電壓型正弦波脈寬調(diào)制逆變器研究

1、電壓型正弦波脈寬調(diào)制逆變器研究1 概述    逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件BJT，IGBT，GTO 等的發(fā)展和PWM 的控制技術(shù)的日趨完善，使SPWM 逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不

2、斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁鏈追蹤型PWM 法和電流跟蹤型PWM 法，其中利用SPWM 控制技術(shù)做成的SPWM 逆變器具有以下主要特點(diǎn)：（1）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。（2）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動(dòng)中，可使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖的大大減少，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。（3）組成變頻器時(shí)，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，且與輸出電壓大小無關(guān)。2 SPWM 逆變器原理2.1 SPWM 波形&

3、#160;   所謂的SPWM 波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形如圖1 所示，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如圖把一個(gè)正弦波分作幾等分（如圖1a 中，n=12）然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合（如圖1b），這樣由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM 波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。     圖2 為SPWM濾波線為等效正弦波UmSin1t,SPWM

4、 脈沖序列波的幅值為Us/2,各脈沖不等寬，但中心間距相同為/n ，n 為正弦波半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，令第i 個(gè)矩形脈沖寬度為i , 其中心點(diǎn)相位角為i ，則根據(jù)面積相等的等效原則，可分成     這就是說，第i 個(gè)脈沖的寬度與該處正弦波值近似成正比，因此半個(gè)周期正弦波的SPWM 波是兩側(cè)窄，中間寬，脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。 2.2 SPWM 調(diào)制及逆變橋工作原理    今以SPWM 三相逆變橋?yàn)槔M(jìn)行說明，SPWM三相逆變器主電路由六個(gè)全控式功率開關(guān)器件構(gòu)成三相逆變橋，它們各有一個(gè)繼流二極管反并聯(lián)結(jié)，

5、整個(gè)逆變器由三相不可控整流器提供電壓為Us的直流電壓。圖3 為單極式脈寬調(diào)制波的形式圖。a 圖中Ut 為等腰三角形的載波，Ura 及Ura為正弦調(diào)制波，調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了SPWM 脈沖序列的寬度和脈沖間的間隔寬度，如圖b 所示，當(dāng)A 相的UraUt 時(shí)，VT1 導(dǎo)通，輸出正弦脈沖電壓Us/2，當(dāng)UraUt 時(shí)，VT1 關(guān)斷Uda=0,在Ura 負(fù)半周，用同樣方法控制VT4，輸出負(fù)的脈沖電壓序列，改變調(diào)制波頻率時(shí)，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調(diào)制波幅值時(shí)如Ura，各段脈沖的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。這種SPWM 每相只有一個(gè)開關(guān)器件反復(fù)通斷，稱單極性SPWM 波形。 &#

6、160;    若有同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)交替地導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“+”和“”之間變化，這樣得到雙極式的SPWM 波形，如圖4 所示，其調(diào)制方法與單極式相似，只是輸出脈沖電壓的極性不同，當(dāng)UraUt 時(shí)，VT1 導(dǎo)通VT4 關(guān)斷，Uao=+Us/2；當(dāng)UrsUt 時(shí)VT1 關(guān)斷，VT4 導(dǎo)通，輸出相電壓Uao=-Us/2,同理VT3 和VT6，VT3 和VT5 交替導(dǎo)通得到UAO，UCO 如圖c 和d 所示，UAB=UAO-UBO，可得逆變器輸出的線電壓波形UAB=f(t)如e 所示。  3 SPWM 波形的分析   

7、對(duì)負(fù)載(交流異步電機(jī))來說，有用的是電壓的基波，希望SPWM 波形中基波成分越大越好，通過對(duì)SPWM 脈沖序列波U (t)展開成付利葉極數(shù)分析可知，輸出基波電壓幅值Um 與i 有著直接的關(guān)系，它說明調(diào)節(jié)調(diào)制波幅值從而改變各個(gè)脈沖寬度時(shí)，可使逆變器輸出電壓基波幅值平滑調(diào)節(jié)。     SPWM 逆變器輸出脈沖序列波的基波電壓正是調(diào)制時(shí)所要求的等效正弦波，當(dāng)然這必須是在滿足n 不太小  近似條件下得到的。    但SPWM 逆變器輸出相電壓的基波幅值有常規(guī)六拍階梯波的86%90%，為彌補(bǔ)這一不足，常在SPWM 逆變器的直流回路中并聯(lián)相當(dāng)大的濾波電容，以提高逆變器的直流電壓Us.    由以上分析可知n 越大即功率開關(guān)器件半周內(nèi)要開關(guān)n 次，脈沖數(shù)n=N/2，其中N 為載波比，即：N=ft/fr=載波頻率/參考調(diào)制波頻率    即希望N 越大越好。但從功率開關(guān)器件本身的允許開關(guān)頻率來看，N 不能太大：N 功率開關(guān)器件的允許開關(guān)頻率/最高的正弦調(diào)制信號(hào)頻率    上式中分母實(shí)際上就是SPWM 變頻器的最高輸出頻率。現(xiàn)常用功率開關(guān)頻率如下：BJT（15 kHz） GTO(12