四开关三相逆变桥的工作原理分析

本节采用经典电机理论的相量分析和谐波分析方法对四开关三相逆变桥的运行原理进行研究。

为相互比较的方便，下面先从常用六开关三相逆变桥的分析入手。为简化分析过程，假设电动机的三相对称绕组是星形联结，只考察逆变桥输出相电压的基波分量。由于逆变桥三相对称，得到如图7-3a所示-形对称等效电路，相应的三相逆变桥输出相电压、、与线电压、、的相量图如图7-3b所示。根据经典电机理论，电动机在三相对称相电压的作用下，将产生三相对称相电流与圆形旋转磁场，在理想状态下运行。

图7-3 -形对称等效电路及其电压相量图

a）-形对称等效电路 b）-形对称等效电路的电压相量图

四开关三相逆变桥与六开关三相逆变桥的不同在于，四开关三相逆变桥是不对称结构，其c相的输出节点c′被强制接于直流母线的电容分压中性点n′，这相当于原对称三相电压的对称中性点发生了的偏移，相应得到如图7-4a所示-形不对称等效电路，逆变桥输出的相电压、、与线电压、、的相量图，如图7-4b、c所示。由图可见，从基波分量的角度虽然三相相电压、、已经完全不对称，但三相线电压、、仍然保持三相对称。从图7-4中可见，相对于n′点，相电压、、是不对称的，特别是，0（图中未标出），、的幅值为原对称情况下的3倍，、的相位差是60°角，如图7-4b所示。这一结果可以在图7-3b所示的三相对称相量图上每相叠加一个-U·_cn分量得到，叠加过程如图7-4c所示。这时虽然四开关三相逆变桥的电路结构不对称，造成相电压不对称，但只要保证两相电压、有60°的相位差，幅值扩大倍，则理论上可以形成与六开关三相逆变桥同样效果的三相对称线电压输出、、。而三相电动机的控制只取决于驱动电源的线电压，与电源内部的相电压无关，因此电动机在这种三相对称线电压的作用下，将产生三相对称的线电流与圆形旋转磁场，旋转磁场的转向将取决于、之间的相位超前与滞后关系。假设相量超前相位角，为负序运行，那么这时电动机磁场顺时针旋转。改变相位关系，使超前相位角，则这时磁场将反向逆时针旋转，形成正序运行。

图7-4 -形不对称等效电路及其相量图

a）-形不对称等效电路 b）-形不对称等效电路电压相量图 c）-形不对称等效电路相量图的合成

以上分析注重于逆变桥能否产生三相对称线电压，因此对电动机的具体联结方式不存在约束，虽然讨论开始时假设电动机三相绕组为星形联结，但结论对三角形联结仍然适用。

以上分析只考察了四开关三相逆变桥相电压的基波分量，在实际工作中，四开关三相逆变桥的两路相电压、中不可避免会存在大量的谐波分量，因而产生的三相线电压、、也将存在谐波分量，出现明显的不对称（事实上、是两电平PWM波，而则是三电平PWM波，不对称明显存在），有必要进行谐波分析与评估。分析重点集中在产生、的两电平PWM波形。采用典型PWM波产生原理，合理设计PWM波的发生模式，在两电平PWM波中可以消除偶次谐波，但奇次谐波无法完全消除，必须加以详细分析。考虑一般情况下，两电平PWM波u_a′_c′有如下典型表达式：u_a′c′=u_a′n′≈U_1msinωt+U_trimsink_triωt+U_nsqmsink_nsqωt （7-1）

式中，k_tri=3，9，15，21，…为三次倍奇次谐波系数；k_nsq=5，11，17，19，…为非三次倍奇次谐波系数；U_1msinωt为基波分量；U_trimsink_triωt为三次倍奇次谐波；U_nsqmsink_nsqωt为非三次倍奇次谐波。(www.zuozong.com)

为分析方便，假设u_a′_c′各项的初始相位为零，相序为负序。当相电压u_a′_c′为任意初始相位，正序时将具有同样的分析结果。

考虑负序与式（7-1），有

由上述两式可以确定u_a′_b′，即

以上三式的第一项基波分量对应的相量、、的相量图如图7-5a所示，为理想的三相对称线电压。各式第二项的三次倍奇谐波分量、、的相量图如图7-5b所示，由于、同相，而与、反相，幅值是、的2倍，有，表明三分量形成的线电压相量和为零，可以相互抵消，将不在电动机的绕组中产生任何电流分量，从而不对电动机运行产生影响。各式第三项非三次倍奇谐波分量、、的相量图如图7-5c所示，三分量形成三相对称线电压，因而无法相互消除，将在电动机绕组中形成电流谐波分量，影响电动机的运行。因此，非三次倍奇谐波分量将是逆变桥产生PWM波形时消除的重点谐波分量。

图7-5 四开关三相逆变桥的谐波分析

a）基波分量相量图 b）三次倍奇谐波分量相量图 c）非三次倍奇谐波分量相量图

以上根据经典电机理论得到了四开关三相逆变桥分析结果，虽然这些结论一定程度上解释了四开关三相逆变桥的基本工作原理，但主要是定性的，对改进四开关三相逆变桥的工作性能缺乏具体的指导。而且，该结论只是间接地以发生两路互差60°相位角的对称正弦电压波的方式，追求产生三路对称的线电流输出，达到理想驱动电动机的目的，没有深入到电动机运行的根源，即旋转磁场的分析，因此研究方法与目的都是比较间接的，有一定的盲目性，无法对电动机进行精细的内部控制提供理论依据。电动机的磁链轨迹控制理论是近年来比较热门的电机分析理论，该理论把电动机气隙磁场是否为圆形旋转磁场作为分析与控制的目标，因而控制方法与控制目标都更为直接，更能从细微处改进电动机的运行质量。下面将利用磁链轨迹控制法详细剖析四开关三相逆变桥的工作原理，研究改进四开关三相逆变桥运行的方法与途径。