方波运行模式详解

晶闸管作为开关器件引入到电压型逆变器后，VSI就一直工作在方波运行模式下，这是因为晶闸管的半控特性使其难以工作在高频开关下。现在由全控型器件作为主开关构成的电压型逆变器有时也会工作在方波模式下，此时它只用来调节逆变器输出的交流电压频率，输出交流电压的幅值是不可调节的。

在方波运行模式下如图9-1所示的电压型逆变器的每只主管（V₁～V₆）分别各自连续导通输出交流基波电压的半个周期（180°电角度），然后以180°导通方式纵向换流于同一个半桥的另一只主管。这样，一个周期内三相开关信号S_A、S_B、S_C波形如图9-2a、图9-2b、图9-2c所示（这里输出50Hz，所以一个周期是0.02s），三相依次相差120°电角度。

图9-1 三相两电平电压型逆变器

根据第8章的逆变器工作原理可以知道，逆变器的输出电压等于开关信号乘以直流母线电压，所以逆变器输出的相电压也是方波。以图9-1中N点为参考地，三个相电压以及AB的线电压波形如图9-3a、图9-3b、图9-3c、图9-3d所示。

当负载为三相对称负载时，可以推出下式：

该式描述了负载电压中共模电压的大小，如图9-3f所示。图9-3e给出了以负载中性点N′为参考电位的相电压波形，可以看出其波形为六阶梯波，故方波工况又称为六阶梯波工况。此时针对六阶梯波相电压进行傅里叶级数展开，可以得到下式：(www.xing528.com)

图9-2 方波模式下输出50Hz交流电对应的三相开关信号图形

图9-3 方波运行各物理量波形

从上式中可以看出VSI输出的相电压中除基波分量外，含有大量的谐波分量，尤其是低次谐波分量最多（可对照图9-17b）从而使相电流中含有较多的谐波分量，如图9-3g，与正弦电流波形相差较大。同时从式9-2中可以看出，基波相电压的幅值仅仅与中间直流回路电压U_d有关，当U_d不变时，输出交流电压也就不能改变。所以在对交流电动机进行变频调速的早期，为了得到交流电动机所需的变压变频（Variable Voltage Variable Frequen-cy，VVVF）交流电源，需要采用两级变流装置：第一级为晶闸管相控整流以获得可调节的直流电压，第二级为上述的方波逆变器进行变频。当PWM脉冲宽度调制技术引入到全控型半导体器件作为主开关器件构成的交流调速系统以后，通过对电压型逆变器实施PWM控制，采用一级变流装置就可获得所需的VVVF电源，不仅减少了能量变换的环节，提高了效率，而且可以获得更加快速的调节过程，调速性能更好，所以PWM控制的电压型逆变器已占据了大多数的应用场合。图9-3h中给出了方波运行工况时中间直流环节的电流波形（即图9-1电容器的负载侧电流i₁），从中可以看出直流回路中含有明显的6倍基波频率的脉动电流。在PWM控制下逆变器直流环节电流为高频脉动的电流，中间环节的大容量电容可以有效吸收这些脉动电流，从而减小中间直流电压的脉动。如果开关频率比较高，则需要采用第8章中所述的膜电容器才能够有效吸收这些高频电流。