆变器输出波形的PWM控制
1.单脉宽调制
优点：开关损耗小 缺点：THD较大
2。多脉宽调制（均匀多脉冲宽度调制） 3。正弦脉冲宽度调制（SPWM）
跟踪型SPWM也不是用载波对正弦波进行调制 是把希望输出的电流或电压作给定信号，与实
际电流或电压信号进行比较，由此来决定逆变 器电路功率开关器件的通断，使实际输出跟踪 给定信号。 跟踪型SPWM变换器中，电流跟踪控制应用较 多。主要的有电流滞环控制型和固定开关频率 型。
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SPWM产生方法1－微机软件生成SPWM
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输出波形的控制方法
逆变器输出波形的PWM控制
1.单脉宽调制：在半周期内仅有一个脉冲，改变脉 冲宽度来调压
参考信号Ar, 幅值为Ac频率为fc的三角载波信号 输出基波频率fo：fc/2 改变调制度M=Ar/Ac调压
优点：开关损耗小 缺点：THD较大
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逆变器输出波形的PWM控制
2。多脉宽调制（均匀多脉冲宽度调制） Ur1:参考（调制）门信号频率fo 高频载波频率为fc 半周期脉冲数为p=fc/(2fo) P越大，低次谐波降低， 失真度减小。
SPWM调制特点
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关于SPWM的开关频率
SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频 率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它谐波。因 此， SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少。当载波频率越 高时，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。
但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约 外，开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增 加。
2. 规则采样法
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自 然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。
实际应用较多的还是采用三角波作为载波的规则采样法： a.在三角波的负峰时刻tD对正弦调制波采样而得到D点 b.过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点 c.在A点的时刻tA和B点的时刻tB控制功率开关器件的通断
多脉冲宽度随正弦波幅值改变。THD小
4。改进型正弦脉宽调制
仅正弦波过零点附近60度加入载波
5。谐波消除技术： （1）固定开关角（2）阶梯波（3）多重化连接
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第九章功率晶体管（5）
SPWM调制原理
SPWM图示
画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等 分(图中k＝7)。
将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面 积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替 代
从而得到一组等效于正 弦波的一组等幅不等宽 的矩形脉冲的方法称为 逆变器的正弦脉宽调制
(SPWM)。
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SPWM变换器
SPWM型变换器
给逆变器固定的直流电压 通过开关元件有规律的导通和关断，得到由宽
度不同的脉冲组成的电压波形 调制波形削弱和消除某些高次谐波，得到具有
较大基波分量的正弦输出电压。
¾ 这是计算法中一种较有代表性的方法，
¾ 输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π）， 共6个开关时刻可控 uo Ud
O a1
a2 a3