本文为个人学习翻译版权归原作者及Elsevier所有如有侵权请联系删除。原书《Electric Motor Control DC, AC, and BLDC Motors》逆变器是一种电力电子装置它能把直流电转换成交流电。它是需要任意的电压和任意的频率的交流电机的重要部分。逆变器可以分为两大类一种是电压源逆变器一种是电流源逆变器。电压源逆变器由直流电压源供电在直流侧通常有一个肖恩特大电容来光滑这个直流输入电压因为电压源逆变器使用电压源如果它的输出端短路的话会产生大电流所以是非常危险的。电压源逆变器的一个典型输出是方波交流电压它的输出电流的幅值和波形依赖于它所连接的负载。逆变器主要用于两大应用交流电机的驱动和交流电源的应用。在交流电机驱动应用中交流输出电压的幅值和频率通常根据不同的速度驱动而改变。因此这种类型的逆变器通常称为可变电压可变频率逆变器。电压源逆变器可以根据输出电压的幅值能否被控制分为两类一种它的频率是可以控制的同时幅值是恒定的这样一种方波逆变器。另一种它的幅值和频率都是可以控制的称为PWM逆变器。1.1 电压源逆变器的基本电路结构这个基本电路被称为一个极、一个臂或一个腿。这个基本电路包括一对开关他们以互补的形式工作来执行直流电到交流电的快速切换。一个直流输入电压源被施加到这个基本电路的两端然后两个开关之间会产生一个交流电压输出。除了这些active开关器件对于驱动感性负载必须有反并联二极管连接在每一个开关的两边用来提供负载电流当开关关闭的时候的通过路径。大多数逆变器的拓扑由这些基本电路并联连接构成。由这个基本电路组成的逆变器拓扑结构中输出电压的波形只有两个电平0和Vdc所以称之为两电平逆变器。在本章中。只讨论两电平逆变器。1.1.1 基本电路的输出电压基本电路的输出电压也就是极电压VP有两个装置的开关状态S、S-来决定但和负载是无关的。逆变器的集电压通常不等于负载电压。根据两个开关的开关状态有4种不同的情况。当两个开关都是打开的时候这个直流电源短路这会造成大电流来击穿两个开关器件这种情况应该被禁止。因此两个器件应该交替打开比如一个打开的时候另一个就是关闭的在这种情况下依然有击穿的可能因为当一个器件改变它的开关状态的时候它的关断时间会比它的打开时间要长因此为了防止在切换瞬间的击穿三级信号器件打开的栅极信号会在一小段延时之后再施加。这个延迟时间被称为死区。这个死区时间的值由器件的功率等级和类型所决定。除了两个开关都打开的情况基本电路还有三种可能的情况。当上面的开关S打开然后下面的开关S-关闭时它的极电压是一个正电压VpVdc/2。另一方面当S关闭S-打开时它的极电压是一个负的电压Vp-Vdc/2。最后当S正和S负都关闭时它的极电压是由回流决定。根据上述的开关情况逆变器基本电路的极电压可以用一个切换函数S表示上面的开关S打开时S定义为1当它关闭时S定义为0。一个逆变器有两种工式工作模式取决于器件的电流的流向做功模式和再生模式。如果电流是流经开关器件的那么逆变器工作在做功模式此时交流电施加到负载。另一方面如果电流是流过二极管的那它就工作在再生模式此时交流电流回到直流电源。1.2 单相半桥逆变器从直流电源产生单相交流电压的最简单的逆变器是单相半桥逆变器。通过这两个开关每半个周期交替打开可以产生单相的交流电使用这种调制方式的逆变器称为方波逆变器。这种情况下的逆变器可以产生最大的输出电压。在这个半桥逆变器中极电压等于施加到负载的电压这个极电压不是纯正弦而是一个方波具有很多谐波。为了评估这个极电压的基波和谐波分量写出它的傅里叶序列表示为。在所有这些频率分量中只有基波电压会给负载提供有效电压。对于一个半桥逆变器的方波输出它的基波的rms电压为。因此这个逆变器提供给负载的交流rms电压是直流电压源Vdc的45%。不同于基波分量谐波会转化为不需要的损失比如热和噪声因此输出电压中的谐波希望能少一点而且谐波会造成电压波形的失真。如果输出的交流电压能含少量的、更少的谐波它们的形状会更接近于正弦波。从上面的方程中我们可以看到极电压只含有奇次谐波它的幅值与它的谐波的阶次是倒数。因此低次谐波比如357次谐波是产生波形失真问题的主要原因因为他们的幅值比较大。为了度量一个电压或电流波形的失真的程度我们使用总谐波失真THD的定义它被定义为谐波rms值之和与基波rms之比再开根号。THD值越大说明波形失真越严重也就是波形离纯正弦波偏差得越大。1.3 单相全桥逆变器一个半桥逆变器对直流电压的利用率只有0.45Vdc 因此。用于产生单相交流电压的逆变器结构通常是全桥逆变器。这个逆变器由两个基本电路组成使用同样的直流电压下它的输出电压是半桥逆变器的两倍。在单相全桥逆变器中负载电压vo是两个极电压的差。这里每一个极的开关切换都是独立的。根据4个开关状态可以得到不同的负载电压输出。为了产生有效的负载电压两个极上的相位差应该是180电角度。开关状态极电压负载电压voVH-VLVHVLQ1 Q2 OnVdc/2-Vdc/2VdcQ4 Q3 On-Vdc/2Vdc/2-VdcQ1 Q3 OnVdc/2Vdc/20Q4 Q2 On-Vdc/2-Vdc/20全桥逆变器的负载电压和极电压一样是一个方波所以它也有很多的谐波这些谐波的阶次和极电压是一样的。通过傅里叶序列展开。负载电压可以表示为。这个逆变器可以提供给负载的交流rms电压是直流输入电压的90%。这个电压是半桥逆变器在相同直流电压下的两倍。我们可以把这个逆变器的输出电压vo用切换函数S来表示假设H极和L极的切换函数分别是SH和SL如前所述当上面的开关打开时S为1它关闭时为0那么极电压VH和VL用切换函数可以表示为,进而有。1.4 三相方波逆变器六步逆变器三相逆变器的电路包含有三个极每一个极的开关与否和另一个集都是独立的同时一个极里的两个开关是交替打开的。在三相逆变器中一极对应一相。为了实现这个每一个极的两个开关每半个周期交替打开有180°的导通区间和单相逆变器一样。但是为了实现三相电压每一个极电压和其他两个极电压都相差120个电角度。如下图所示。在这样的切换中六个开关中的三个总是闭合的而且它们的开关序列的顺序是123234345456561612然后再回到123。这种情况下在输出电压的一个基波周期内分为6个段通过这种切换策略工作的逆变器叫方波逆变器。其各输出电压的幅值是恒定的与Vdc绑定只有频率是可以控制的。线线电压是两个极电压的差比如这是一个准方波有120°的导通区间。如下图所示。假设负载是Y连接的那这种情况下线到中性点的电压或者说相电压就是负载电压由线线电压可以得到三相负载的相电压为记忆方法abcabcabcabc。用这种方法可以画出一个周期内的相电压。当这些方波电压施加到感性负载比如电机中时负载电流不是方波波形的因为电压中的谐波被负载中的感性部分给滤除了。可以看到逆变器的极电压依赖于这个极的两个开关的状态但是相电压同时还依赖于其他两个极的开关状态。因此相电压由逆变器的所有开关状态决定。相电压也可以直接通过6个开关的状态得到。通过画出每一段的简化电路上的负载阻抗两端的电压可以直接看出相电压。以第一段为例开关管561是开的如下图所示。以第二段为例开关管612是开的如下图所示。因为相电压波形的一个周期有6段所以这种逆变器的类型称为六步逆变器。下表中总结了极电压和相电压三相逆变器中的关系。根据开关的状态这里当上面的开关是打开的时候开关状态为1当它关闭时开关状态为0。对于一个三相逆变器的6个开关一共只有8种可能的开关组合也就是8种不同的开关状态。开关状态极电压相电压SaSbScVanVbnVcnVasVbsVcs000-Vdc/2-Vdc/2-Vdc/2000001-Vdc/2-Vdc/2Vdc/2-Vdc/3-Vdc/32Vdc/3010-Vdc/2Vdc/2-Vdc/2-Vdc/32Vdc/3-Vdc/3011-Vdc/2Vdc/2Vdc/2-2Vdc/3Vdc/3Vdc/3100Vdc/2-Vdc/2-Vdc/22Vdc/3-Vdc/3-Vdc/3101Vdc/2-Vdc/2Vdc/2Vdc/3-2Vdc/3Vdc/3110Vdc/2Vdc/2-Vdc/2Vdc/3Vdc/3-2Vdc/3111Vdc/2Vdc/2Vdc/2000和前面提到的一样三相逆变器的输出电压是方波波形的不是纯的正弦波所以它们有很多谐波分量。现在我们来计算输出电压的基波和谐波分量。无论相数极电压总是方波因此三相极电压的傅里叶序列和上面单相半桥逆变器的极电压是一样的但是这里是有相位差的。进而线线电压的傅里叶变换可以表示为因为线电压是两个极电压的差所以它是没有3的倍数的谐波的。但是极电压中是有的因为极电压之间是有120°的相位差的3的倍数的谐波正好是有一个360°的倍数的相位差所以不同的极电压正好是同向的因此3的倍数的谐波在线线电压中是不存在的。因此线线电压中的谐波的阶次都是6n±1。相电压和线线电压一样有6n±1阶次的谐波。可以写出as相电压的傅里叶展开式为相bs和cd的电压的谐波和相as电压的谐波是一样的但是它们的相位是不同的。在谐波中低阶次的谐波比如1/51/7是造成波形失真的主要来源。重要例题-面试中经常问1.5 用切换函数给三相逆变器建模和前面提到的一样三相逆变器的相电压依赖于所有6个开关的状态。这些相电压可以用描述一个极里的开关的状态的切换函数来描述。用切换函数来描述相电压对于三相逆变器的分析和建模是有帮助的。使用基尔霍夫电压定律可以得到电压方程。同时三个极电压的切换函数为。三个电压方程的和为根据三相电压之和为0得到把它代回到电压方程可以得到用这三个式子同样可以得到上面的表格。三相逆变器的输入电流可以用切换函数表示为这里的ia,ib,ic都是负载上的相电流。
