第四章DCAC變換器(無源逆變電路)2

1、電電 力力 電電 子子 技技 術術 Power Electronic Technology 電壓型方波逆變器以及電壓型階梯波逆變器當需要改變輸出電壓幅值時，一般常采用脈沖幅值調(diào)制（PAM）或單脈沖調(diào)制（SPM）。 這類逆變器應用于大功率場合具有開關損耗低，運行可靠等優(yōu)點，但也存在動態(tài)響應慢、諧波含量大（方波逆變器）、結構復雜（階梯波逆變器）等一系列不足。 例如，當利用電壓型逆變器驅動交流電動機時，需進行變頻變壓（VVVF）控制，此時若采用PAM方式，則必須采用兩套功率調(diào)節(jié)電路與控制即： 輸出電壓的調(diào)整依賴于可控整流電路及其控制 而輸出頻率的調(diào)整則由逆變器及其控制。4.2.3 電壓型正弦波逆變器

2、電壓型正弦波逆變器 這不僅使電路結構和控制復雜化，而且因電壓與頻率的不同控制響應將導致系統(tǒng)響應變慢，這主要是由于直流側的儲能慣性會使可控整流電路的輸出電壓響應遠慢于逆變器的輸出頻率響應。對于要求輸出正弦波電壓的電壓型PWM逆變器，常稱為電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器。這種電壓型正弦波逆變器一般應具備以下特點即: 逆變器的直流電壓可采用結構簡單的不控整流電路； 利用單一的功率電路及其控制，可同時調(diào)整輸出頻率和輸出電壓，動態(tài)響應快； 由于輸出電壓的諧波頻率主要分布在開關頻率及其以上頻段，因而輸出諧波含量低。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器 電壓型正弦波逆變器的基本原理從左圖中

3、容易看出：在頻率恒定的一個正弦波周期中，斬控脈沖的占空比和斬控周期一定，而斬控脈沖的幅值則按正弦函數(shù)變化，當要改變斬控波形的基波幅值時，若被斬控正弦波的幅值不變，則只需要控制斬控占空比即可。顯然，當斬控頻率足夠高時，其斬控波形的諧波含量會足夠低。由于被斬控正弦波的頻率恒定，因此，該方案適用于交流變壓恒頻控制，屬于AC-AC變換中的交流斬波變換，其優(yōu)點就是可以直接對頻率一定的輸入（如50HZ交流電）進行斬控，以調(diào)節(jié)交流斬波輸出的基波幅值。正弦波的斬波與脈寬調(diào)制 a) 正弦波斬波波形 Out4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理

4、 然而，針對實際廣泛應用的交流變頻器，其主要采用交流變壓變頻（VVVF）控制策略，即在改變交流輸出幅值的同時，還需改變其交流輸出頻率。如何利用DC-AC變換來實現(xiàn)基于正弦波斬控的VVVF控制輸出呢？在交流斬波變換的基礎上，考慮將斬波變換的交流輸入變成直流輸入 。 進一步觀察左圖所示的正弦波斬控波形，當斬控頻率足夠高時，占空比和斬控周期固定而幅值按正弦函數(shù)變化的斬波脈斬波脈沖的面積也近似按正弦函數(shù)變化沖的面積也近似按正弦函數(shù)變化。正弦波的斬波與脈寬調(diào)制 a) 正弦波斬波波形 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 實際上，PW

5、M的基本原理可以由沖量等效原理沖量等效原理進行描述即：沖量相等而形狀沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其慣性環(huán)性的環(huán)節(jié)上時，其慣性環(huán)節(jié)的輸出基本相同節(jié)的輸出基本相同。正弦波的斬波與脈寬調(diào)制 a) 正弦波斬波波形 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 b)具體的實例說明“面積等效原理面積等效原理”4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 a)矩形脈沖b)三角形脈沖tOtOf (t)f (t)d)單位脈沖函數(shù)f (t)d

6、(t)tOc)正弦半波脈沖tOf (t) 對各輸出波形用傅式變換分析后，各i(t)低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 可見，相同面積不同形狀的脈沖加在同一慣性環(huán)節(jié)上，得到的輸出響應基本相同。這便是面積等效原理，這便是面積等效原理，它是它是PWM控制的理論基礎。控制的理論基礎。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 OutOutOut如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波寬度相同，幅值正弦變化幅值相同，寬度正弦變化SPWM波形按比例改變脈沖寬度，即可改變等效正弦波幅值4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓

7、型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 OwtUd-Ud 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud 根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 OwtUd-UdOwtUd-Ud等幅等幅PWM波波輸入側是直流電源輸入側是直流電源4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 Uot不

8、等幅不等幅PWM波波輸入電源是交流輸入電源是交流等幅和不等幅等幅和不等幅PWM波的波的本質都是基于面積相等本質都是基于面積相等進行控制的進行控制的。如果電源是電流源，則也可以得到如果電源是電流源，則也可以得到PWM電流波電流波4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 PWM波可等效的各種波形直流斬波電路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器1.電壓型正弦

9、波逆變器的基本原理電壓型正弦波逆變器的基本原理 如何實現(xiàn)SPWM及其波形發(fā)生呢？計算法計算法v 根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形v 繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化調(diào)制法調(diào)制法v 輸出波形作調(diào)制信號，通過對載波的調(diào)制得到期望的PWM波v 通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波v 等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 如何實現(xiàn)SPWM及其波形發(fā)生呢？與任一平

10、緩平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點處控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 1）基于載波的對稱調(diào)制與非對稱調(diào)制）基于載波的對稱調(diào)制與非對稱調(diào)制 采用三角載波三角載波和鋸齒載波鋸齒載波的SPWM脈沖序列如下圖所示。令調(diào)制波頻率為fr，載波頻率為fc，則稱Nfc/ fr為載波比載波比；令調(diào)制波幅值為Urm，載波幅值為Ucm，則稱MUrm/Ucm為調(diào)制度調(diào)制度。 三角載波

11、和鋸齒載波的SPWM及其脈沖序列a) 三角載波SPWM及其脈沖序列 b)鋸齒載波SPWM及其脈沖序列 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 1）基于載波的對稱調(diào)制與非對稱調(diào)制）基于載波的對稱調(diào)制與非對稱調(diào)制 采用三角載波三角載波的SPWM脈沖序列由于三角載波的對稱特性，因而屬于對稱載波調(diào)制對稱載波調(diào)制；而采用鋸齒載波鋸齒載波的SPWM脈沖序列由于鋸齒載波的非對稱特性，因而屬于非對稱載波調(diào)制非對稱載波調(diào)制。相比之下，鋸齒載波的SPWM實現(xiàn)較為簡單，由于鋸齒載波固有的非對稱特性，因而輸出波形中含有偶次諧波。而在相同的開關頻率以及調(diào)

12、制波條件下，三角載波的SPWM其輸出波形的諧波含量相對較低。 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制同步調(diào)制2）異步調(diào)制）異步調(diào)制對于任意的調(diào)制波頻率fr，載波頻率fc恒定的脈寬調(diào)制稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，由于fc保持一定，因而當fr變化時，調(diào)制波信號與載波信號不能保持同步，即載波比N與調(diào)制波頻率fr成反比，因此，異步調(diào)制具有以下特點: 由于fc固定，因而逆變器具有固定的開關頻率。 由于異步調(diào)制時的開關頻率固定，所以對于需要設置輸出

13、濾波器的正弦波逆變器（如UPS逆變電源）而言，輸出濾波器參數(shù)的優(yōu)化設計較為容易。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 2）異步調(diào)制）異步調(diào)制一個調(diào)制波正、負半個周期中的脈沖數(shù)不固定，起始和終止脈沖的相位角也不固定。換言之，一個調(diào)制波正、負半個周期以及每半個周期中的前后1/4周期的脈沖波形不具有對稱性。 不同fr時的異步調(diào)制SPWM波形如下圖所示。不同調(diào)制波頻率fr (fr1f r2)時的異步調(diào)制SPWM波形a) fr fr1b) frf r24.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖

14、寬度調(diào)制的基本問題 2）異步調(diào)制）異步調(diào)制w當fr較低時，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小w當fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大采用異步調(diào)制時，SPWM的低頻性能好，而高頻性能較差。因此采用該方式時希望采用較高的fc，即在一個調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個數(shù)較多，從而彌補脈沖不對稱造成的影響。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 3）同步調(diào)制）同步調(diào)制對于任意的調(diào)制波頻率fr，載波比N保持恒定的脈寬調(diào)制稱為同步調(diào)制。在同步調(diào)制方式中，由于載波比N保持恒定，因而

15、當fr變化時，調(diào)制波信號與載波信號應保持同步，即fc與fr成正比，因此，同步調(diào)制具有以下特點： 由于fc與fr成正比，因而當fr變化時，fc也相應變化，這就使逆變器的開關頻率不固定。 由于同步調(diào)制時的開關頻率隨fr的變化而變化，所以對于需要設置輸出濾波器的正弦波逆變器（如UPS逆變電源）而言，輸出濾波器參數(shù)的優(yōu)化設計較為困難。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 3）同步調(diào)制）同步調(diào)制由于載波比N保持一定，當fr變化時，一

16、個調(diào)制波周期中的脈沖數(shù)將固定不變。當載波比N為奇數(shù)時，一個調(diào)制波正、負半個周期以及半個周期中的前后1/4周期的脈沖波形具有對稱性。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 3）同步調(diào)制）同步調(diào)制從上圖可以分析：從上圖可以分析：一方面，當載波比為奇數(shù)時，由于一方面，當載波比為奇數(shù)時，由于SPWM波形的對稱性，無論調(diào)制波頻率波形的對稱性，無論調(diào)制波頻率fr高低，高低，都不會導致基波相位的跳變；都不會導致基波相位的跳變；另一方面，由于同步調(diào)制時的開關頻率隨另一方面，由于同步調(diào)制時的開關頻率隨調(diào)制波頻率調(diào)制波頻率fr的變化而變化，因此對于

17、需的變化而變化，因此對于需要設置輸出濾波器的正弦波逆變器而言，要設置輸出濾波器的正弦波逆變器而言，輸出濾波器參數(shù)的優(yōu)化設計較為困難。輸出濾波器參數(shù)的優(yōu)化設計較為困難。同步調(diào)制時，同步調(diào)制時，SPWM的高頻性能好，而低頻性能較差的高頻性能好，而低頻性能較差圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud3）同步調(diào)制）同步調(diào)制三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。（為使一相的PWM波正負半周鏡對稱）fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除w fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變

18、器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 4） 分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制 對比同步與異步調(diào)制發(fā)現(xiàn)兩者具有互補的性能特點，但是對于各自不足的改進，都是通過提高開關頻率來實現(xiàn)，而提高開關頻率會導致開關損耗增加。是否可將同步與異步調(diào)制相結合，構成一種新的調(diào)制方案呢？分段同步調(diào)制上是在結合異步調(diào)制優(yōu)點（低頻特性好）基礎上，并克服了同步調(diào)制的不足（低頻特性差）而產(chǎn)生的。分段同步調(diào)制，就是首先將fr的變化范圍劃分為若干個頻段區(qū)域，在每個頻段區(qū)域中，采用同步調(diào)制在每個頻段區(qū)域中，采用同步調(diào)制（載波比N為奇數(shù)且恒定）。 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基

19、本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 4）分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制 在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低為防止fc在切換點附近時載波比來回跳動，采用滯后切換的方法在不同頻段內(nèi)，載波頻率的變化范圍基本一致，fc大約在1.42kHz之間。 圖調(diào)制波頻率fr變化時基于滯環(huán)特性的分段同步調(diào)制載波頻率切換 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5）SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生

20、成SPWM脈沖信號的生成是指：通過模擬或數(shù)字電路對載波信號和調(diào)制波信號進行適當?shù)谋容^運算處理，從而生成與調(diào)制波信號相對應的脈寬調(diào)制信號，以此驅動正弦波逆變器的功率開關。5）SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成SPWM脈沖信號的生成主要包括模擬生成法模擬生成法和數(shù)字生數(shù)字生成法成法。(1) 模擬生成法模擬比較法是將載波信號（如三角波信號）和調(diào)制波信號（如正弦波信號）通過模擬比較器進行比較運算，從而輸出SPWM脈沖信號。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5） SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(2) 數(shù)字生成法1自然采樣法是

21、通過聯(lián)立三角載波信號和正弦調(diào)制波信號的函數(shù)方程并求解出三角載波信號和正弦調(diào)制波信號交點的時間值，從而求出相應的脈寬和脈沖間隙時間以生成SPWM脈沖信號。自然采樣法實際上就是模擬比較法的數(shù)字實現(xiàn)，其原理如右圖所示 。SPWM脈沖信號自然采樣法生成原理 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5）SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(2) 數(shù)字生成法1自然采樣法若令三角載波幅值Ucm1，調(diào)制度為M，正弦調(diào)制波角頻率為r，則正弦調(diào)制波的瞬時值為由右圖，并根據(jù)相似三角形的幾何關系可得自然采樣法SPWM脈寬t2的表達式為 SPWM脈沖信號

22、自然采樣法生成原理 1sinruMtw2111(sinsin)22cABTMtttww4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理w 三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，正弦調(diào)制信號波tsinaurrwr為信號波角頻率a a稱為調(diào)制度調(diào)制度，0a1；4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬

23、度調(diào)制的基本問題 r Dcsin1atTwcr DsinT atw三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度)sin1 (421DrcctaTTwcCDABhTsinr DCDtw1h AB據(jù)此，便可控制PWM的產(chǎn)生 規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理顯然脈沖寬度按正弦規(guī)律變化4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 cr D(1sin)2pTatw 規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理OwtUd-Udcr D(1sin)2ncpTTatwcr DsinpdnddPUUT at Uw等效寬度仍按正弦規(guī)律變化4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器

24、2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5）SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(4) 數(shù)字生成法3特定諧波消除法利用PWM波形的傅立葉級數(shù)分解，通過數(shù)個特定諧波幅值為零以及基波幅值控制方程式的聯(lián)立，求解出PWM波形脈沖沿的轉換角，從而實現(xiàn)SPWM脈沖信號的發(fā)生。SPWM脈沖信號特定諧波消除法生成的PWM脈沖波形4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5）SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(4) 數(shù)字生成法3特定諧波消除法為了減小諧波和簡化波形發(fā)生，首先考慮消除偶次諧波，為此PWM脈沖波形的正、負半周應對稱與

25、零點，即f（t）= f（+t）；另外，為了消除諧波中的余弦項，則必須使PWM脈沖波形奇對稱，即f（t）= f（t） SPWM脈沖信號特定諧波消除法生成的PWM脈沖波形4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5） SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(4) 數(shù)字生成法3特定諧波消除法為說明諧波消除的算法原理，令1/4個調(diào)制波周期中脈沖沿的轉換角i（i=1，2，3，K）滿足如下條件0123K/2SPWM脈沖信號特定諧波消除法生成

26、的PWM脈沖波形12k5） SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(4) 數(shù)字生成法3特定諧波消除法根據(jù)傅立葉級數(shù)分解，上述PWM脈沖波形的諧波和基波幅值分別為由于有K個轉換角i（i=1，2，3，K）需要求解，上述基波和諧波幅值方程只有K個自由度。 / 2()0144sin()12(1)cosmimniiEUEntdtnnww1(1)141( 1)cosmimiiEU 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 12k5) SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(4) 數(shù)字生成法3特定諧波消除法為了使基波幅值可控（占一個自由度），則必然

27、只能使（K1）個諧波幅值為零（占K1個自由度），因此在上述PWM脈沖波形中，只能消除指定的（K1）種諧波。1112( 1)cos30miii1112( 1)cos50miii1112( 1)cos0miiiK 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5) SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(5) 跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法（滯環(huán)比較法）兩態(tài)調(diào)制（TSMTwo-State Modulation）是美國的A.G.Bose于1966年提出的。所謂跟蹤型兩態(tài)調(diào)制是指利用一個閉環(huán)控制中的誤差滯誤差滯環(huán)比較器環(huán)比較器，直接產(chǎn)生一個只有兩態(tài)（高電平、

28、低電平）的PWM控制信號，以使某一輸出量能自動跟蹤控制指令。當將兩態(tài)調(diào)制運用于逆變器的控制時，若控制指令為正弦波時，通過誤差滯環(huán)比較器的輸出就可以實現(xiàn)SPWM脈沖信號發(fā)生。這種跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法既可以利用模擬生成法實現(xiàn)也可以利用數(shù)字生成法實現(xiàn)。 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5）SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(5)跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法左圖a表示了一個電壓型半橋逆變器的電流跟蹤型兩態(tài)調(diào)制結構，其PWM及其電流跟蹤波形如圖b所示?；疽?guī)律：當VT1或VD1導通時，輸出電流i增大；而當VT2或VD2導通時，輸出電流I減小。通

29、過環(huán)寬為2I的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+I和i*-I的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*電壓型半橋逆變器電路 PWM電流跟蹤波形4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5) SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(5)跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法v 參數(shù)的影響參數(shù)的影響滯環(huán)環(huán)寬對跟蹤性能的影響：環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大電抗器L的作用：L大時，i的變化率小，跟蹤慢; L小時，i的變化率大，開關頻率過高電壓型半橋逆變器電路 PWM電流跟蹤波形4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正

30、弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 5) SPWM脈沖信號的生成脈沖信號的生成(5)跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法從左圖中可以看出，PWM脈沖頻率fc是變化的，與如下因素有關：與滯環(huán)寬h成反比，滯環(huán)越寬，fc越低。fc隨Ud增大而增大負載電感L越大，fc越小與給定電流的變換率有關，越接近給定值的峰值，fc越大存在的問題：在給定參考電流的一個周期內(nèi)PWM脈沖頻率差別很大,給濾波設計帶來困難。v三相的情況三相的情況圖6-25Oti*UOtuABiUi三相電流跟蹤型PWM逆變電

31、路輸出波形三相電流跟蹤型PWM逆變電路圖6-24+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVW4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器2.正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題正弦脈沖寬度調(diào)制的基本問題 上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧對于要求輸出正弦波電壓的電壓型PWM逆變器，常稱為電電壓型正弦波逆變器壓型正弦波逆變器PWM的基本原理可以由沖量等效原理沖量等效原理進行描述即：沖量相等而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，其慣性環(huán)節(jié)的輸形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其慣性環(huán)節(jié)的輸出基本相同出基本相同OwtUd-UdOwtUd-Ud上次課主要

32、內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧PWM的發(fā)生基于載波的對稱調(diào)制與非對稱調(diào)制基于載波的對稱調(diào)制與非對稱調(diào)制 異步調(diào)制異步調(diào)制同步調(diào)制同步調(diào)制分段調(diào)制分段調(diào)制上次課主要內(nèi)容回顧上次課主要內(nèi)容回顧SPWM脈沖信號的生成模擬生成法模擬生成法模擬比較法模擬比較法 數(shù)字生成法：數(shù)字生成法： 自然采樣法自然采樣法 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 特定諧波消除法特定諧波消除法 跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法 3.單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 單相電壓型正弦波逆變器原理電路如下圖所示。對于單相電壓型正弦波逆變器，可采用三種SPWM控制方案，即單極性單極性SPWM控制控制、雙極性雙極性SPWM

33、控制控制以及倍倍頻單極性頻單極性SPWM控制控制。以下分別進行討論。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3.單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 1) 單極性單極性SPWM控制控制所謂單極性單極性SPWM控制是指逆變器的輸出脈沖具有單極性特征控制是指逆變器的輸出脈沖具有單極性特征。即當輸出正半周時，輸出脈沖全為正極性脈沖；而當輸出負半周時，輸出脈沖全為負極性脈沖。為此，必須采用使三角載波極性與正弦調(diào)制波極性相同的所謂單極性三角載波調(diào)制。單極性SPWM控制時的調(diào)制波形與驅動信號生成4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的

34、單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud周期控制橋臂調(diào)制橋臂4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2) 雙極性SPWM控制 是指逆變器的輸出脈沖具有雙極性特征。即無論輸出正、負半周，輸出脈沖全為正、負極性跳變的雙極性脈沖。當采用基于三角載波調(diào)制的雙極性SPWM控制時，只須采用正、負對稱的雙極性三角載波即可。為實現(xiàn)雙極性SPWM控制，需對逆變器的功率管進行

35、互補控制。雙極性SPWM控制時的功率管驅動信號生成原理電路如圖所示。雙極性SPWM控制時的調(diào)制波形 相應的驅動信號生成電路 2）雙極性SPWM控制 當正弦調(diào)制波信號瞬時值大于三角載波信號瞬時值時，比較器的輸出極性為正，VT1、VT4導通有效，而VT2、VT3關斷有效，逆變器輸出為正極性的SPWM電壓脈沖。同理，當正弦調(diào)制波信號瞬時值小于三角載波信號瞬時值時，比較器的輸出極性為負，VT2、VT3導通有效，而VT1、VT4關斷有效，逆變器輸出為負極性的SPWM電壓脈沖。雙極性SPWM控制由于采用了正、負對稱的雙極性三角載波，從而簡化了SPWM控制信號的發(fā)生。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦

36、波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 3）倍頻單極性SPWM控制 逆變器輸出脈沖的調(diào)制頻率是載波頻率的兩倍，并且輸出脈沖具有單極性特征。倍頻單極性SPWM控制有調(diào)制波反調(diào)制波反相相和載波反相載波反相兩種PWM控制模式，具體討論如下： 調(diào)制波反相的倍頻單極性調(diào)制波反相的倍頻單極性SPWM控制模式 功率管驅動信號生成原理電路與雙極性SPWM控制時的功率管驅動信號生成原理電路類似。 兩者在調(diào)制波的設計上有所不同，即：逆變器兩相橋臂的調(diào)制信號則采用了幅值相等且相位互差幅值相等且相位互差180的調(diào)制波信號4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電

37、壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 3）倍頻單極性SPWM控制 3）倍頻單極性SPWM控制 載波反相的倍頻單極性載波反相的倍頻單極性SPWM控制模式 功率管驅動信號生成原理電路與雙極性SPWM控制時的功率管驅動信號生成原理電路類似。 只是兩者在載波的設計上有所不同，即：逆變器兩相橋臂的載波信號采逆變器兩相橋臂的載波信號采用了幅值相等且相位互差用了幅值相等且相位互差180的對的對稱雙極性載波信號稱雙極性載波信號，其SPWM相關波形如圖4-39b所示。 4.2

38、.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 3）倍頻單極性SPWM控制 逆變器輸出脈沖的調(diào)制頻率均為為載波頻率的兩倍載波頻率的兩倍。表明：如果載波頻率與單極性SPWM控制時的載波頻率相同，這種倍頻單極性倍頻單極性SPWM控制的逆控制的逆變器輸出脈沖的調(diào)制頻率是單極變器輸出脈沖的調(diào)制頻率是單極性性SPWM控制時的兩倍控制時的兩倍。 3）倍頻單極性SPWM控制 因此，采用倍頻單極性SPWM控制，優(yōu)點： 在一定的輸出

39、波形畸變率條件下，可以有效降低功率在一定的輸出波形畸變率條件下，可以有效降低功率管的開關頻率；管的開關頻率； 另一方面，在一定的開關頻率條件下，可以有效降低另一方面，在一定的開關頻率條件下，可以有效降低輸出波形畸變率。輸出波形畸變率。倍頻單極性SPWM控制由于控制簡單且具有輸出倍頻特性，因而是一種優(yōu)化的單相電壓型正弦波逆變器的SPWM控制方案。尤其是調(diào)制波反相控制模式，由于采用微處理器（如采用DSP）進行波形發(fā)生的方便性，實際應用時被較多采用。 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器3. 單相電壓型正弦波逆變器的單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 三相電壓型正弦波逆變器原理電路如

40、下圖所示。對于三相電壓型正弦波逆變器，可采用多種SPWM控制方案即：三相雙極性三相雙極性SPWM控制控制、提高電壓利用率的鞍形調(diào)制波鞍形調(diào)制波SPWM控制控制以及既能提高電壓利用率又能降低開關損耗的綜合優(yōu)化綜合優(yōu)化SPWM控制控制等。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 1）三相雙極性SPWM控制是三相電壓型正弦波逆變器基本的SPWM控制方案，這種控制方案對每相橋臂采用雙極性SPWM控制，即三相橋臂

41、采用同一個三角載波信號，而三相橋臂的調(diào)制波則采用三相對稱的正弦波信號。三相雙極性SPWM控制時的調(diào)制波形和功率管驅動信號生成原理電路如左圖所示。 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 1）三相雙極性SPWM控制主要特點如下主要特點如下：相對于逆變器直流電壓中點的輸出相電壓波形為雙極性SPWM波形，且幅值為Ud/2。逆變器輸出的線電壓波形為單極性SPWM波形，且幅值為Ud。三相橋式PWM逆變電路波形 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制

42、4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 1）三相雙極性SPWM控制主要特點如下：主要特點如下： 任何SPWM調(diào)制瞬間，逆變器每相橋臂有且只有一個功率器件導通（功率管或二極管）。由于三相雙極性SPWM控制的實現(xiàn)較為簡單，因而成為在實際應用中最為廣泛采用的方案。2）鞍形調(diào)制波SPWM控制對采用三相雙極性SPWM控制的三相電壓型正弦波逆變器線電壓波形進行傅立葉分析，可得到其輸出線電壓的最大最大基波幅值基波幅值為而對于180導電型控制的三相電壓型方波逆變器，同理采用傅立葉分析，可得到其輸出線電壓的最大最大基波幅值基波幅值為若

43、定義逆變器輸出線電壓的最大基波幅值與逆變器直流電壓之比為逆變器輸出線電壓的最大基波幅值與逆變器直流電壓之比為電壓型逆變器的最大電壓型逆變器的最大電壓利用率電壓利用率，顯然，三相雙極性SPWM控制時的正弦波逆變器電壓利用率（約為0.866）較180導電型控制時的方波逆變器電壓利用率（約為1.1）低。那么，為何方波控制時的電壓利用率較高呢？ddUU866. 02/3ddUU1 . 1/324.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2）鞍形調(diào)制波）鞍形調(diào)制波SPWM控制控制實際上，180導電型方波控制可由以180方波為調(diào)制波

44、且調(diào)制度為1時的方波PWM控制來等效。此時，雖然方波調(diào)制波調(diào)制度為1（臨界過調(diào)制），但由于其方波調(diào)制波中對應基波的調(diào)制度已大于1（過調(diào)制），從而使電壓利用率得以提高。因此，為了提高SPWM控制時的電壓利用率，最直接的方法就是使正弦調(diào)制波的峰值大于三角載波的峰值，使SPWM過調(diào)制過調(diào)制。但這種使正弦調(diào)制波過調(diào)制的SPWM控制，在其輸出基波幅值增加的同時（提高了電壓利用率），必然導致波形畸變，從而使SPWM輸出諧波增加。 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2）鞍形調(diào)制波）鞍形調(diào)制波SPWM控制控制如何在不增加SPW

45、M輸出諧波的同時，有效地提高電壓型逆變器SPWM控制時的電壓利用率呢？ 試設想：如果能在PWM調(diào)制波信號臨界過調(diào)制時使調(diào)制波信號中的使調(diào)制波信號中的基波分量過調(diào)制基波分量過調(diào)制，并且由此而導致的三相調(diào)制波信號的畸變并不影三相調(diào)制波信號的畸變并不影響三相電壓型逆變器響三相電壓型逆變器SPWM線電壓的波形品質線電壓的波形品質，就可以實現(xiàn)在不增加諧波的同時，有效地提高電壓型逆變器SPWM控制時的電壓利用率。 對于三相對稱無中線輸出的電壓型逆變器，由于不存在中線，若在每相相電壓中引入零序電壓，由于三相零序電壓的瞬時值相等，因此，零序電壓的引入將不會改變輸出線電壓波形。 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電

46、壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2）鞍形調(diào)制波）鞍形調(diào)制波SPWM控制控制如果在三相電壓型逆變器每相橋臂的正弦調(diào)制波信號中引入零序分量，雖然會使調(diào)制波信號發(fā)生畸變，但利用這種畸變的調(diào)制波信號進行PWM控制，其結果并不會影響三相電壓型逆變器的線電壓波形品質 是一種基于線電壓的線電壓的SPWM控制方案控制方案。如何引入某種特定的零序調(diào)制分量，并使其能極大地提高三相電壓型逆變器的電壓利用率。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2）鞍形調(diào)制波）鞍形調(diào)制波SPWM控制控

47、制最簡單的零序分量可選擇三次諧波三次諧波。由于三次諧波的引入，原正弦調(diào)制波變成鞍形調(diào)制鞍形調(diào)制波，而鞍形調(diào)制波在90兩側可形成類似的“平頂”，從而有效地提高三相電壓型逆變器的電壓利用率。那么，注入多大幅值的三次諧波，才能最大程度地提高三相電壓型逆變器的電壓利用率？ 4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2）鞍形調(diào)制波）鞍形調(diào)制波SPWM控制控制單位峰值（峰值為1）的正弦調(diào)制波信號注入峰值為a的三次諧波信號正弦波中注入三次諧波的鞍形調(diào)制波信號波形a)鞍形調(diào)制波 b)最大程度的基波過調(diào)制 4.2.3 電壓型正弦波逆變器

48、電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2）鞍形調(diào)制波）鞍形調(diào)制波SPWM控制控制根據(jù)以上假設，合成后的鞍形調(diào)制波方程為由上式，并令d y/dt=0，即可求出鞍形調(diào)制波的峰值yM為選擇某一峰值的三次諧波并將其注入單位峰值正弦波之中，若能使合成后的鞍形調(diào)制波的峰值yM最小。此時，若合成后的鞍形調(diào)制波“臨界過調(diào)制”，則相應的正弦調(diào)制波將取得最大程度的“過調(diào)制”。y=sint+asin3t2/312318 aaayM4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 2）鞍形調(diào)制波）鞍形

49、調(diào)制波SPWM控制控制令d yM/da=0，即可求出：當a=1/6時，鞍形調(diào)制波的峰值yM取得最小值，且最小值866. 02/3minMy2/312318 aaayM4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器4. 三相電壓型正弦波逆變器的三相電壓型正弦波逆變器的PWM控制控制 如果以上述選擇的鞍形調(diào)制波進行PWM控制，當鞍形調(diào)制波的調(diào)制度為0.866時，其中基波調(diào)制度則為1；而當鞍形調(diào)制波的調(diào)制度為調(diào)制度為1時時（臨界過調(diào)制），其中的基波調(diào)制度則為， （過調(diào)制） 從而獲得最大程度的基波過調(diào)制。2/31.155注入三次諧波的鞍形調(diào)制波PWM控制時的電壓利用率比正弦調(diào)制波PWM控制時的電壓利

50、用率最大能提高約提高約15.5%。使用載波對正弦信號波調(diào)制，會產(chǎn)生和載波有關的諧波分量。諧波頻率和幅值頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一。為了定量評價SPWM輸出波形的品質，必須定量研究SPWM諧波及其特征。SPWM的波形調(diào)制包括同步調(diào)制和異步調(diào)制。對異步調(diào)制而言，無法以調(diào)制波角頻率為基準并將其分解為調(diào)制波角頻率倍數(shù)的諧波，為此需要考慮以載波頻率為基準的邊頻帶諧波分布邊頻帶諧波分布情況，需要雙重傅立葉級數(shù)雙重傅立葉級數(shù)諧波分析法諧波分析法?？紤]到同步調(diào)制是異步調(diào)制的特例，因此，這種雙重傅立葉級數(shù)諧波分析法也同樣適用于SPWM的同步調(diào)制。4.2.3 電壓型正弦波逆變器電壓型正弦波逆變器5. SPWM諧波及其特征諧波及其特征