【文章內容簡介】 可控開關元件上 均反并聯(lián)有 二極管 D1…D6 ，稱為反饋二極管或續(xù)流二極管。電路基本工作方式是180186。導電方式，即橋臂上各元件的導電角度均為 180186。，同一橋臂的上下元件交替導電，相位相差 180186。以 T T2…T6 的次序依次控制各開關元 件的導通，每隔 60186。換流一次，在任何瞬間都有三個開關元件同時導通，并按 3， 4， 5， 6， 1， 2順序導通。 三相橋式逆變器的工作模式及運行狀態(tài) 逆變器的負載可以按星形或三角形聯(lián)結。當負載為三角形接法時，如圖 32，則負載相電壓等于線電壓，易求得 uvI? =Vuv /R,那么線電流 u uv wuI I I? ? ??? 也就知道了。當負載為星形接姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設計 14 法時，如圖 33，必須先求出負載的相電壓 Vun,才能求 出線電流 /u unI V R? ? 。 現(xiàn)以電阻負載接成星形為例說明如下： UVWUVW?U V?V W?W U nW 圖 32 三角形負載 圖 33 星形負載 Figure 3 2 Triangle load Figure 3 3 Star load 由橋式逆變器的工作原理知，在輸出半周內逆變器有下述 3 種工作模式： （ 1） 模式 1（ 0≤ wt ≤ π/3）， T T T1 有驅動信號。三相橋的 U、 W 兩點接正電位P， V 點接負電位 Q。 RRRUWVVDPQNi1 圖 34 逆變器工作模式 1 Figure 3 4 Inverter mode 1 等效電阻： 1132223323EDDEDun wnDvnRRRRVViRRVvvVv i R? ? ?????? ? ? ? （ 31） （ 2） 模式 2（ π/3 ≤ wt≤ 2π/ 3）， T T T2 有驅動信號。 U 點接正電位 P， V、 W 接負電位 Q。 RRRUWVVDPQNi2 圖 35 逆變器工作模式 2 Figure 3 5 Inverter mode 2 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 15 等效電阻： 222322232323EDDEDunDvn w nRRRRVViRRVv i Ri R Vvv? ? ??????? ? ? ? （ 32） (3) 模式 3（ 2π 3 ≤ wt ≤ π） ， T T T3 有驅動信號。 U、 V 點接正電位 P,W 點接負電位Q。 RRRUWVVDPQNi3 圖 36 逆變器工作模式 3 Figure 3 6 Inverter mode 3 等效電阻： 333322232323EDDEDvn unDwnRRRRVViRRiR VvvVv i R? ? ???? ? ?? ? ? ? （ 33） 根據(jù)以上分析可知，星形負載電阻上的相電壓 Vun、 Vvn、 Vwn 波形是階梯波，如果時間坐標起點取在階梯波的起點，縱坐標為電壓為零線，利用傅立葉級數(shù)分析可得 U 相電壓瞬時值為： ?1 1 1s in s in 5 s in 7 s in 1 12 5 7 1 1u n Dv V w t w t w t w t? ?? ? ? ? ??? （ 34） 基波幅值為： 1 2mDVV?? （ 35） 無 3 次諧波，只含 更高階奇次諧波， n 次諧波幅值為基波幅值的 1/n， 線電壓為 120186。寬的方波幅值為 VD。 三相逆變器輸出 SPWM 控制和死區(qū)效應及補償 姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設計 16 三相逆變器輸出 SPWM 控制 上節(jié)介紹的帶星形負載的電壓型三相逆變器每個開關器件在一個開關周期中僅通、斷狀態(tài)轉換一次，輸出線電壓每半周中僅一個脈沖電壓（ 120186。方波），相電壓則為階梯波，逆變器輸出電壓中的基波僅取決于直流電壓 VD 的大小而不能調節(jié)控制，最低諧波階次為5，且諧波含量大。對于三相逆變器也可采用 SPWM 控制方式。在輸出電壓的每一個周期中，各開關器件通、斷轉換多次，既可實現(xiàn)調節(jié)、控制輸出電壓的大小，又可消除低次諧波而改善輸出電壓波形。 圖 37 是三相 SPWM 的驅動信號發(fā)生電路。此電路引入了逆變器輸出電壓 V0的閉環(huán)反饋調節(jié)控制系統(tǒng)。 V0*為輸出電壓的指令值， V0為輸出電壓的實測反饋值。電壓偏差 △V0=V0*V0，經(jīng)電壓調節(jié)器 VR 輸出調制參考電壓波的幅值 Vrm。 Vrm與 調制參考波的頻率rf ( rf 決定了輸出電壓基波頻率 11, rf f f? )共同產(chǎn)生三相調制參考波正弦信號 Vur(t)、 Vvr(t)、Vwr(t)。 Vur(t)、 Vvr(t)、 Vwr(t)與雙極性三角載波電壓 V 相比較產(chǎn)生驅動信號 VG VG VGVG VG VG2，控制 1T 、 4T 、 3T 、 6T 、 5T 、 2T 6 個全控型開關器件的通、斷狀態(tài)，從而控制逆變器輸出的三相交流電壓 ()ouUt、 ()ovUt、 ()owUt的瞬時值 [14]。 +V0*V0V RV r mf r參考波形成V u r ( t )V v r ( t )V w r ( t )V c f c+_+_+__+_+_+ 1 1 1V G 1 ,T 1V G 4 ,T 4V G 3 ,T 3V G 6 ,T 6V G 5 ,T 5V G 2 ,T 2 圖 37 驅動信號生成 電路 Figure 3 7 Drive signal generation circuit 輸出電壓 V0的基波大小與調制系數(shù) M =V rm/Vcm成正比。當實際輸出電壓基波小于指令值 V0＜ V0*時，電壓偏差 △V0=V0*V0＞ 0,電壓調節(jié)器 VR 輸出的 rmV 增大， M 值增大，使輸出電壓各脈寬加寬，輸出電壓 V0增大到給定值 V0*；反之當 V0＞ V0*時， △V0=V0*V0＜ 0，遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 17 V rm減小， M 減小，使輸出電壓 0V 減小到 V0*。 死區(qū)效應及其補償 隨著雙極型晶體管、 GTO、 IGBT 等快速半導體器件的實際應用， PWM 技術得到了迅速普及。我們知道，任何固定的電子開關器件都具有一定的固有開通和關斷時間。三相橋式逆變器系統(tǒng)中，同一橋臂上的兩個開關器件工作互補狀態(tài)。由于一般開關器件的開通時間小于關斷時間，因此，如果將互補的控制信號加到同一橋臂上兩個開關器件的控制極上，那么這兩個開關器件將會發(fā)生 “直通 ”，其后果非常嚴重。所以，目前的逆變器系統(tǒng)廣泛采用時間延遲的控制技術，即將理想的 PWM 控制信號上升沿或下降沿延遲一段時 間，在這段時間內輸出信號是不可控的，這就是死區(qū)時間。死區(qū)的存在使 SPWM 逆變器不能完全精確復現(xiàn)控制信號的波形。死區(qū)效應不但會降低基波幅值，而且會產(chǎn)生低次諧波。 死區(qū)補償 常用死區(qū)補償方法有兩種：電流反饋型和電壓反饋型。 （ 1）電流反饋型 這種方法通過檢測逆變器的三相輸出電流的極性來確定補償電壓。受死區(qū)時間及電流幅值和頻率的影響，電流過零點一般存在一定程度的模糊性，因而電流極性的檢測精度會受到一定的影響。同時必要的電流濾波環(huán)節(jié)也加劇了對電流極性實時檢測的難度，尤其用軟件實現(xiàn)時，嚴重的檢測滯后會破壞 對死區(qū)時間的正確補償。電流過零點附近的某些點的補償電壓實際應為 △ U，若由于噪聲或電流檢測的滯后，誤判斷這些點電流 i0，根據(jù)補償原理，補償電壓應為 +△ U，這種誤補償將導致輸出電流向錯誤的方向變化，并使誤補償延續(xù)下去，從而流過零點處發(fā)生畸變，特別在低頻低壓輸出時畸變更加嚴重。 （ 2）電壓反饋型 將各相的 PWM 輸出檢測出來，同給定 PWM 波進行比較，得到實際偏差電壓。然后將偏差電壓同給定 PWM 波疊加，得到新的給定。這種方法同樣具有補償?shù)臏笮?。每次比較結果必須在下一個開關周期才能得到校正，同時存在輸出 PWM 的高 精度檢測問題，實現(xiàn)起來較復雜。 三相橋式逆變器數(shù)學模型的分析 分析數(shù)學模型是理論研究和設計的出發(fā)點和基礎，建立三相電壓型橋式逆變器的數(shù)學模型，是分析和研究三相 PWM 逆變系統(tǒng)的基礎。逆變器的開關模型可以最大限度的逼近姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設計 18 實際的逆變器系統(tǒng)，它應該可以準確地給出在不同負載條件和瞬態(tài)時的時域波形。但是由于開關的非線性，為了研究系統(tǒng)的頻域特性，就必須建立一個線性模型，在工程中常常采用狀態(tài)空間平均法。 三相橋式逆變電源的主電路如圖 38 所示，由三相逆變橋、三相濾波器組成。 假定三 U dS 1S 3 S 5S 4S 6S 2ABCU AU BU Ci ai bi cR 0R 0R 0LLLU a bU bcU c aⅠ o aⅠ o bⅠ o cLoad圖 38 三相橋式逆變電源的主電路 Figure 3 8 Threephase inverter bridge the main circuit 相濾波器 對稱、一致，濾波電感為 L，濾波電容為 C，而 R0 代表電感損耗、線路阻抗及開關開通和關斷損耗的總效應 [11]。 數(shù)學上，三相逆變橋可用如下開關矩陣表示： ? ?A TB A B C dCUU S S S UU???????????? （ 36） 其中 SA、 SB、 SC為開關函數(shù)，開關函數(shù)定義如下： ? ?, 10i i A B CS ? ?? ?? 橋 臂 上 管 導 通 ， 下 管 關 閉橋 臂 下 管 導 通 ， 上 管 關 閉 （ 37） 把負載電流處理為擾動輸入，取電感電流、電容電壓為狀態(tài)變量，對由逆變橋的任兩個輸出端 A、 B 或 C 組成的環(huán)路列寫基爾霍夫電壓方程，對濾波器輸出端端點 a、 b、 c 列寫基爾霍夫電流方程，可得到三相濾波器的狀態(tài)方程為： 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 19 000000ab c aa oabc abb obc a bcc ocabab a b A Bbcbc b c B Ccac a c a C Adu duC C i Idt dtdu duC C i Idt dtdu duC C i Idt dtdi diL L u R i R i U Udt dtdi diL L u R i R i U Udt dtdi diL L u R i R i U Udt dt?? ? ????? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ??? （ 38） 表示成矩陣形式： Ax Bx Cu? ?? 即： 00000010 0 0 0 010 0 0 0 01 0 1 0 0 01 1 0 0 0 010 0 0 0 00 1 1 0 0 00 0 0 1 1 0 10 0 00 0 0 0 1 110 0 0 1 0 10 0 010 0 0abbccaabcCuCuuCRRiL L Li RRL L LiRRL L L???????????? ???? ??????? ?????? ??????? ??????? ??????? ??????? ????????? ?????? ????? ???? ???? ??????????10 0 0 0 010 0 0 0 010 0 0 0