SPWM的數(shù)學計算(調制比,載波比)-文檔資料

1、1第三節(jié)逆變器的PWM控制2為何采用PWM控制？3為何采用PWM控制？原理圖常規(guī)交直交變頻器傳統(tǒng)變頻器采用可控整流橋變壓，逆變器用來變頻，變壓和變頻在兩個獨立的變換器中去實現(xiàn)，相互的配合在動態(tài)過程中就會顯得不協(xié)調，給系統(tǒng)的運行帶來一系列影響。4為何采用PWM控制？主電路有兩個可控的功率環(huán)節(jié)，需兩套控制系統(tǒng)，相對來說比較復雜；由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性元件存在，使系統(tǒng)的動態(tài)響應緩慢；可控整流器使供電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出的頻率的降低而變差，并產生高次諧波電流。逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，含有較多高次諧波，產生較大的脈動轉矩，影響電機的穩(wěn)定工作。5為何采用PWM控制？象限

2、脈沖整流器電力機車整流部分為四圖交直交變頻器原理PWM將通訊系統(tǒng)中的調制技術引入交流變頻領域，采用脈寬調制（PWM）技術，可在逆變器上同時實現(xiàn)變壓和變頻，對非正弦供電電機來說，PWM可消除或消弱有害高次諧波。6為何采用PWM控制？主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結構；使用了不可控整流器，可提高電網的功率因數(shù)；逆變器在調頻的同時實現(xiàn)調壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應；可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負載電機可在近似正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈動小，提高了系統(tǒng)的性能。7PWM基本原理l把一個正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲線

3、和橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。8PWM基本原理l由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。l上頁圖中一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出PWM波形。l由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，符合逆變器的電能直交變換模式。9SPWM原理l以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波（Modulation wave），當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調

4、制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。10SPWM原理vSPWM的原理為在控制電路中調制，在主電路中輸出。在控制電路中，一個頻率為fr幅值為Ur的參考正弦波Wsin（調制信號）加載于頻率為fc幅值為Uc的三角波W（載波）后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調制波），用已調制波的高低邏輯電平經分配與放大后去驅動逆變器的主開關元件，即可使逆變器輸出與已調制波Wspwm相似的SPWM電壓波形，SPWM輸入輸出原理框圖如下頁所示：11SPWM原理）輸入、輸出原理圖正弦脈寬調制（SPWMl在控制電路中，一個頻率為fr幅值為Ur的參考正弦波Wsin（調制信號）加載于頻率為

5、ft幅值為Ut的三角波W（載波）后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調制波），用已調制波的高低邏輯電平經分配與放大后去驅動逆變器的主開關元件，即可使逆變器輸出與已調制波Wspwm相似的SPWM電壓波形；12SPWM中的基本名詞定義l調制度M：為正弦調制波參考信號幅值Urm與三角載波幅值Ucm之比，用公式表示為：l載波比N：為三角載波頻率fc與正弦調制波參考信號頻率fr之比，用公式表示為：cmrmUUM rcffN 13l從調制脈沖的極性上 單極性脈寬調制：單極性脈寬調制：如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍

6、內 雙極性脈寬調制：雙極性脈寬調制：如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化SPWM分類14l從載頻信號和參考信號的頻率關系 異步調制異步調制：載波信號和調制信號不同步的調制方式。同步調制同步調制： N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。分段同步調制分段同步調制：把 fr 范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段N不同；SPWM分類15單極性SPWM波形倒向信號單極性脈寬調制波形16單極性SPWM波形l當參考電壓高于三角波電壓時，相應輸出電壓為正電平，反之則產生零電平。l負半軸是用同樣的方法調制后再倒相而成。l調制結果是產

7、生等幅、不等寬的脈沖列。l逆變器主電路能對電機繞組的進線端提供三個不同的電位值 （參考點可任選?。ヾdUU、 017雙極性SPWM波形逆變器三相輸出波形雙極性SPWMl雙極性SPWM調制方法和單極性相同；l雙極性控制時逆變器同一橋臂上下兩個器件交替通斷，處于互補的工作方式。主電路提供 兩個電位值。2dU18雙極性SPWM波形19雙極性SPWM波形數(shù)學分析v雙極性SPWM波形電壓表達式為v寫成傅立葉級數(shù)形式為時）（時crdcrdAuuUuuUu2)(210)sincos(2kkkkwtbkwtaau20v記作式中 10)sin(kkkmkwtUUu20cos21kwtdwtuak20sin21k

8、wtdwtubk0spwm210200UuudwtU波形上、下對稱，的直流分量，次諧波幅值的k22UbaUkkkm次諧波相位角的kUbaarctgkkk雙極性SPWM波形數(shù)學分析21v依據上頁理論基礎，可計算不同調制比M時的基波及主要高次諧波的相對值。v定義 通過同樣的多次計算，在載波比N足夠大，調制系數(shù) 時，可以得到以下結論：雙極性SPWM波形數(shù)學分析2/*dkmkmUUU1M22a）基波分量與調制系數(shù)成正比，即說明只要改變參考正弦波的幅值，就可以改變輸出spwm波形中基波分量幅值，且該幅值與調制系數(shù)成正比，這就為準確控制輸出電壓的基波值打下了基礎。b）小于（N2）次的諧波電壓全部為零，消除

9、了（N2）次以下全部較低次數(shù)的高次諧波。雙極性SPWM波形數(shù)學分析23雙極性SPWM諧波分析高次諧波分量波形的基波分量及主要時雙極性SPWM15N24雙極性SPWM諧波分析25雙極性SPWM諧波分析26SPWM脈寬調制方法l同步調制基本同步調制方式，fr 變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數(shù)固定；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27SPWM脈寬調制方法l同步調制（續(xù)）為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數(shù)；fr 很低時，fc 也很低，由調制帶來的諧波不易濾除；fr 很高時，fc 會過高，使開關器件難以承受。28l異步調制整個輸出頻率范圍內載波比N不為

10、常數(shù)，一般是保持載波頻率始終不變，這樣可使低頻時載波比增大，輸出半周期內脈沖數(shù)增加，解決了較低次數(shù)的高次諧波問題；不能在整個輸出頻率范圍內滿足N為3的倍數(shù)的要求，會使輸出電壓波形相位隨時變化，難以保證正、負半波以及三相之間的對稱性，會引起偶次諧波等其他問題。 SPWM脈寬調制方法29l異步調制（續(xù)）通常保持 fc 固定不變，當 fr 變化時，載波比 N 是變化的；在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱；SPWM脈寬調制方法30l異步調制（續(xù)）當 fr 較低時，N 較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不利影響

11、都較??；當 fr 增高時，N 減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大。SPWM脈寬調制方法31l分段同步調制是將同步、異步調制相結合的一種調制方法，它把整個變頻運行范圍劃分為若干個頻段，在每個頻段內都維持載波比N為恒定，對不同頻段取不同的N值。 這樣既保持了同步調制下波形對稱、運行穩(wěn)定的優(yōu)點，又解決了低頻運行時諧波增大的弊病。SPWM脈寬調制方法32l分段同步調制（續(xù)）把 fr 范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段N不同；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；SPWM脈寬調制方法33l右圖為分

12、段同步調制時，載波頻率fc與調制頻率fr關系，低頻時采用異步調制，然后為分段同步調制，基頻以上時進入方波工況。SPWM脈寬調制方法34SPWM波形的生成l自然采樣自然采樣：將三相正弦波與三角波比較，在波形相交點自然地確定脈沖的采樣點和開關點。即采樣點和開關點重合。l優(yōu)點：1、基波幅值與調制度M成正比，利于調壓；2、高次諧波隨著載波比N與調制度M的增大而減小，有利于波形正弦化。l缺點：1、實時控制時難以計算脈沖寬度；2、離線計算，利用查表法輸出PWM波，占有內存過大，不符合微機等采樣周期的控制要求。35v規(guī)則采樣在載波三角波的固定點對正弦波進行采樣，以確定脈沖的前沿和后沿時刻，而并不管此時是否發(fā)

13、生正弦調制波與載波三角波相交。也就是說采樣點和開關點不重合，采樣點是固定的，開關點是變化的。開關的轉換時刻可以利用簡單的三角函數(shù)在線地計算出來，滿足了微機全數(shù)字控制的需要。SPWM波形的生成36 自然采樣對稱規(guī)則采樣不對稱規(guī)則采樣平均對稱規(guī)則采樣SPWM波形的生成37v對稱規(guī)則采樣中生成的PWM脈寬較實際的正弦波與三角波自然相交的脈寬偏小，使變頻電源的輸出電壓較低；而在不規(guī)則采樣中，雖能更真實地反映自然采樣，但由于在一個載波周期中需要采樣兩次，極大地增加了數(shù)據的處理量。因此，在實際采樣中我們采用的是平均對稱規(guī)則采樣。采樣時刻設在三角載波的谷底處，以此刻的正弦波數(shù)值為中心，確定PWM脈沖的前后沿。 SPWM波形的生成38SPWM脈寬調制方法39q三相380V理想電源供電時電機轉速與轉矩波形404142圖6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud43444546 實驗一v第十周為實驗課v使用工具matlab/simulink/simPowerSystems仿真一個三相電壓源型逆變器，控制方式采用SPWM，負載可選三相對稱負載或異步電機。v實驗報告上請說明電路參數(shù)選擇、控制實現(xiàn)方式，仿真結果分析過程等。47vSPWM的實現(xiàn)方式有兩種：一、脈沖波形的寬度可通過計算方法得到。二、引