逆變器的PWM調(diào)制技術(shù)

1、逆變器的PWM調(diào)制技術(shù)電力電子技術(shù)的基本概況 逆變電路 逆變器的PWM調(diào)制技術(shù) 1.1 PWM調(diào)制技術(shù)的基本思想 在不改變電路結(jié)構(gòu)的前提下使輸出電壓的波形明顯得到改善 。脈寬調(diào)制技術(shù) 在原有方波輸出的電平中對(duì)稱地增加若干個(gè)“電壓缺口”，以模擬多重化技術(shù)中“階梯”數(shù)的變化，使之在保證基波輸出幅值的前提下，達(dá)到減少或消除部分諧波的目的。 調(diào)制 逆變電路改變輸出電平的寬度，或改變電壓缺口的寬度，且這種缺口是由輸出的電平幅值直接跳變到零，或直接跳變到負(fù)值的調(diào)制。 脈寬調(diào)制PWM調(diào)制脈寬調(diào)制PWM調(diào)制可使輸出電壓的諧波次數(shù)由較低的頻段移到較高的頻段，高頻濾波較容易實(shí)現(xiàn)，成本降低，控制更加靈活。 逆變電路

2、p2p0-1.0a12 p32 pw1tp-a3p-a2p-a1p+a11.0基波電壓a2a3缺口7p缺口6缺口1缺口5缺口7缺口1缺口1缺口1利用半個(gè)周波內(nèi)的三個(gè)控制度，可以控制基波幅值，還可以用來消除兩個(gè)特定的諧波。 方波調(diào)制方式和PWM調(diào)制方式的結(jié)合 逆變電路p2p0-1.0a12 p32 pw1tp-a3p-a2p-a1p+a11.0基波電壓a2a3缺口7p缺口6缺口1缺口5缺口7缺口1缺口1缺口1圖示的開關(guān)頻率是方波輸出方式下開關(guān)頻率的7倍。 由方波計(jì)算公式 可知，方波輸出對(duì)應(yīng)的基波電壓幅值為： 逆變電路p2p0-1.0a12 p32 pw1tp-a3p-a2p-a1p+a11.0基

3、波電壓a2a3缺口7p缺口6缺口1缺口5缺口7缺口1缺口1缺口1為了消除5次、7次諧波，在半個(gè)基波周波中增加了四個(gè)電壓缺口，此時(shí)，輸出電壓的標(biāo)幺值變?yōu)椋?逆變電路0a3a2a160402050100800604020103014.2422.06基波分量占最大基波值的百分比缺口寬度（角度）待定參數(shù)1、2、3確定電壓缺口的寬度、起始點(diǎn)的定位， 是基波輸出電壓和擬消除諧波的函數(shù)。多，極限情況就達(dá)到了正弦調(diào)制PWM的調(diào)制效果，線性段的最大基波輸出幅值則降為1（標(biāo)幺值） 。 只要電壓缺口越多，可消除的指定諧波也越 逆變電路PWM調(diào)制方法中，除了有幾個(gè)電壓缺口外，每相輸出電壓基本上都是方波，產(chǎn)生這些電壓缺

4、口的目的是控制輸出基波幅值。缺 點(diǎn)：PWM調(diào)制技術(shù)會(huì)產(chǎn)生很大的諧波分量。優(yōu)點(diǎn)：PWM調(diào)制技術(shù)電路比較簡(jiǎn)單，所需開關(guān)數(shù)量較少。利用大規(guī)模集成電路和高速DSP微控制器，可以實(shí)現(xiàn)這種特定諧波消除的控制技術(shù)。 逆變電路1.2 SPWM調(diào)制的有關(guān)概念直流交流逆變電路中的控制信號(hào)uctr可以是恒定的或隨時(shí)間變化，該調(diào)制信號(hào)的輸出是這個(gè)調(diào)制信號(hào)與開關(guān)頻率恒定的三角波進(jìn)行比較后產(chǎn)生。SPWM通過改變占空比實(shí)現(xiàn)控制，它不僅可有效的控制平均直流輸出電壓的幅值，而且還能根據(jù)調(diào)制信號(hào)的頻率來控制逆變器的基波輸出頻率?？刂菩盘?hào)uctr是正弦波，逆變器輸出的是幅值和頻率均可控的正弦波。SPWM調(diào)制 逆變電路uctr：控制

5、信號(hào)f1: 調(diào)制頻率ma : 幅值調(diào)制fs三角波utri的頻率載波頻率 開關(guān)頻率(UctrmUtrim) UctrUtri TA+: 通,TA-: 斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1hf1 次諧波ma=0.8 , mf=15mf為奇數(shù) Ud /2 -Ud /2 逆變電路Uctrm：:控制信號(hào)峰值Utrim：三角波信號(hào)幅值mf ： 頻率調(diào)制上、下橋臂開關(guān)是否導(dǎo)通取決于uctr和utri的比較結(jié)果，與輸出電流i0的方向無關(guān)。 UctrUtri TA+: 通,TA-: 斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf

6、+22mf+1hf1 次諧波ma=0.8 , mf=15mf為奇數(shù) Ud /2 -Ud /2 逆變電路當(dāng)uctrutri時(shí)，TA+閉合，TA-關(guān)斷，此時(shí)的輸出電壓為: uA0=Ud /2當(dāng)uctrutri，TA-閉合，TA+關(guān)斷，輸出電壓為: uA0=Ud /2 UctrUtri TA+: 通,TA-: 斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1hf1 次諧波ma=0.8 , mf=15mf為奇數(shù) Ud /2 -Ud /2 逆變電路局部放大0tuA0tuctrUd /2Utrimutri-Ud /2uctr0utri 基波分量峰值(UA0m)1是

7、ma與Ud/2的乘積(uctrutrim) uA0 與 Ud 、uctr / utri 成正比:當(dāng)ma1.0時(shí)1 逆變電路均值”。當(dāng)瞬時(shí)平均值按照一定規(guī)律變化時(shí)，輸出電壓的平均值在所考慮的開關(guān)周期內(nèi)也跟著作相應(yīng)的變化。輸出波的頻率和幅值與調(diào)制波相對(duì)應(yīng)。假設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，uctr的變化很小，mf的值較大，則可以近似認(rèn)為uA0在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的 “瞬時(shí)平均值”不變，而在下一個(gè)開關(guān)周期可以改變?yōu)榱硪粋€(gè)“瞬時(shí)平局部放大0tuA0tuctrUd /2Utrimutri-Ud /2uctr0utri 逆變電路SPWM調(diào)制技術(shù)選擇正弦波為調(diào)制波，當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值是正弦波的調(diào)制技

8、術(shù) 。正弦PWM調(diào)制技術(shù)SPWM調(diào)制技術(shù) 在SPWM調(diào)制方式下 ，輸出電壓波形是幅值相等、寬度變化的一系列矩形波， 輸出電壓的基波分量與調(diào)制波的頻率和幅值對(duì)應(yīng)。 逆變電路若控制電壓為正弦波的頻率以f1=w1/2p變化，則該頻率為逆變器輸出給定頻率，或?yàn)榛l率： uctr(t) =Uctrmsinw1t (UctrmUtrim )基頻分量（uA0)1以正弦規(guī)律變化，與uctr同相，表達(dá)式為： 由此可得: ma1.0 逆變電路SPWM調(diào)制方式下，當(dāng)ma1.0、直流電壓Ud恒定時(shí)，輸出電壓的基波分量幅值與ma呈線性關(guān)系。 逆變器輸出電壓波形并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是由間隔不等、幅值相同的一系列脈

9、沖方波組成，該系列方波可以認(rèn)為是基波分量f1與其它各次諧波分量之和。 逆變電路逆變器輸出電壓波形中的諧波頻率 2PWM所產(chǎn)生的諧波頻率以旁瓣的形式圍繞著開關(guān)頻率及開關(guān)頻率的倍數(shù)附近。 諧波幅值越靠近mf及其倍數(shù)次諧波的位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的諧波幅值越大。當(dāng)頻率調(diào)制比mf 9時(shí)，諧波存在的位置與上述情況相同，但諧波幅值與mf無關(guān)。 逆變電路輸出電壓的諧波頻率為： fh=hf1=(jmf k)f1 式中：h為諧波次數(shù)：h = jmf k，當(dāng)h=1時(shí)，表示基波分量。mf為奇整數(shù)。k和j均為整數(shù)，當(dāng)j為奇數(shù)時(shí)，k為偶數(shù)；當(dāng)j為偶數(shù)時(shí)，則k為奇數(shù)。 逆變電路uot3 U/2 0 t VT1 VD2 VD1 VD

10、2 VD1 VT2 VT1 VT2 t 0 -U/2 t2 t1 t5 t4 t6 ioVD2 VD1 A u0 VT2 VT1 - N Ud /2P R Ud /2Ud + 0 i0 L 從上圖逆變器電路中可以看出： uAN = uA0+Ud/2由上式知，uAN和uA0中的諧波電壓分量相同： (UANm) = (UA0m)h 逆變電路諧波mf應(yīng)是奇整數(shù) 3UctrUtri TA+: 通,TA-: 斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1hf1 次諧波ma=0.8 , mf=15mf為奇數(shù) Ud /2 -Ud /2 mf的值為一個(gè)奇整數(shù)，輸出波

11、形具有奇對(duì)稱，即: f(t)=f(t)和半波對(duì)稱f(t)=f(t+T1/2)uA0的波形中只含有奇次諧波而沒有偶次諧波。 逆變電路 PWM的諧波幅值隨ma的變化 0.60.20.21.1500.0610.3350.0440.1901.2420.0161基波h0.40.4mamfmf2mf42mf12mf32mf53mf3mf23mf43mf64mf14mf34mf54mf70.1630.0120.3260.0240.1230.1390.0120.1570.0700.60.3700.0711.0060.1310.0830.2030.0470.0080.1320.0340.80.80.3140.1

12、390.0130.8180.220 0.1710.1760.1040.0160.1050.1150.0840.0171.01.00.6010.3180.0180.1810.2120.0330.1130.0620.1570.0440.0680.0090.1190.050 逆變電路例 已知圖中電路Ud=300V，ma=0.8, mf=39，而且基波為47Hz。試計(jì)算基波電壓的有效值，并用表7.1計(jì)算uA0中的主要諧波。解 從PWM的諧波幅值隨ma的變化表中知，當(dāng)h為一確定值時(shí), 輸出電壓的有效值由下式確定:VD2 VD1 A u0 VT2 VT1 - N Ud /2P R Ud /2Ud + 0

13、i0 L 逆變電路計(jì)算得到的基波及諧波電壓有效值分別為：(UA0)1=106.7 0.8 =84.86 V 47HZ時(shí)(UA0)37= 106.07 0.22 =23.33V 1739 HZ時(shí)(UA0)39=106.07 0.818= 86.76V 1833 HZ時(shí)(UA0)41=106.07 0.22= 23.33V 1927 HZ時(shí)(UA0)77=106.07 0.314= 33.31V 3619 HZ時(shí)(UA0)79=106.07 0.314= 33.31V 3713 HZ時(shí) 逆變電路SPWM的輸出波可以等效為基波和其它各次諧波的合成。諧波頻率越高就越容易濾波，希望頻率調(diào)制比mf越大越好

14、。當(dāng) ma1.0時(shí)，mf與開關(guān)頻率成正比， mf越大，則開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷的頻率越高。希望開關(guān)速度越低越好。 逆變電路開關(guān)頻率一般在6kHz20kHz之間進(jìn)行選擇。若開關(guān)頻率增加到20kHz以上時(shí)，不論采用什么樣的低功耗器件，開關(guān)損耗都會(huì)達(dá)到難于接受的程度。若開關(guān)頻率高于20kHz時(shí)，mf有可能大于100。mf的大小決定了三角波頻率和控制電壓頻率的相對(duì)關(guān)系。 逆變電路1小mf的情況（mf 21） UctrUtri TA+: 通,TA-: 斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1hf1 次諧波ma=0.8 , mf=15mf為奇數(shù) Ud /2 -

15、Ud /2 當(dāng)mf較小時(shí)，應(yīng)采用同步PWM，保證mf始終是一個(gè)常數(shù)。 逆變電路當(dāng)mf值較大時(shí)，可采用異步PWM調(diào)制技術(shù)。mf不一定是奇整數(shù)，但由于此時(shí)的諧波處于較高的頻段，且諧波的幅值較小，較容易設(shè)計(jì)濾波電路。2大mf的情況（mf 21） 在異步PWM調(diào)制技術(shù)中，三角波頻率保持恒定，通過改變調(diào)制頻率（或控制信號(hào)頻率）以得到異步調(diào)制的效果。mf的值一般是非整數(shù)。異步PWM調(diào)制技術(shù)載波頻率和調(diào)制頻率不是同步變化 。 逆變電路3超調(diào)制 （ma1.0） 當(dāng)SPWM在ma1.0的線性范圍內(nèi)工作時(shí)，其基波分量的幅值與幅值調(diào)制比ma的關(guān)系可由下式確定。 缺點(diǎn):逆變器輸出的基波幅值達(dá)不到理想值。 逆變電路 交

16、流輸入電壓的有效值為380V，經(jīng)電壓型整流 器后得到的理想直流電壓為 逆變器在線性范圍內(nèi)的最高基波交流輸出電壓的有效值僅為：這個(gè)最大交流電壓的有效值無法滿足380V交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的需要，這是由于在PWM調(diào)制輸出的電壓波形中含有大量電壓缺口所造成。 例 逆變電路超調(diào)制調(diào)制波的幅值大于載波幅值。 與線性調(diào)制范圍（ma1.0）相比，超調(diào)制使輸出電壓頻譜在所有奇次諧波上有更大的幅值。 在超調(diào)制工作方式下基波幅值將不隨幅值調(diào)制比ma線性變化。 h0.51.00ma =2.5 mf =1553971112119171513272523(UA0m)h /(Ud /2) 逆變電路1.00ma mf15

17、3.241.0超調(diào)區(qū)方波區(qū)線性區(qū)1.27304/p(UA0m)1 /(Ud /2)當(dāng)mf=15、幅值調(diào)制比在1.0ma3.24的超調(diào)制范圍內(nèi)時(shí)，基波輸出電壓的幅值(UA0m)1/(Ud/2)與mf為非線性關(guān)系，但整體上它隨著ma的增加而增加。 逆變電路1.00ma mf153.241.0超調(diào)區(qū)方波區(qū)線性區(qū)1.27304/p(UA0m)1 /(Ud /2)在線性范圍內(nèi)(ma1.0)，(UA0m)1/(Ud/2)與ma為線性關(guān)系。在線性調(diào)制區(qū)，基波輸出電壓的幅值與ma是線性變化關(guān)系，但與mf基本上無關(guān)。 逆變電路當(dāng)ma足夠大時(shí)h0.51.00ma =2.5 mf =1553971112119171

18、513272523(UA0m)h /(Ud /2)當(dāng)ma的值足夠大時(shí)，基波輸出電壓的幅值基本保持不變。于載波幅值時(shí)，輸出電壓的波形已由一系列等幅、不等寬的脈沖波變成了矩形波，此時(shí)的基波輸出電壓幅值已達(dá)到方波輸出電壓所對(duì)應(yīng)的基波分量的最大值 (4/p)(Ud/2)。當(dāng)調(diào)制波幅值遠(yuǎn)大 逆變電路在ma1.0時(shí)的超調(diào)制中，基波輸出電壓的幅值應(yīng)在下面的范圍內(nèi)變化：h0.51.00ma =2.5 mf =1553971112119171513272523(UA0m)h /(Ud /2) 逆變電路1.3 方波輸出模式 方波 當(dāng)ma足夠大時(shí)，調(diào)制波（控制波uctr）與載波（三角波）只是在調(diào)制波為0的附近相交，其它位置均沒有相交點(diǎn)的輸出波形 。 方波調(diào)制是SPWM調(diào)制的一個(gè)特例。 逆變電路1.00ma mf153.241.0超調(diào)區(qū)方波區(qū)線性區(qū)