d電力電子技術(shù)（第2版）[王云亮][電子教案]

1、載波比載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，m= fc / fr。根據(jù)載波和調(diào)制信號是否同步及載波比的變化情況，SPWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。1. 異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比m是變化的。在信號波的半周期內(nèi)，SPWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)fr較低時(shí)，m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。當(dāng)fr增高時(shí)，m減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，脈沖不對稱的影響就變大。5.4.2 異步調(diào)制與同步調(diào)制三相電路中通常公用一個(gè)三角波載波，取m為3的整數(shù)倍

2、，以使三相輸出波形對稱為使一相的SPWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除fr很高時(shí)，fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受在根本同步調(diào)制方式中，信號波頻率fr變化時(shí)m不變，信號波一個(gè)周期內(nèi)輸出的 脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。2. 同步調(diào)制載波比m等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，效果和分段同步方式接近為防止fc在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。實(shí)線表示輸出頻率增高時(shí)的切換頻率，虛線表示輸出頻率降低時(shí)的切換頻率。

3、3. 分段同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用把整個(gè)fr范圍劃分成假設(shè)干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持m恒定，不同頻段的m不同在輸出頻率的高頻段采用較低的m，在輸出頻率的低頻段采用較高的m各頻段的m應(yīng)取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)5.4.3 SPWM波的生成根據(jù)SPWM逆變器的根本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生器，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對功率開關(guān)管的通斷進(jìn)行控制，這樣就可以得到SPWM波。但這種模擬電路的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。目前SPWM波的產(chǎn)生和控制可以用微機(jī)來完成，下面主要介紹幾種用軟件產(chǎn)生SPWM波形的根本算法。1. 自然采樣法按照SPWM控制的根本

4、原理，可在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)管的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。 要準(zhǔn)確生成SPWM波，就應(yīng)準(zhǔn)確地算出正弦波和三角波的交點(diǎn)。取三角波相鄰兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)周期Tc設(shè)三角波峰值為標(biāo)么值1，那么正弦調(diào)制波為ur=asinrt，其中a為調(diào)制度在uc的一個(gè)周期內(nèi)，下降段、上升段和ur各有一個(gè)交點(diǎn)A、B，分別對應(yīng)tA和tB時(shí)刻在同步調(diào)制方式中，使正弦調(diào)制波上升段的過零點(diǎn)和三角波下降段過零點(diǎn)重合并把該時(shí)刻作為零時(shí)刻 第n個(gè)周期的三角波方程可表示為正弦調(diào)制波和第n個(gè)周期三角波的交點(diǎn)時(shí)刻tA和tB可分別由以下兩式求得脈沖寬度為：除了用三角波作載波，還可以采用鋸齒波作為載

5、波，以以下圖說明了采用鋸齒波作為載波的自然采樣法。由于鋸齒波的一條邊是垂直的，因而它和正弦調(diào)制波的交點(diǎn)時(shí)刻是確定的，所要計(jì)算的只是鋸齒波斜邊和正弦調(diào)制波的交點(diǎn)時(shí)刻，如圖中的tA，這樣就使計(jì)算量明顯減少。用鋸齒波作為載波時(shí)只需控制脈沖的上升或下降時(shí)刻中的一個(gè)，這種調(diào)制方式稱為單邊調(diào)制，而用三角波作為載波稱為雙邊調(diào)制。單邊調(diào)制雖然比雙邊調(diào)制計(jì)算量小，但輸出波形中含有偶次諧波，總的諧波分量也比雙邊調(diào)制時(shí)大。 2. 規(guī)那么采樣法自然采樣法：在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷求解復(fù)雜，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多規(guī)那么采樣法：在由三角波中點(diǎn)時(shí)刻的正弦波高度與三角波產(chǎn)生的交點(diǎn)時(shí)刻控制器

6、件的通斷工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波中點(diǎn)重合；規(guī)那么采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖都關(guān)于相應(yīng)三角波中點(diǎn)時(shí)刻對稱在tA和tB時(shí)刻控制器件通斷，脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近由圖得：一個(gè)Tc內(nèi)脈沖兩邊的間隙寬度為：三相橋式SPWM逆變器的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120同一Tc內(nèi)三相的脈寬分別為u、v和w，脈沖兩邊的間隙寬度分別為 u、 v和 w由于同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，因此可得到：利用以上兩式可以簡化生成三相SPWM波時(shí)的計(jì)算。 3. 低次諧波消去法以消去SPWM波中某些主要的低次諧波為目的，通過計(jì)算確定各脈

7、沖的開關(guān)時(shí)刻，這種方法稱為低次諧波消去法。在這種方法中，已經(jīng)不再比較載波和正弦調(diào)制波，但目的仍是使輸出波形盡可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波的一種方法。 以以下圖是三相橋式SPWM逆變器中一相輸出端子相對于直流側(cè)中點(diǎn)N的電壓波形(以u相為例)，此處載波比m=7。 為了消除偶次諧波，應(yīng)使正負(fù)兩半周期波形鏡對稱，即為了消除諧波中的余弦項(xiàng)，簡化計(jì)算過程，應(yīng)使正(或負(fù))半周期內(nèi)前后1/4周期以 /2為軸線對稱，即同時(shí)滿足以上兩式的波形稱為1/4周期對稱波形，這種波形可用傅里葉級數(shù)表示為在半個(gè)周期內(nèi)的6個(gè)開關(guān)時(shí)刻(不包括0和 時(shí)刻)中，能夠獨(dú)立控制的只有的1、2、3三個(gè)時(shí)刻。該波形的an為 根據(jù)

8、需要確定基波分量a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立求解可得1、2、3，這樣就消去了兩種特定頻率的諧波。 通常在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，因此可以考慮消去5次和7次諧波，列方程為基波幅值a1改變時(shí)，1、2、3也相應(yīng)改變。上面是在輸出電壓的半周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷各3次時(shí)的情況。一般來說，如果在輸出電壓半周期內(nèi)開關(guān)管開通和關(guān)斷各k次，那么共有k個(gè)自由度可以控制。除去用一個(gè)自由度來控制基波幅值外，可以消除(k1)種諧波。低次諧波消去法可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大。不過，因?yàn)槠浯螖?shù)比所消去的諧波次數(shù)高，因

9、而較容易濾除。 4. 跟蹤控制法跟蹤控制法：把希望輸出的電流或電壓作為給定信號，與實(shí)際電流或電壓信號進(jìn)行比較，由此來決定逆變器功率開關(guān)管的通斷，使實(shí)際輸出跟蹤給定信號。常用跟蹤控制法有滯環(huán)比較方式、三角波比較方式和定時(shí)比較方式三種。跟蹤型SPWM逆變器中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型SPWM逆變器以半橋?yàn)槔缬覉D所示。把指令電流io*和實(shí)際輸出電流io的偏差(io*io)作為滯環(huán)比較器的輸入通過比較器的輸出控制器件VT1和VT2的通斷通過環(huán)寬為2I的滯環(huán)比較器的控制，io就在(io*+I)和(io*I)的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流io*。當(dāng)io*是正弦波時(shí)，輸出電流i

10、o也十分接近正弦波。當(dāng)io(io*+I)時(shí)，橋臂1(VT1或VD1)導(dǎo)通，io增大當(dāng)io(io*+I)時(shí)，橋臂2(VT2或VD2)導(dǎo)通，io減小根本原理參數(shù)的影響環(huán)寬I過寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬I過窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。滯環(huán)環(huán)寬電抗器L的作用L大時(shí)，io的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，io的變化率大，開關(guān)頻率過高。5.4.4 微機(jī)控制和專用集成電路1. 微機(jī)軟件生成SPWM脈沖通常有查表法和實(shí)時(shí)計(jì)算法兩種方法。查表法是根據(jù)不同的調(diào)制度a和正弦調(diào)制信號的角頻率r，先離線計(jì)算出各開關(guān)管的通斷時(shí)刻，把計(jì)算結(jié)果存于EPROM中，運(yùn)行時(shí)查表讀出需要的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)控制

11、。這種方法所需的內(nèi)存容量往往較大。實(shí)時(shí)計(jì)算法是在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行在線計(jì)算求得所需的數(shù)據(jù)的方法，這種方法適用于計(jì)算量不大的場合。實(shí)際所用的方法往往是上述兩種方法的結(jié)合，即先離線進(jìn)行必要的計(jì)算，將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存，運(yùn)行時(shí)再進(jìn)行較為簡單的在線計(jì)算。2. 專用集成電路產(chǎn)生SPWM脈沖采用專用芯片可簡化控制電路和軟件設(shè)計(jì)，降低本錢，提高可靠性。目前應(yīng)用較多的全數(shù)字化三相SPWM芯片有HEF4752、SLE4520、MA818、89XC196MC等。 HEF4752芯片可提供三組互差120的互補(bǔ)輸出SPWM控制脈沖，以驅(qū)動(dòng)逆變器的6個(gè)功率開關(guān)管產(chǎn)生對稱的三相輸出，適用于晶閘管和功率晶體管等全控型器件。該芯片有8段載波比15、21、30、42、60、84、120、168，可自動(dòng)切換，調(diào)制頻率范圍為0200Hz，開關(guān)頻率一般不超過1kHz。SLE4520須與微處理機(jī)配合使用，才能產(chǎn)生三相SPWM信號，其開關(guān)頻率和輸出頻率分別可達(dá)和3kHz。芯片內(nèi)有一個(gè)4位死區(qū)鎖存器，可設(shè)置逆變橋同相上下兩開關(guān)管轉(zhuǎn)換的死區(qū)時(shí)間，防止橋臂短路。MA818是用于產(chǎn)生三相S