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3 三相桥式逆变器的拓扑结构
三相桥式逆变器根据直流侧的电源性质，可以分为两类：直流侧为电压源（大电容平波和吸收无功功率）的叫做电压源型逆变器 ；直流侧为大电感（大电感平波和吸收无功功率）的叫做电流源型逆变器。电压型逆变器直流侧的电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗特性。同时输出波形为矩形波，与负载阻抗角无关 ；输出的电流波形及其相位因负载阻抗不同而异。要求开关器件的关断时间短，但是没有特殊要求的耐压要求。由于有源逆变的输出电压和频率之间要满足一定的关系，，电压型逆变器就成为了较好的选择，故下面采用电压型逆变器。
在中、大功率等级的应用场合，更多地采用三相交流负载，这就需要三相逆变器。三相逆变器可以有三个单独逆变器组成，可以是半桥或者是全桥。采用这种结构的三相逆变器所用原件比较多，一般只在高压大容量的逆变器上使用，以减少对单个器件的耐压要求。
3.1三相桥式逆变器的工作原理
VT1VD1VT3VD3VT5VD5N’VT6VD6VT4VD4VT2VD2N图3.1 三相桥式电压型逆变器主电路
如图3.1所示，三相桥式逆变器的主电路拓扑图，设两个直流支撑电容连接点N的点位为0，称为电源的中点，则当VT1导通VT4关断时A点电位为Ud2，当VT1关断VT4导通时A点点位为-Ud2。同理，节点B、C的电位也由各自桥臂上的开关管的开关状态决定，并且与负载特性无关。
采用方波控制模式时，一般每相桥臂的控制方法都与单相桥的控制一样上下开关管互补导通，形成一个宽度为180o（对应于T02）的矩形电压波，而三相桥臂之间的控制起始信号相位互差120o。这样的控制方式下，在如图3-1所示的电路中，开关管VT1到VT6依次导通，触发脉冲间隔为60o，在任何时刻都有三只管子同时导通，这样每只管子在一个周期内（360o）的导通时间就是180o，在6个时间区间各个开关管的导通状态与顺序分别为?VT1、VT2、VT3???VT2、VT3、VT4???VT3、VT4、VT5???VT4、VT5、VT6???VT5、VT6、VT1???VT6、VT1、VT2?， 如图3.2a所示。与之对应的每相端点的A、B、C与电源中性点N之间的电压波形如图3.2b所示。
可以看出，此时逆变器输出线电压为各断电电压之差。
?uAB?uNA?uBN? ?uBC?uB? N ?3?1? NuC?u?u?uCNAN?CA 中国矿业大学2012届本科生毕业设计(论文) 第13页
IVT1VT2VT3VT4VT5VT6IIIIIIVVVIa)
UANUD/2O-UD/2UBNOUCNOb)
图3.2 电压型三相桥式逆变器工作状态
a)开关管驱动状态 b)端点电压波形
设三相负载对称，如三相交流电机的绕组，如图3.1所示，O点为负载的中点，则输出的相电压可表示为各相端点电压与中点电压之差。
?uAO?uAN?uON? ?uBO?uBN?uON ?3?2?
?u?u?uCNON?CO对于三相对称负载，负载中点电压与端点电压之间的关系可表示为
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uON?uAN?uB?Nu3CN ?3?3?
根据式?3?1??式?3?3?即可分析在不同导通状况时负载线电压和相电压： 如图3.2所示，当0?t?别为
u?uBN?uCNUDUDUU、uBN?D、uCN??D，所以负载中点电压为uON?AN=，此22236时负载的等效电路如图3.3所示。 uAN?ABT0 时?I区间?,VT1、VT2、VT3导通，A、B、C三相的电位分6UD/2NOUD/2C
图3.3 I区间负载等效电路
可求出负载线电压为
?uAB?uAN?uBN?0??uBC?uBN?uCN?UD ?u?u?u??UCNAND?CAUD?u?u?u?ANON?AO3?U? ?uBO?uBN?uON?D
3?2UD?u?u?u??CNON?CO3?T0T?t?0时??区间?,VT2、VT3、VT4导通A、B、C三相端点电位分别为63u?uBN?uCNUUUU??D、uBN?D、uCN??D，所以负载中点的电压为uON?AN=?D，
22236当
uAN同样可通过式?3?1? ?3?3?求出负载线电压和相电压。
?uAB?uAN?uBN??UD? ?uBC?uBN?uCN?UD
?u?u?u?0CNAN?CA 中国矿业大学2012届本科生毕业设计(论文) 第15页
UD?u?u?u??ANON?AO3?2UD? u?u?u??BOBNON3?UD?u?u?u??CNON?CO3?同理可求的其余4个区间的线电压和相电压表达式，根据求得的表达式可画出各区间
的负载线电压和相电压及中点电压波形，如图3.4所示。
IUABIIIIIIVVVIUD-UDUBCUCAUAO2UD/3UD/3-UD/3-2UD/3UBOUCOUONUD/6-UD/6
图3.4 负载电压波形
从图3.4可以看出，负载线电压及宽度为120o的矩形波，各相电压波形为六阶梯波，中点电压为3倍输出频率的方波。改变开关管触发脉冲的频率就可以改变逆变器输出电压的频率。
对上述分析进一步进行定量分析，如图3.4所示，线电压为120o宽、幅值为UD的方波，对线电压uAB的瞬时值进行傅里叶分解可得到
uAB?t??23UD?111?sin?t?sin5?t?sin7?t?sin11?t????? ?3?4? ??5711??线电压基波幅值
U1lm?23UD??1.1UD
·
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线电压基波有效值
U1l?6?UD
由于对称负载的相电压uAO、uBO、uCO波形如图3.4所示的周期性阶梯波，如果将时间坐标起点移至阶梯波的起点，对A相电压的瞬时值进行傅里叶分析得
uAO?t??2UD?111?sin?t?sin5?t?sin7?t?sin11?t?????? ?3?5? ??5711?其中，相电压基波幅值为 U1pm? 相电压基波有效值 U1p?22?UD
2?UD
从式?3?5?可以看出，相电压不含3次谐波，只含5、7、11、13等高阶奇次谐波，n次谐波幅值为
Unpm?2UD n?2UD 2n?n次谐波有效值为
Unp? 通过上述分析可以看出，电压源型逆变电路由于电容的前卫作用，在开关管的控制下输出给负载的电压为一系列矩形波，波形仅与控制脉冲相关而与负载性质无关，但输出的电流波形与负载的阻抗角有关。不管是半桥还是全桥电路，采用方波控制时，在直流母线电压UD一定时，输出电压的基波大小不可控且输出电压中谐波频率低、幅值大，对负载性能影响较大。因此，上述逆变电路的输出通常要接LC滤波器，滤波器LC滤除逆变电路中的高次谐波而使负载电压、电流接近正弦波。改善逆变器技术特性的更加途径是采用PWM控制模式，通过提高开关控制频率和占空比的调节，直接输出谐波含量更少的交流电压。下面主要讲两种不同的PWM控制方法：SPWM和SVPWM。
3.2三相桥式逆变器SPWM控制策略
3.2.1 SPWM原理
PWM控制技术的重要理论基础是：冲量相等二形状不同的窄脉冲家在具有惯性的环节上，其输出效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出相应波形基本相同。低频段非常接近，尽在高频段略有差异。即当面积（冲量）相等的窄脉冲分别加在具有惯性的同一个环节上其输出响应基本相同。而且，脉冲越窄，差异越小。上述原理称为面积等效原理。下面分析如何用调制脉冲宽度的方法来等效一个正弦波。