軌道交通車輛牽引逆變器檢修-無源逆變的基本原理

PWM控制的基本思想PWM控制的基本思想為了使逆變器的輸出電壓波形趨于正弦波，可以采用多重逆變或脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方法。PWM技術(shù)就是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，以達(dá)到控制頻率、電壓、電流和抑制諧波的目的。PWM控制的基本思想PWM是通過控制半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間比，調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來控制輸出電壓的一種控制技術(shù)。將脈寬控制技術(shù)應(yīng)用于逆變器，即可以控制逆變器輸出電壓的頻率，波形及基波幅值。PWM控制的基本思想在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量（脈沖面積）相等而形狀不同的窄脈沖（如后圖所示）加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。即是說，對于兩個不同的窄脈沖，如果它們的面積相等，則將它們分別加在相同的慣性環(huán)節(jié)上，如R-L電路，則有相同的輸出波形。我們稱之為面積等效原理。它是PWM控制技術(shù)的重要基礎(chǔ)。PWM控制的基本思想形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖PWM控制的基本思想左圖（b）所示的脈沖序列就是PWM波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波形。與正弦波等效的SPWM波PWM控制的基本思想根據(jù)PWM的控制原理，在給出了逆變電路正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計算出來。按照計算的結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形，這種方法稱為計算法。PWM控制的基本思想在實際應(yīng)用中，通常采用的是調(diào)制法，即把希望得到的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所希望的PWM波形。通常采用的載波信號是等腰三角形波。當(dāng)調(diào)制信號為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。根據(jù)三角形波在半個周期內(nèi)的極性的不同，可以分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種調(diào)制方法。PWM控制脈沖模式PWM控制脈沖模式為了使PWM逆變器的輸出電壓盡可能接近正弦波，減少諧波輸出，應(yīng)使載波頻率為調(diào)制波頻率的基數(shù)倍（如11以上）。隨著輸出電壓頻率的提高，會使構(gòu)成逆變器的功率器件的開關(guān)頻率明顯上升。而功率器件的實際工作頻率，是有一定限度的。PWM控制脈沖模式為了得到合適的輸出波形，又不超過功率器件的工作頻率，通常，在逆變器的基礎(chǔ)頻率以下，載波頻率與調(diào)制波頻率倍數(shù)比較大，在基礎(chǔ)頻率以上時，這個倍數(shù)要逐漸變小，甚至調(diào)整為1，即逆變器的輸出頻率為方波。PWM控制脈沖模式上圖中，調(diào)制脈沖數(shù)在定子頻率為30Hz以內(nèi)保持不變，該模式稱為異步模式。脈沖模式分配圖PWM控制脈沖模式當(dāng)定子頻率在30Hz以上時，則采用同步脈沖模式，但受限于器件的工作頻率，載波頻率與調(diào)制波頻率的倍數(shù)（即在每半波周期內(nèi)有不同的脈沖數(shù)）是變化的，分別為9分頻，7分頻，5分頻，3分頻，方波。PWM控制脈沖模式在3分頻轉(zhuǎn)為方波時，為了防止波形幅度變化劇烈，此時有一個過渡過程，即由3M轉(zhuǎn)為3S。3M指的是在半波周期內(nèi)輸出電壓（方波）導(dǎo)通寬度小于60度，3S指的是在半波周期內(nèi)輸出電壓（方波）導(dǎo)通寬度大于90度，該變換的目的主要是為了減少逆變器輸出電壓的諧波干擾。PWM控制脈沖模式當(dāng)定子的頻率低于30Hz時，逆變器工作在異步模式下，在13-30Hz的工作范圍內(nèi)調(diào)制波頻率為450Hz，低于13HZ時根據(jù)特性曲線載波頻率為200Hz，該過程主要是確保在啟動時有足夠小的電機(jī)電壓。單極性SPWM控制單極性SPWM控制上圖是采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型單相橋式逆變電路，負(fù)載為感性負(fù)載。單相橋式PWM逆變電路單極性SPWM控制采用PWM控制時，對IGBT的控制按下面規(guī)律進(jìn)行：1.在正半周，讓IGBT管VT1一直保持導(dǎo)通，而讓VT4交替通斷。當(dāng)VT1和VT4同時導(dǎo)通時，負(fù)載上所加的電壓為直流電源電壓，即uo=Ud。當(dāng)VT1導(dǎo)通而使VT4關(guān)斷后，由于電感性負(fù)載中的電流不能突變，負(fù)載電流將通過二極管VD3續(xù)流，負(fù)載上所加電壓uo=0。單極性SPWM控制2.在負(fù)半周，讓IGBT管VT2始終保持導(dǎo)通。當(dāng)VT3導(dǎo)通時，負(fù)載電壓為uo=－Ud；當(dāng)VT3關(guān)斷時，VD4續(xù)流，負(fù)載電壓為uo=0。這樣，在一個周期內(nèi)，逆變器輸出的PWM波形就由±Ud和0三種電平組成。單極性SPWM控制控制VT3或VT4通斷的單極性SPWM方法如左圖所示，載波uc在調(diào)制波ur的正半周為正極性的三角波，在負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。單極性PWM控制方式原理單極性SPWM控制這種在ur的半個周期內(nèi)三角波載波只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路圖中Ud為電流電源電壓，R為逆變電路的輸出負(fù)載，VT1~VT4為四個全控型器件的開關(guān)。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路及電壓、電流波形圖（a）電路（b）負(fù)載電壓波形圖（c）電阻負(fù)載電流波形（d）感性負(fù)載電流波形VT1和VT4構(gòu)成一對導(dǎo)電臂，VT2和VT3構(gòu)成另一對導(dǎo)電臂，兩對導(dǎo)電臂交替導(dǎo)通180°，其輸出電壓如左圖（b），負(fù)載電流波形如左圖（c）、（d）所示。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路在感性負(fù)載時的工作過程:t=0時刻以前，VT2、VT3導(dǎo)通，VT1、VT4關(guān)斷，電源電壓反向加在負(fù)載上，

。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路在t=0時刻，負(fù)載電流上升到負(fù)的最大值，此時關(guān)斷VT2、VT3，同時驅(qū)動VT1、VT4，由于感性負(fù)載電流不能立即改變方向，負(fù)載電流經(jīng)VD1、VD4續(xù)流，此時，由于VD1、VD4導(dǎo)通，VT1、VT4受反壓而不能開通。負(fù)載電壓

。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路到t1時刻，負(fù)載電流下降到0，VD1、VD4自然關(guān)斷，VT1、VT4在正向電壓作用下開始導(dǎo)通，負(fù)載電流正向增大，負(fù)載電壓

。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路到t2時刻，負(fù)載電流上升到正的最大值，此時關(guān)斷VT1、VT4，并驅(qū)動VT2、VT3，同樣，由于負(fù)載電流不能立即換向，負(fù)載電流經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，負(fù)載電壓

。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路t3時刻，負(fù)載電流下降到0，VD2、VD3自然關(guān)斷，VT2、VT3開通，負(fù)載電流反向增大，此時，

。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路到t4時刻，負(fù)載電流上升到負(fù)的最大值，完成一個工作同期。可見，對于感性負(fù)載，VD1~VD4起提供負(fù)載電流續(xù)流通道和反饋無功能量的作用。單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路的輸出電壓為方波，定量分析時，將uo展開成傅氏級數(shù)，得其中基波分量的幅值Uo1m和有效值Uo1分別為電壓型三相橋式逆變器電壓型三相橋式逆變器電路由三個半橋組成，開關(guān)管采用全控型器件，如GTO、IGBT、GTR等，VD1~VD6為續(xù)流二極管。這是最基本的逆變電路。大功率的應(yīng)用均要求采用三相逆變電路，當(dāng)對波形有較高要求時，則采用此基本線路進(jìn)行多重疊加或采用PWM控制方法，以抑制高次諧波。電壓型三相橋式逆變器電壓型三相橋式逆變器根據(jù)各開關(guān)管導(dǎo)通時間的長短，該電路可分180°導(dǎo)電型和120°導(dǎo)電型，其中常用的為180°導(dǎo)電型。在180°導(dǎo)電型中，每個開關(guān)管的驅(qū)動信號持續(xù)180°，同一相上下兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通，在任何時刻都有三個開關(guān)管導(dǎo)通。在一個周期內(nèi)，6個管子觸發(fā)導(dǎo)通的次序為VT1~VT6，

依次相隔60°，導(dǎo)通的組合順序為VT1VT2VT3、VT2VT3VT4、VT3VT4VT5、VT4VT5VT6、VT5VT6VT1、VT6VT1VT2，每種組合工作60°電角度。電壓型三相橋式逆變器180°導(dǎo)通型三相橋式逆變電路的工作波形（a）相電壓波形

（b）線電壓波形電壓型三相橋式逆變器180°導(dǎo)電型三橋式逆變電路各階段等效電路及相電壓和線電壓的值表中，負(fù)載為三相星形對稱負(fù)載電壓型三相橋式逆變器從波形圖可看出，負(fù)載線電壓為120°正負(fù)對稱的矩形波，而相電壓為180°正負(fù)對稱的階梯波，與正弦波接近，三相負(fù)載電壓相位差為120°。對于180°導(dǎo)電型逆變電路，為了防止同一相上下橋臂同時導(dǎo)通而引起直流電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號，待其關(guān)斷后留一定時間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間。電壓型三相橋式逆變器除180°導(dǎo)電型外，三相橋式逆變電路還有120°導(dǎo)電型的控制方式。即每個橋臂120°，同一相上下兩臂的導(dǎo)通有60°間隔，各相依次相差120°。與180°導(dǎo)電型相反，120°導(dǎo)電型的相電壓為矩形波，而線電壓為階梯波。采用120°導(dǎo)通方式時，由于同一橋臂上下兩管有60°的導(dǎo)通間隙，對換流安全有利，但管子的利用率較低，并且，若電機(jī)采用星形接法，則始終有一相繞組斷開，在換流時該相繞組中會引起較高的感應(yīng)電勢，需要采用過電壓保護(hù)措施。電壓型三相橋式逆變器改變逆變橋開關(guān)管的觸發(fā)頻率或者觸發(fā)順序，則能改變輸出電壓的頻率及相序，從而可實現(xiàn)電動機(jī)的變頻調(diào)速與正反轉(zhuǎn)。三相橋式SPWM控制三相橋式SPWM控制對于三相逆變器也可以采用雙極性SPWM控制方式，如圖所示。三相橋式SPWM逆變電路三相橋式SPWM控制a、b、c三相通常共用一個等腰三角形載波uc，三相正弦調(diào)制信號ura、urb、urc頻率相同、幅值相同，相位依次相差120°，各相控制規(guī)律相同，其波形如圖所示。三相雙極性SPWM調(diào)制波形三相橋式SPWM控制當(dāng)給VT1或VT4加導(dǎo)通信號時，VT1（或VT4）及續(xù)流管VD1（或VD4）的導(dǎo)通情況取決于感性負(fù)載中原來電流的大小和方向，與單相時的情況相同。雙極性SPWM控制雙極性SPWM控制上圖是采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型單相橋式逆變電路，負(fù)載為感性負(fù)載。單相橋式PWM逆變電路雙極性SPWM控制在雙極性PWM控制方式中，在ur的半個周期內(nèi)，三角形載波是在正負(fù)兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的。雙極性PWM控制方式原理雙極性SPWM控制在雙極性PWM控制方式中，同一相的上下兩個橋臂的驅(qū)動信號都是互補(bǔ)的。實際上為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關(guān)斷信號后，再延遲Δt時間（亦即通常所說的死區(qū)時間），才給另一個臂施加導(dǎo)通信號。延遲時間的長短主要由功率開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。這個延遲時間將會給輸出的PWM波形帶來影響，使其偏離正弦波。無源逆變的基本原理無源逆變的基本原理圖中Ud為電流電源電壓，R為逆變電路的輸出負(fù)載，S1~S4為四個高速開關(guān)。單相橋式逆變電路工作原理（a）電路原理圖

（b）電壓波形圖無源逆變的基本原理該電路有兩種工作狀態(tài)：(1)S1、S4閉合，S2、S3斷開，加在負(fù)載R上的電壓為左正右負(fù)，輸