pwm逆變電路的應(yīng)用

1、以吊揪天工嚏墓晚電力電子技術(shù)課程大作業(yè)設(shè)計(jì)題目：pwm電路的應(yīng)用學(xué)生所在系部：電子工程系學(xué)生所在專業(yè)： 自動(dòng)化學(xué)生所在班級(jí)：學(xué)生姓名：#學(xué)生學(xué)號(hào)：#任課教師姓名：大作業(yè)成績(jī)：pwm逆變電路的應(yīng)用一、摘要隨著控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)設(shè)備性能要求的不斷提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備不再直接接入交流電網(wǎng)，而是通 過(guò)電力電子功率變換得到電能，它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化形式因用電設(shè)備的不同而不盡相同。如通信電源、 電弧焊電源、電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器、加熱電源、綠色照明電源、不間斷電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過(guò) 對(duì)電網(wǎng)能進(jìn)行整流和逆變變換后所得到的。因此，高質(zhì)量的逆變電路已成為電源技術(shù)的重要研究對(duì)象。采樣控

2、制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。pwm控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等 而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可 改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。pwm控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，pwm控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種

3、新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的 應(yīng)用，pwm控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。pwm控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕 大部分都是pwm逆變電路?？梢哉f(shuō) pwm控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，才確定了 它在電力電子技術(shù)中的重要地位。、基本設(shè)計(jì)指標(biāo)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同,/(f) 4是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。一lt ot ot oltb)c)d)圖i-i形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖1

4、 .面積等效原理分別將如圖1-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)( r-l電路)上，如圖1-2a所示。其輸出 電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖1-2b所示。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，i 的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期 性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各 i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波n等分，看成n個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，

5、寬度按正 弦規(guī)律變化。上述原理可以稱為面積等效原理，它是pwm6制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波。圖1-3可以看到把半波分成 n等份,就可以把正弦半波看成 n個(gè)彼此相連的脈沖序列組成的波形，然后把脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而 不等寬的矩形脈沖代替，使它們面積相等，就可以得到脈沖序列。根據(jù)面積等效原理，pw眼形和正弦半波是等效的。a)圖1-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形xjz圖1-3用pw瞰代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。2 . pw陋變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用pw瞰術(shù)。逆變電路是 pwm!制技

6、術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。pw咽變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。2.1 計(jì)算法和調(diào)制法2.1.1 計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算pw眼各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需pw瞰形。缺點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化2.1.2 調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的pw眼；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合pwm勺要求。調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，

7、得到的就是spw眼；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的pw瞰。結(jié)合 igbt 單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明：設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí) m和v2通斷互補(bǔ)，v3和v4通斷也互補(bǔ)?？刂埔?guī)律：uo正半周，vi通，v2斷，v3和v4交替通斷，負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓u正半周，電流有一段為正，一段為負(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，vi和v4導(dǎo)通時(shí)，uo等于ud, v4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)vi和vd3續(xù)流，uo=o,負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，io為負(fù)，實(shí)際上從 vd1和vd4流過(guò)，仍有uo=ud, v4斷，v3通后，io從v3和vdi續(xù)流，uo=o, uo總可得到ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，

8、讓v2保持通，vi保持?jǐn)?，v3和v4交替通斷，uo可得-ud和零兩種電平。?2svd3十v4 b-i二2二6圖2-2單極性pw配制方式波形u 信號(hào)波:何麗載波一電路圖2-1單相橋式pwm變電路單極性pw配制方式（單相橋逆變）：在 ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制igbt的通斷。ur正半周，v1保持通，v2保持?jǐn)?，?dāng)uruc時(shí)使v4通，v3斷，u0=ud,當(dāng)uruc時(shí)使v4斷，v3通，uo=0o ur負(fù)半周，vi保持?jǐn)?，v2保持通，當(dāng)uruc時(shí)使v3斷，v4通，uo =0,虛線u0 f表示uo的基波分量。波形見圖 2-2。防直通死區(qū)時(shí)間:同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通造成短路，留一小段上

9、下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由器件關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出pw眼帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。特定諧波消去法(selected harmonic elimination pwm shepwm)計(jì)算法中一種較有代表性的方法，圖 2-3。輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各 3次(不包括。和兀)，共6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。(2-1)1/4周期以兀/2為軸線對(duì)稱。(2-2)首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即：u ( t )= 一 u ( t 二)其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，使波形在半周期內(nèi)前后u( t) =u(二- t)四分之一周期

10、對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：q0u( t) u an sin n tn =1,3,5,.圖2-3特定諧波消去法的輸出pw瞰形4 二2式中，an為an =u ( t) sin n td t二 0圖2-3,能獨(dú)立控制a1a2和a3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的 an為4 a u .a2u han = -sin n td t 一 (- sin n t)d t二 02ai 2a3u dsin n td t a2 2二 u d2 ( - - sin n t)d , t二a32(2-4)2u d(1-2 cos n - 12 cos n - 2 - 2 cos n - 3) n 二式中 n=1,3,5,確定a1的

11、值，再令兩個(gè)不同的 an=0,就可建三個(gè)方程，求得a1、a2和a3。消去兩種特定頻率的諧波：在三相對(duì)稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考慮消去如下聯(lián)立方程：2ud a1 =(1-2 cos 2 cos 一運(yùn) -2 cos 一: 3)冗2ud , a5 =(1 -2cos5： 1 2cos5： 2。2 cos5a) = 05 二2ud , a7 =(1 -2cos7- i 2cos7一 2 -2cos7- 3) = 0給定ai ,解方程可得aia2和a3。ai變，ai、a2和a3也相應(yīng)改變。5次和7次諧波，得(2-5)(2-6)(2-7)7 二一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、 控

12、，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去 3.調(diào)制方式斷各 k次，考慮pw版四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可 k-i個(gè)頻率的特定諧波，k越大，開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。載波比一一載波頻率 fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，n=f7f。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，pw硼制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制：1.1 異步調(diào)制異步調(diào)制一一載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比 n是變化的。在信號(hào)波的半周期內(nèi)，pw瞰的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后i/4周期的脈沖也不對(duì)稱。當(dāng)fr較低時(shí)，n較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱的不利影響都較

13、小，當(dāng)fr增高時(shí)，n減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，pw咻沖不對(duì)稱的影響就變大。因此，在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望采用較高的載波頻率，以使在信號(hào)波頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比。1.2 同步調(diào)制同步調(diào)制一一n等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步?；就秸{(diào)制方式，fr變化時(shí)n不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相，公用一個(gè)三角波載波，且取n為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱。為使一相的pw瞰正負(fù)半周鏡對(duì)稱， n應(yīng)取奇數(shù)。當(dāng)n=9時(shí)的同步調(diào)制三相 pw瞰形如圖3-i所示。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除，fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開關(guān)器難以承受。為了克服上述缺點(diǎn)，可以采用分段同步調(diào)制

14、的方法。把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持n恒定，不同頻段 n不同。在fr高的頻段采用較低白n,使載波頻率不致過(guò)高，在 fr低的頻段采用較高的 n,使載波頻率不致過(guò)低。圖3-2分段同步調(diào)制一例，為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比 c異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同 步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近。wk0圖3-1同步調(diào)制三相pw眼形24圖3-2分段同步調(diào)制方式舉例4 . pw陋變電路的諧波分析使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量。諧波頻率和幅值是衡量pw陋變電

15、路性能的重要指標(biāo)之一。分析方法：不同信號(hào)波周期的 pw賊不同，無(wú)法直接以信號(hào)波周期為基準(zhǔn)分析，以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出 pw眼的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式，分析過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，結(jié)論卻簡(jiǎn)單而直觀。4.1 單相的分析結(jié)果不同調(diào)制度a時(shí)的單相橋式pw喧變電路在雙極性調(diào)制方式下輸出電壓的頻譜圖如圖4-1。其中所包含的諧波角頻率為n c - k r式中，n= 1,3,5,時(shí)，k=0,2,4,；n=2,4, 6,時(shí)，k=1, 3, 5,。可以看出，pw眼中不含低次諧波，只含有角頻率為3 c,及其附近的諧波，以及 23 c、33 c等及其附近的諧波。在上述諧波中，幅值最高影響最大的是角頻率為3 c的諧波

16、分量。1.4121.0岫口 80 40.2角頻率（理/+上嗎）圖4-1單相pw斷式逆變電路輸出電壓頻譜圖4.2 三相的分析結(jié)果三相橋式pw喧變電路采用公用載波彳t號(hào)時(shí)不同調(diào)制度a時(shí)的三相橋式pw陋變電路輸出線電壓式中，n=1, 3, 5,n =2, 4,時(shí)，k=3(2m-1) 1 6m6,時(shí)，k =6m和單相比較，共同點(diǎn)是都不含低次諧波,n c 士 k r cim=1, 2,；1, m =0, 1,；-1 , m=1, 2,。,個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率3 c整數(shù)倍的諧波被消去了，諧波中幅值較高的是co c i 2 co r和2 co c co r o的頻譜圖如圖4-2。在輸出線電壓中，所包含

17、的諧波角頻率為2 0 8 5 4 21- 1- o- au au角頻率5%+左4）圖4-2三相橋式pwm變電路輸出線電壓頻譜圖當(dāng)調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成：一部分是對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié) 果，另一部分是由于信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。5 .提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)直流電壓利用率一一逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值u 1m和直流電壓u d之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力；減少器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗；正弦波調(diào)制的三相pw陋變電路，調(diào)制度 a為1時(shí)，輸出相電壓的基波幅值為u% ,輸出線電壓的基波幅值為（j3:2）ud ,即直流電壓利用率僅為

18、0.866。這個(gè)值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號(hào)的幅值不能超過(guò)三角波幅值，實(shí)際電路工作時(shí)，考慮到功率器件的開通和關(guān)斷都需要時(shí)間，如不采取其他措 施，調(diào)制度不可能達(dá)到 1。采用這種調(diào)制方法實(shí)際能得到的直流電壓利用率比0.866還要低。5.1 梯形波調(diào)制方法的思路當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值更大。梯形波調(diào)制方法的原理及波形，見圖5-2形波的形狀用三角化率 s=ux；描述，ut為以橫軸u to為底時(shí)梯形波的高，uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的三角形的高。s =0時(shí)梯形pw眼含同樣的低次諧波，低次諧波波變?yōu)榫匦尾?，s =1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣?。梯形波含低次諧

19、波,（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為8。圖5-1 ,8和u1mu隨s變化的情況。圖5-3 , s變化時(shí)各次諧波分量幅值unm和基波幅值u1m之比。s = 0.4 時(shí)，諧波含量也較少，8約為3.6%,直流電壓利用率為 1.03,綜合效果較好。圖5-1 6變化時(shí)的各次諧波含量梯形波調(diào)制的缺點(diǎn)：輸出波形中含5次、7次等低次諧波。實(shí)際使用時(shí)，可以考慮當(dāng)輸出電壓較低時(shí)用正弦波作為調(diào)制信號(hào)，使輸出電壓不含低次諧波；當(dāng) 正弦波調(diào)制不能滿足輸出電壓的要求時(shí)，改用梯形波調(diào)制，以提高直流電壓利用率。1.2和0.6圖5-3 s變化時(shí)的d和直流電壓利用率5.2 線電壓控制方式（疊加 3次諧波）對(duì)兩個(gè)線電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊粋€(gè)自由度來(lái)改善控制性能。目標(biāo)一