逆變器的PWM調(diào)制技術

1、逆變器的PWM調(diào)制技術電力電子技術的基本概況 逆變電路 逆變器的PWM調(diào)制技術 1.1 PWM調(diào)制技術的基本思想 在不改變電路結(jié)構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 在原有方波輸出的電平中對稱地增加若干個“電壓缺口”，以模擬多重化技術中“階梯”數(shù)的變化，使之在保證基波輸出幅值的前提下，達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利用半個周波內(nèi)的三個控制度，可以控制基波幅值，還可以用來消除兩個特定的諧波。 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圖示的開關頻率是方波輸出方式下開關頻率的7倍。 由方波計算公式 可知，方波輸出對應的基波電壓幅值為： 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，在半個基波周波中增加了四個電壓缺口，此時，輸出電壓的標幺值變?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：PWM調(diào)制技術會產(chǎn)生很大的諧波分量。優(yōu)點：PWM調(diào)制技術電路比較簡單，所需開關數(shù)量較少。利用大規(guī)模集成電路和高速DSP微控制器，可以實現(xiàn)這種特定諧波消除的控制技術。 逆變電路1.2 SPWM調(diào)制的有關概念直流交流逆變電路中的控制信號uctr可以是恒定的或隨時間變化，該調(diào)制信號的輸出是這個調(diào)制信號與開關頻率恒定的三角波進行比較后產(chǎn)生。SPWM通過改變占空比實現(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)制信號的頻率來控制逆變器的基波輸出頻率?？刂菩盘杣ctr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：:控制信號峰值Utrim：三角波信號幅值mf ： 頻率調(diào)制上、下橋臂開關是否導通取決于uctr和utri的比較結(jié)果，與輸出電流i0的方向無關。 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uctrutri時，TA+閉合，TA-關斷，此時的輸出電壓為: uA0=Ud /2當uctrutri，TA-閉合，TA+關斷，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ma1.0時1 逆變電路均值”。當瞬時平均值按照一定規(guī)律變化時，輸出電壓的平均值在所考慮的開關周期內(nèi)也跟著作相應的變化。輸出波的頻率和幅值與調(diào)制波相對應。假設在一個開關周期內(nèi)，uctr的變化很小，mf的值較大，則可以近似認為uA0在一個開關周期Ts內(nèi)的 “瞬時平均值”不變，而在下一個開關周期可以改變?yōu)榱硪粋€“瞬時平局部放大0tuA0tuctrUd /2Utrimutri-Ud /2uctr0utri 逆變電路SPWM調(diào)制技術選擇正弦波為調(diào)制波，當開關頻率很高時，對應的輸出電壓平均值是正弦波的調(diào)制技

8、術 。正弦PWM調(diào)制技術SPWM調(diào)制技術 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應。 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，或為基波頻率： uctr(t) =Uctrmsinw1t (UctrmUtrim )基頻分量（uA0)1以正弦規(guī)律變化，與uctr同相，表達式為： 由此可得: ma1.0 逆變電路SPWM調(diào)制方式下，當ma1.0、直流電壓Ud恒定時，輸出電壓的基波分量幅值與ma呈線性關系。 逆變器輸出電壓波形并不是一個標準的正弦波，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頻率及開關頻率的倍數(shù)附近。 諧波幅值越靠近mf及其倍數(shù)次諧波的位置時，對應的諧波幅值越大。當頻率調(diào)制比mf 9時，諧波存在的位置與上述情況相同，但諧波幅值與mf無關。 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h=1時，表示基波分量。mf為奇整數(shù)。k和j均為整數(shù)，當j為奇數(shù)時，k為偶數(shù)；當j為偶數(shù)時，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的值為一個奇整數(shù)，輸出波

11、形具有奇對稱，即: f(t)=f(t)和半波對稱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。試計算基波電壓的有效值，并用表7.1計算uA0中的主要諧波。解 從PWM的諧波幅值隨ma的變化表中知，當h為一確定值時, 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(UA0)37= 106.07 0.22 =23.33V 1739 HZ時(UA0)39=106.07 0.818= 86.76V 1833 HZ時(UA0)41=106.07 0.22= 23.33V 1927 HZ時(UA0)77=106.07 0.314= 33.31V 3619 HZ時(UA0)79=106.07 0.314= 33.31V 3713 HZ時 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 ma1.0時，mf與開關頻率成正比， mf越大，則開關器件導通、關斷的頻率越高。希望開關速度越低越好。 逆變電路開關頻率一般在6kHz20kHz之間進行選擇。若開關頻率增加到20kHz以上時，不論采用什么樣的低功耗器件，開關損耗都會達到難于接受的程度。若開關頻率高于20kHz時，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關系。 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mf較小時，應采用同步PWM，保證mf始終是一個常數(shù)。 逆變電路當mf值較大時，可采用異步PWM調(diào)制技術。mf不一定是奇整數(shù)，但由于此時的諧波處于較高的頻段，且諧波的幅值較小，較容易設計濾波電路。2大mf的情況（mf 21） 在異步PWM調(diào)制技術中，三角波頻率保持恒定，通過改變調(diào)制頻率（或控制信號頻率）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SPWM在ma1.0的線性范圍內(nèi)工作時，其基波分量的幅值與幅值調(diào)制比ma的關系可由下式確定。 缺點:逆變器輸出的基波幅值達不到理想值。 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：這個最大交流電壓的有效值無法滿足380V交流異步電動機變頻調(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mf=15、幅值調(diào)制比在1.0ma3.24的超調(diào)制范圍內(nèi)時，基波輸出電壓的幅值(UA0m)1/(Ud/2)與mf為非線性關系，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是線性變化關系，但與mf基本上無關。 逆變電路當ma足夠大時h0.51.00ma =2.5 mf =1553971112119171

18、513272523(UA0m)h /(Ud /2)當ma的值足夠大時，基波輸出電壓的幅值基本保持不變。于載波幅值時，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，此時的基波輸出電壓幅值已達到方波輸出電壓所對應的基波分量的最大值 (4/p)(Ud/2)。當調(diào)制波幅值遠大 逆變電路在ma1.0時的超調(diào)制中，基波輸出電壓的幅值應在下面的范圍內(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ma足夠大時，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的輸出波形 。 方波調(diào)制是SPWM調(diào)制的一個特例。 逆變電路1.00ma mf153.241.0超調(diào)區(qū)方波區(qū)線性區(qū)