单双极性PWM波形调制方法Word格式.docx
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图6-2a的电路
v电路输入:
u(t),窄脉冲,如图6-1a、b、c、d所示
v电路输出:
i(t),图6-2b
面积等效原理
图6-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
v正弦半波N等分,可看成N个彼此相连的脉冲序列,宽度相等,但幅值不等
v用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等
v宽度按正弦规律变化
vSPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形
v要改变等效输出正弦波幅值,按同一比例改变各脉冲宽度即可
图6-3用PWM波代替正弦半波
等幅PWM波和不等幅PWM波
由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波
v如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路和PWM整流电路
输入电源是交流,得到不等幅PWM波
v如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路
基于面积等效原理进行控制,本质是相同的
PWM电流波
电流型逆变电路进行PWM控制,得到的就是PWM电流波
PWM波形可等效的各种波形
直流斩波电路:
等效直流波形
SPWM波:
等效正弦波形
还可以等效成其他所需波形,如等效所需非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也基于等效面积原理
14.2PWM逆变电路及其控制方法
目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术
逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合
本节内容构成了本章的主体
PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种,目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路
14.2.1计算法和调制法
计算法
v根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔,据此控制逆变电路开关器件的通断,就可得到所需PWM波形
v繁琐,当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化
调制法
v输出波形作调制信号,进行调制得到期望的PWM波
v通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波
v等腰三角波应用最多,其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称
与任一平缓变化的调制信号波相交,在交点控制器件通断,就得宽度正比于信号波幅值的脉冲,符合PWM的要求
调制信号波为正弦波时,得到的就是SPWM波
调制信号不是正弦波,而是其他所需波形时,也能得到等效的PWM波
结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明:
工作时V1和V2通断互补,V3和V4通断也互补
控制规律
vuo正半周,V1通,V2断,V3和V4交替通断
v负载电流比电压滞后,在电压正半周,电流有一段区间为正,一段区间为负
v负载电流为正的区间,V1和V4导通时,uo等于Ud
vV4关断时,负载电流通过V1和VD3续流,uo=0
v负载电流为负的区间,V1和V4仍导通,io为负,实际上io从VD1和VD4流过,仍有uo=Ud
V4关断V3开通后,io从V3和VD1续流,uo=0
uo总可得到Ud和零两种电平
uo负半周,让V2保持通,V1保持断,V3和V4交替通断,uo可得-Ud和零两种电平
图6-4单相桥式PWM逆变电路
单极性PWM控制方式(单相桥逆变)在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断
vur正半周,V1保持通,V2保持断
♦当ur>
uc时使V4通,V3断,uo=Ud
♦当ur<
uc时使V4断,V3通,uo=0
vur负半周,V1保持断,V2保持通
uc时使V3通,V4断,uo=-Ud
uc时使V3断,V4通,uo=0
♦虚线uof表示uo的基波分量
图6-5单极性PWM控制方式波形
双极性PWM控制方式(单相桥逆变)
v在ur的半个周期内,三角波载波有正有负,所得PWM波也有正有负
v在ur一周期内,输出PWM波只有±
Ud两种电平
v仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断
vur正负半周,对各开关器件的控制规律相同
v当ur>
uc时,给V1和V4导通信号,给V2和V3关断信号
v如io>
0,V1和V4通,如io<
0,VD1和VD4通,uo=Ud
当ur<
uc时,给V2和V3导通信号,给V1和V4关断信号
如io<
0,V2和V3通,如io>
0,VD2和VD3通,uo=-Ud
单相桥式电路既可采取单极性调制,也可采用双极性调制
图6-6双极性PWM控制方式波形
双极性PWM控制方式(三相桥逆变)
v三相的PWM控制公用三角波载波uc
v三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°
图6-7三相桥式PWM型逆变电路
U相的控制规律
v当urU>
uc时,给V1导通信号,给V4关断信号,uUN’=Ud/2
v当urU<
uc时,给V4导通信号,给V1关断信号,uUN’=-Ud/2
v当给V1(V4)加导通信号时,可能是V1(V4)导通,也可能是VD1(VD4)导通
vuUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±
Ud/2两种电平
vuUV波形可由uUN’-uVN’得出,当1和6通时,uUV=Ud,当3和4通时,uUV=-Ud,当1和3或4和6通时,uUV=0
v输出线电压PWM波由±
Ud和0三种电平构成
v负载相电压PWM波由(±
2/3)Ud、(±
1/3)Ud和0共5种电平组成
防直通死区时间
v同一相上下两臂的驱动信号互补,为防止上下臂直通而造成短路,留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间
v死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定
v死区时间会给输出的PWM波带来影响,使其稍稍偏离正弦波
图6-8三相桥式PWM逆变电路波形
14.2.2异步调制和同步调制
v载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比,N=fc/fr
v根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况,PWM调制方式分为异步调制和同步调制
1.异步调制
异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式
♦通常保持fc固定不变,当fr变化时,载波比N是变化的
♦在信号波的半周期内,PWM波的脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称
♦当fr较低时,N较大,一周期内脉冲数较多,脉冲不对称产生的不利影响都较小
♦当fr增高时,N减小,一周期内的脉冲数减少,PWM脉冲不对称的影响就变大
同步调制
同步调制——N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步
♦基本同步调制方式,fr变化时N不变,信号波一周期内输出脉冲数固定
♦三相电路中公用一个三角波载波,且取N为3的整数倍,使三相输出对称
♦为使一相的PWM波正负半周镜对称,N应取奇数
♦fr很低时,fc也很低,由调制带来的谐波不易滤除
♦fr很高时,fc会过高,使开关器件难以承受
图6-10同步调制三相PWM波形
分段同步调制(图6-11)
♦把fr范围划分成若干个频段,每个频段内保持N恒定,不同频段N不同
♦在fr高的频段采用较低的N,使载波频率不致过高
♦在fr低的频段采用较高的N,使载波频率不致过低
♦为防止fc在切换点附近来回跳动,采用滞后切换的方法
♦同步调制比异步调制复杂,但用微机控制时容易实现
♦可在低频输出时采用异步调制方式,高频输出时切换到同步调制方式,这样把两者的优点结合起来,和分段同步方式效果接近
14.2.3规则采样法
按SPWM基本原理,自然采样法
♦要求解复杂的超越方程,难以在实时控制中在线计算,工程应用不多
规则采样法特点
♦工程实用方法,效果接近自然采样法,计算量小得多
图6-12规则采样法
规则采样法原理
♦图6-12,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc
♦自然采样法中,脉冲中点不和三角波一周期的中点(即负峰点)重合
♦规则采样法使两者重合,每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称,使计算大为简化
♦在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点,过D作水平直线和三角波分别交于A、B点,在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断
♦脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近
规则采样法计算公式推导
正弦调制信号波
式中,a称为调制度,0≤a<
1;
wr为信号波角频率。
从图6-12得
(6-6)
因此可得
三角波一周期内,脉冲两边间隙宽度
(6-7)
三相桥逆变电路的情况
三角波载波公用,三相正弦调制波相位依次差120°
同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW,脉冲两边的间隙宽度分别为d’U、d’V和d’W,同一时刻三相调制波电压之和为零,由式(6-6)得
(6-8)
由式(6-7)得(6-9)
利用以上两式可简化三相SPWM波的计算
14.2.4PWM逆变电路的多重化
vPWM多重化逆变电路,一般目的:
提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量
vPWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式
利用电抗器联接的二重PWM逆变电路(图6-28,图6-29)
两个单元的载波信号错开180°
输出端相对于直流电源中点N’的电压uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2,已变为单极性PWM波
图6-20二重PWM型逆变电路
输出线电压共有0、(±
1/2)Ud、±
Ud五个电平,比非多重化时谐波有所减少
电抗器上所加电压频率为载波频率,比输出频率高得多,只要很小的电抗器就可以了
输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwc+kwr,但其中n为奇数时的谐波已全被除去,谐波最低频率在2wc附近,相当于电路的等效载波频率提高一倍
图6-21二重PWM型逆变电路输出波形
图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图6-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
图6-3用PWM波代替正弦半波
图6-4单相桥式PWM逆变电路
图6-5单极性PWM控制方式波形
图6-6双极性PWM控制方式波形
图6-7三相桥式PWM型逆变电路
图6-8三相桥式PWM逆变电路波形
图6-10同步调制三相PWM波形
图6-11分段同步调制方式举例
图6-12规则采样法
图6-21二重PWM型逆变电路输出波形
图6-28单相PWM整流电路
图6-29PWM整流电路的运行方式相量图