電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告單極性SPWM硬件電路設(shè)計(jì)PWM的理論基礎(chǔ)：在控制理論中有個(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。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形基本相同，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。這個(gè)重要理論是PWM控制的理論基礎(chǔ)，當(dāng)個(gè)脈沖的幅值相等，其寬度按正弦規(guī)律變化，所組成的矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分面積相等，這種脈沖成為PWM波形。在給出了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和時(shí)間間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。但這種計(jì)算很繁瑣，正弦波的頻率、幅值等變化時(shí)，結(jié)果都要變化。較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法。即把希望的波形作為調(diào)制信

2、號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾雀叨瘸删€性關(guān)系，且左右對稱。當(dāng)它與任何一個(gè)變化平緩的調(diào)制信號相交時(shí)切換，就可以得到寬度正比與信號幅值的一組脈沖，這正好符合PWM控制要求。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直

3、流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。SPWM的原理： SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(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。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。所謂的正弦波脈

4、寬調(diào)制(SPWM)波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。它的原理是:把正弦波分成n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值是不變的。各脈沖的中點(diǎn)于每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖組成的波形與正弦波等效，稱作SPWM波形。 SPWM控制技術(shù)根據(jù)控制信號極性的不同可分為單極性和雙極性兩種。單極性SPWM是指在一個(gè)載波周期內(nèi)，逆變橋的輸出電壓(即兩橋臂中點(diǎn)間電壓)Uab只有0和正電壓或0和負(fù)電壓；雙極性SPWM則是指一個(gè)載波周期內(nèi)，逆變橋的輸出電壓Uab。完整的單極性SPWM硬件電路設(shè)計(jì)包括整流電路，比較器

5、，脈沖發(fā)生器，反向器以及主電路。單極性SPWM硬件電路的核心部分為主電路單極性SPWM逆變電路的拓?fù)鋱D如3.1（c）所示：圖3.1（c）逆變電路主電路結(jié)構(gòu) 由全橋4個(gè)開關(guān)管由全橋4個(gè)開關(guān)管組成的2路橋臂所構(gòu)成,一路以高頻開關(guān)工作頻率工作,稱為高頻臂(,);另一路以輸出的正弦波頻率進(jìn)行切換,成為低頻臂(,)。 采用單極性控制時(shí)，在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)的SPWM信號只驅(qū)動每相一只開關(guān)器件的開通或關(guān)斷。調(diào)制電路中的情況是這樣的：當(dāng)調(diào)制信號正弦波電壓高于載波（三角波）電壓時(shí)，調(diào)制電路輸出“正電平”，反之，產(chǎn)生“負(fù)電平”。調(diào)制的結(jié)果就得出等幅而不等寬、中間寬兩側(cè)窄的SPWM脈寬調(diào)制波形，再用這個(gè)SPWM信

6、號去驅(qū)動逆變器中每相的一只開關(guān)器件。當(dāng)調(diào)制正弦波負(fù)半周期時(shí)，采用同樣的方法調(diào)制后再倒相，以負(fù)半周期產(chǎn)生的SPWM信號去驅(qū)動逆變器中每相的另一只開關(guān)器件。 圖3.1（c）為單極性SPWM控制方式單相變頻器基本電路。在正半周期，SPWM信號驅(qū)動和，當(dāng)和同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上所得的電壓為直流電壓；當(dāng)和同時(shí)關(guān)斷后，負(fù)載所得電壓為零。同樣，在負(fù)半周期，SPWM信號驅(qū)動和，當(dāng)和同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上電壓為-：當(dāng)和同時(shí)關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電壓為零。這樣，在一個(gè)周期內(nèi)，變頻器輸出的SPWM波形就有、和零3種電平。 從上述可知，單極性控制方式半個(gè)周期內(nèi)的三角波只在一個(gè)方向上變化，所得到的SPWM波形也只在一個(gè)方向變化，因此，由

7、它驅(qū)動的逆變橋同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)器件中，只有一個(gè)開關(guān)器件按照脈沖系列的規(guī)律通或斷地工作，而在另半個(gè)周期則相反。整流電路與比較器位于左下部分，其控制主電路高頻臂的通斷。整流電路將直流信號變?yōu)檎也ǎ也ㄅc鋸齒波又經(jīng)由比較器變?yōu)镾PWM波形。本次單極性逆變采用單邊控制，將給定的載波(正弦波)整流成正的,調(diào)制波(三角波)也是正的。先用整流電路將直流信號變?yōu)檎也?，后用比較器將正弦波與鋸齒波變?yōu)镾PWM波形。如圖3.1（a）所示為SPWM波形圖。 圖3.1（a）單邊SPWM控制此SPWM脈沖信號經(jīng)由比較器輸出， 用低頻調(diào)制信號（也稱給定信號）和高頻載波信號相比較，產(chǎn)生逆變器功率開關(guān)器件控制信號，從而獲得PWM輸出波形，其控制結(jié)構(gòu)如圖4.1所示： 在這種調(diào)制型的PWM控制方式中，是以SPWM基本原理為出發(fā)點(diǎn)，給定信號應(yīng)采用正弦波，所得PWM波形很接近正弦波。脈沖發(fā)生器與反向器位