第六讲 牵引逆变器主电路及其控制

全控型器件的不断完善给 PWM 控制技术提供了强大
的物质基础。 PWM控制技术广泛用于直流调压、逆变、整流
6.1.3 两电平牵引逆变器SPWM控制
PWM控制的基本思想
1）重要理论基础——面积等效原理
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上时，其效果基本相同。
冲量 窄脉冲的面积
f (t)
f (t)
工作模式4
Ud/2
1 SA 0 SB 0 1 SC 1 Zb N
Za Zc
S A SB SC 011
uaN 2Ud / 3
Ud/2
0
+ Zb N Za Zc
ubN U d / 3
uab U d
ucN Ud / 3
ubc 0 uca U d
Ud -
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
120˚方波控制逆变器触发波 形
T1 T2 T3
任意时刻有两个元件导通
T4
T5 T6
wt
180˚方波控制逆变器触发波形
T1
T2 T3 T4 T5 T6
任意时刻有三个元件导通
wt
120˚方波控制两电平逆变器等效电路

在任何时刻都有2个开关元件导通 每个元件一个周期导通120˚
Ud -
Za
N Zb
第六章
牵引逆变器主电路及其控制
问题提出
如何获得电压频率可变 的三相交流电流？ 电路结构？ 控制方式？
牵引逆变器概述
牵引逆变器的功能和要求
1、实现机车牵引工况下将直流环节提供的直流电能变换成 牵引电动机需要的电压频率可控的交流电能 2、实现机车制动工况下将牵引电机的三相交流电能变换成 直流电能回馈到直流环节。 3、希望输出谐波电流小，直流电压利用率高、自身损耗小
载波
ur u
c
-Ud
单极性载波调制原理
u
r
调制 电路
u
u
c
O
u U u
of
t
u
o
o d
O
t
d
-U
双极性载波调制原理
异步调制和同步调制
调制比（调制度） 调制信号幅值Urm与载波信号幅值Ucm之比
u
Tc
uc A tA
d
U rm M U cm M 01
D B tD
d
ur
O
tB
t
2
2
uo O
d'
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
工作模式1
Ud/2
1
SA 0 SB 0 1 Zb N
Za
S A SB SC 000
uaN 0
Ud/2
Zc
1
SC 0 N Za Zb Zc
ubN 0
ucN 0
_
uab 0, ubc 0, uca 0
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
Za N
+
Za Zb Zc
Ud
-
-
N
S A SB SC 110
_
S A SB SC 111
两电平逆变器8种工作状态
Modc 0 1 2 SA 0 0 0 SB 0 0 1 SC 0 1 0 uaN 0 - Ud/3 - Ud/3 uaN 0 - Ud/3 2 Ud/3 uaN 0 2 Ud/3 - Ud/3 Uab 0 0 - Ud ubc 0 - Ud Ud uca 0 Ud 0
Zc
Ud -
Za N
Zb
Ud -
Zc
S A SB SC 10 X
+ Zb Zc Za
S A SB SC 1X 0
+ Zc N Za
S A SB SC X 10
+ Zc
Ud -
N
Ud -
Zb
Ud -
S A SB SC 01X
S A SB SC 0 X 1
_
S A SB SC X 01
工作模式6
S A SB SC 101
Ud/2 SA
1 1
Za Zb 1 N Zc
0 SB
0 Ud/2
uaN U d / 3
ubN 2U d / 3
SC 0
+ Za N Zc Zb
uab U d
ucN Ud / 3
ubc U d uca 0
Ud
-
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
O
t
uo Ud
u of
uo
O
t
-Ud
异步调 制
异步调制和同步调制
2） 同步调制 ——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时 使载波与信号波保持同步，即N等于常数。
基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波 一周期内输出脉冲数固 定。 为使一相的PWM波正负 半周镜对称，N应取奇 数。 fr很低时，fc也很低，由 调制带来的谐波不易滤 除。 fr很高时，fc会过高，使 开关器件难以承受。
工作模式5
S A SB SC 100
Ud/2
1 SA 0 SB 1
Za
Zb
1 SC 0
N Zc
uaN 2Ud / 3
ubN Ud / 3
0
Ud/2
uab U d
ucN Ud / 3
Ud N Zb -
ubc 0 uca U d
+
Za Zc
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
uan
180˚方波控 制ห้องสมุดไป่ตู้2

U d (cos t
1 1 1 1 cos 5t cos 7t cos11t cos13t ) 5 7 11 13
180˚方波控制比120˚方波控制直流电压利用率高
6.1.3 两电平牵引逆变器SPWM控制
PWM控制技术概述
PWM 控制技术是在电能控制领域有着广泛的应用， 并对电力电子技术产生了深远影响的一项技术。
工作模式8
S A SB SC 111
Ud/2
1 SA 0 SB 0 1 SC 0 1 Zb N
Za
Zc
uaN 0
ubN 0
Ud/2
u ab 0
ucN 0
+
ubc 0 uca 0
Za Zb Zc N
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
N _ Za Zb Zc + Zc N Za Zb Ud N Za -
U3
U4
U5

T1
Ud T4 a
T3 b T6
T5 c
T2

牵引逆变 器由U 3、 U 4、U 5 3 个相构 件组成 每个相构 件由两只 开关器件 组成
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理

等效电路
3
Ud/2
1
Za
1 Zb 1 SC 0
2 8 (7)
SA
0 SB
N
Zc
0 Ud/2
T1或D1导通 1 T5或D5导通 1 T3或D3导通 1 SA SB SC T2或D2导通 0 T6或D6导通 0 T4或D4导通 0
u ur uc
O
t
uo Ud O -Ud
u of
O
> ωt
窄脉冲的面积按正弦规律变化
SPWM控制的基本思想
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波 形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
Ud O -U d
t
单极性SPWM
根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波
U
d
O
-
t
U
d
双极性SPWM
2 SPWM实现方法
1）计算法
ubc
- Ud/2 Ud/2 Ud Ud/2
uca
-Ud/2 -Ud -Ud/2 Ud/2
5
6
0
X
X
0
1
1
Ud/2
0
0
- Ud/2
Ud/2
Ud/2
-Ud/2
-Ud/2
-Ud/2
- Ud
Ud
Ud/2
120˚方波控制逆变器输出波形
T1 T2 T3 T4
T5
T6
wt
U
aN
U d /2
相电压为120度方波
Ud
-
S A SB SC 100
S A SB SC 101
+
Za N Zc Zb
N Za
Zb N
Zc
Zc
Za
S A SB SC 010
S A SB SC 011
+
+
Ud -
Za N
Zb Zc
+
Za Zb Zc N
S A SB SC _ 110
S A SB SC 111
180˚方波控制逆变器输出波形
d
d'
t
调制比（调制度）
异步调制和同步调制
载波比 载波频率fc与调制信号频率fr之比.
u
ur uc
N fc / fr
根据载波和信号波 是否同步及载波比 的变化情况，PWM 调制方式分为异步 调制和同步调制。
O
t
uo Ud O -Ud
u of
uo
t
调制比
异步调制和同步调制
1） 异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式
工作模式3
S A SB SC 010
Ud/2
1 SA 0 SB 1 0 1 Zb N
Za Zc
uaN Ud / 3
ubN 2Ud / 3
ucN Ud / 3
Ud/2
SC 0
uab U d ubc U d uca 0
Ud N Za -
+ Zb Zc
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
3 4
5 6 7
0 1
1 1 1
1 0
0 1 1
1 0
1 0 1
-2 Ud/3 2 Ud/3
Ud/3 Ud/3 0
Ud/3 - Ud/3
-2 Ud/3 Ud/3 0
Ud/3 - Ud/3
Ud/3 -2 Ud/3 0
- Ud Ud
Ud 0 0
0 0
- Ud Ud 0
Ud - Ud
0 - Ud 0
6.1.2 两电平牵引逆变器的方波控制
Zb Zc
+ Ud -
Ud -
S A SB SC 000
+ Za N Zb Zc
S A SB SC 001
+ Ud Za N Zc Zb
Ud
S A SB SC 100
S A SB SC 101
+
Zb N
Zc Za
S A SB SC 010
+ Zb Zc
S A SB SC 011
+ N
+
+
Zb Za
Zc
N
Zb
Za
两电平逆变器120˚方波6种工作状态
Modc
1 2 3 4
SA
1 1 X 0
SB
0 X 1 1
SC
X 0 0 X
uaN
Ud/2 Ud/2 0 Ud/2
ubN
- Ud/2 0 Ud/2 Ud/2
ucN
0 - Ud/2 - Ud/2 0
uab
Ud Ud/2 - Ud/2 - Ud
工作模式2
S A SB SC 001
Ud/2
1 SA 0 SB 0 1 1 Zb
Za
N
Zc
uaN Ud / 3
ubN Ud / 3
ucN 2Ud / 3
Ud/2
SC 0
+ Ud N Za Zc Zb
uab 0 ubc U d uca U d
-
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
25000V 异步电机 整流器 牵引变压器 直流环节 逆变器 变速箱
牵引逆变器的分类
按直流电源性质分
电流源逆变器 电压源逆变器
逆变器
逆变器
按电路结构分
U 3
两电平逆变器
U 4 U 5
三电平逆变器
T1
T3
T5
Ud
a
b
c
T4
T6
T2
6.1两电平牵引逆变器主电路
两电平牵引逆变器 电路采用6只IGBT（ 6只续流二级管）器件
工作模式7
Za 1 Zb 1 N Zc
S A SB SC 110
uaN U d / 3
ubN U d / 3
ucN 2U d / 3
Ud/2
1 SA
0 SB
0 Ud/2
SC
0 +
uab 0 ubc U d uca U d
Za N
Zb Zc
Ud -
6.1.1 两电平牵引逆变器的工作原理
u ur uc
通常保持fc固定不变，当fr变化时， 载波比N是变化的 在信号波的半周期内，PWM波的脉 冲个数不固定，相位也不固定，正 负半周期的脉冲不对称，半周期内 前后1/4周期的脉冲也不对称 当fr较低时，N较大，一周期内脉冲 数较多，脉冲不对称产生的不利影 响都较小 当fr增高时，N减小，一周期内的脉 冲数减少，PWM脉冲不对称的影响 就变大
UbN
-U d /2
wt
U
cN
wt
wt
180˚方波控制两电平逆变器等效电路
在任何时刻都有3个开关元件导通 每个元件一个周期导通180˚ + Zc N Za Zb Ud Zb + Ud -
N
_
Za Zb Zc
Ud -
S A SB SC 000
S A SB SC 001
Ud -
Za
N Zb
+
Zc
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。 特定谐波消去法 通过离线计算， 查表技术实现
uo Ud O a 1 a2 a3 2
t
- Ud
特定谐波消去法的输出PWM波形
2 SPWM实现方法
u O uc ur
t
uo
2）载波调制法
o ud U
uof
O
t
调制波
T1 T2 T3 T4 T5 T6
wt
U
2Ud /3 U d /3
aN
相电压为阶梯波波
UbN
-U d /3
wt
-2Ud /3
wt
U
cN
wt
120˚方波控制与180˚方波控制基波与谐波比较
120˚方波控制
1 1 1 1 uan U d (cos t cos 5t cos 7t cos11t cos13t ) 5 7 11 13 3
f (t)
f (t) d (t)
O
t t O t O c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数 a)矩形脉冲 b)三角形脉冲 图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 t O
6.1.3 两电平牵引逆变器SPWM控制
SPWM控制的基本思想 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
O
SPWM波 > ωt
u