SPWM的數(shù)學(xué)計算(調(diào)制比,載波比)公開課一等獎省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎?wù)n件

第三節(jié)

逆變器

PWM控制為何采取PWM控制？為何采取PWM控制？傳統(tǒng)變頻器采取可控整流橋變壓，逆變器用來變頻，變壓和變頻在兩個獨立變換器中去實現(xiàn)，相互配合在動態(tài)過程中就會顯得不協(xié)調(diào)，給系統(tǒng)運行帶來一系列影響。為何采取PWM控制？主電路有兩個可控功率步驟，需兩套控制系統(tǒng)，相對來說比較復(fù)雜；因為中間直流步驟有濾波電容或電抗器等大慣性元件存在，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)遲緩；可控整流器使供電電源功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率降低而變差，并產(chǎn)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(chǎn)生較大脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)穩(wěn)定工作。為何采取PWM控制？將通訊系統(tǒng)中調(diào)制技術(shù)引入交流變頻領(lǐng)域，采取脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，可在逆變器上同時實現(xiàn)變壓和變頻，對非正弦供電電機(jī)來說，PWM可消除或消弱有害高次諧波。為何采取PWM控制？主電路只有一個可控功率步驟，簡化了結(jié)構(gòu)；使用了不可控整流器，可提升電網(wǎng)功率因數(shù)；逆變器在調(diào)頻同時實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流步驟元件參數(shù)無關(guān)，加緊了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)；可取得比常規(guī)六拍階梯波更加好輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電機(jī)可在近似正弦波交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈動小，提升了系統(tǒng)性能。PWM基本原理把一個正弦半波分作N等分，然后把每一等分正弦曲線和橫軸所包圍面積都用一個與此面積相等等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖中點與正弦波每一等分中點重合。PWM基本原理由N個等幅而不等寬矩形脈沖所組成波形就與正弦半周等效。上頁圖中一系列脈沖波形就是所期望逆變器輸出PWM波形。因為各脈沖幅值相等，所以逆變器可由恒定直流電源供電，符合逆變器電能直交變換模式。SPWM原理以正弦波作為逆變器輸出期望波形，以頻率比期望波高得多等腰三角波作為載波（Carrierwave），并用頻率和期望波相同正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們交點確定逆變器開關(guān)器件通斷時刻，從而取得在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬一系列等幅不等寬矩形波。SPWM原理SPWM原理為在控制電路中調(diào)制，在主電路中輸出。在控制電路中，一個頻率為fr幅值為Ur參考正弦波Wsin（調(diào)制信號）加載于頻率為fc幅值為Uc三角波WΔ（載波）后，得到一個脈沖寬度改變SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波高低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動逆變器主開關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相同SPWM電壓波形，SPWM輸入輸出原理框圖以下頁所表示：SPWM原理在控制電路中，一個頻率為fr幅值為Ur參考正弦波Wsin（調(diào)制信號）加載于頻率為ft幅值為Ut三角波WΔ（載波）后，得到一個脈沖寬度改變SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波高低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動逆變器主開關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相同SPWM電壓波形；SPWM中基本名詞定義調(diào)制度M：為正弦調(diào)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：載波比N：為三角載波頻率fc與正弦調(diào)制波參考信號頻率fr之比，用公式表示為：從調(diào)制脈沖極性上

單極性脈寬調(diào)制：假如在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)一個極性范圍內(nèi)改變，所得到SPWM波也只處于一個極性范圍內(nèi)

雙極性脈寬調(diào)制：假如在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)改變，則SPWM波也是在正負(fù)之間改變SPWM分類從載頻信號和參考信號頻率關(guān)系

異步調(diào)制：載波信號和調(diào)制信號不一樣時調(diào)制方式。

同時調(diào)制：

N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同時。

分段同時調(diào)制：把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不一樣頻段N不一樣；SPWM分類單極性SPWM波形單極性SPWM波形當(dāng)參考電壓高于三角波電壓時，對應(yīng)輸出電壓為正電平，反之則產(chǎn)生零電平。負(fù)半軸是用一樣方法調(diào)制后再倒相而成。調(diào)制結(jié)果是產(chǎn)生等幅、不等寬脈沖列。逆變器主電路能對電機(jī)繞組進(jìn)線端提供三個不一樣電位值（參考點可任選?。?/p>

雙極性SPWM波形雙極性SPWM調(diào)制方法和單極性相同；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(bǔ)工作方式。主電路提供兩個電位值。雙極性SPWM波形雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析雙極性SPWM波形電壓表示式為寫成傅立葉級數(shù)形式為記作式中

雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析依據(jù)上頁理論基礎(chǔ)，可計算不一樣調(diào)制比M時基涉及主要高次諧波相對值。定義經(jīng)過一樣屢次計算，在載波比N足夠大，調(diào)制系數(shù)時，能夠得到以下結(jié)論：雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析a）基波分量與調(diào)制系數(shù)成正比，即 說明只要改變參考正弦波幅值，就能夠改變輸出spwm波形中基波分量幅值，且該幅值與調(diào)制系數(shù)成正比，這就為準(zhǔn)確控制輸出電壓基波值打下了基礎(chǔ)。b）小于（N－2）次諧波電壓全部為零，消除了（N－2）次以下全部較低次數(shù)高次諧波。雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析雙極性SPWM諧波分析雙極性SPWM諧波分析雙極性SPWM諧波分析SPWM脈寬調(diào)制方法同時調(diào)制

基本同時調(diào)制方式，fr改變時N不變，信號波一周期內(nèi)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整數(shù)倍，使三相輸出對稱SPWM脈寬調(diào)制方法同時調(diào)制（續(xù)）為使一相PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)；fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來諧波不易濾除；fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。異步調(diào)制整個輸出頻率范圍內(nèi)載波比N不為常數(shù)，普通是保持載波頻率一直不變，這么可使低頻時載波比增大，輸出半周期內(nèi)脈沖數(shù)增加，處理了較低次數(shù)高次諧波問題；不能在整個輸出頻率范圍內(nèi)滿足N為3倍數(shù)要求，會使輸出電壓波形相位隨時改變，難以確保正、負(fù)半波以及三相之間對稱性，會引發(fā)偶次諧波等其它問題。

SPWM脈寬調(diào)制方法異步調(diào)制（續(xù)）

通常保持fc固定不變，當(dāng)fr改變時，載波比N是改變；在信號波半周期內(nèi)，PWM波脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖也不對稱；SPWM脈寬調(diào)制方法異步調(diào)制（續(xù)）

當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生不利影響都較?。划?dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)脈沖數(shù)降低，PWM脈沖不對稱影響就變大。SPWM脈寬調(diào)制方法分段同時調(diào)制是將同時、異步調(diào)制相結(jié)合一個調(diào)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(nèi)都維持載波比N為恒定，對不一樣頻段取不一樣N值。這么既保持了同時調(diào)制下波形對稱、運行穩(wěn)定優(yōu)點，又處理了低頻運行時諧波增大弊病。SPWM脈寬調(diào)制方法分段同時調(diào)制（續(xù)）把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不一樣頻段N不一樣；在fr高頻段采取較低N，使載波頻率不致過高；在fr低頻段采取較高N，使載波頻率不致過低；SPWM脈寬調(diào)制方法右圖為分段同時調(diào)制時，載波頻率fc與調(diào)制頻率fr關(guān)系，低頻時采取異步調(diào)制，然后為分段同時調(diào)制，基頻以上時進(jìn)入方波工況。SPWM脈寬調(diào)制方法SPWM波形生成自然采樣：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采樣點和開關(guān)點。即采樣點和開關(guān)點重合。優(yōu)點：1、基波幅值與調(diào)制度M成正比，利于調(diào)壓；2、高次諧波伴隨載波比N與調(diào)制度M增大而減小，有利于波形正弦化。

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(nèi)存過大，不符合微機(jī)等采樣周期控制要求。規(guī)則采樣 在載波三角波固定點對正弦波進(jìn)行采樣，以確定脈沖前沿和后沿時刻，而并不論此時是否發(fā)生正弦調(diào)制波與載波三角波相交。也就是說采樣點和開關(guān)點不重合，采樣點是固定，開關(guān)點是改變。開關(guān)轉(zhuǎn)換時刻能夠利用簡單三角函數(shù)在線地計算出來，滿足了微機(jī)全數(shù)字控制需要。SPWM波形生成

SPWM波形生成對稱規(guī)則采樣中生成PWM脈寬較實際正弦波與三角波自然相交脈寬偏小，使變頻電源輸出電壓較低；而在不規(guī)則采樣中，雖能更真實地反應(yīng)自然采樣，但因為在一個載波周期中需要采樣兩次，極大地增加了數(shù)據(jù)處理量。所以，在實際采樣中我們采取是平均對稱規(guī)則采樣。采樣時刻設(shè)在三角載波谷底處，以此刻正弦波數(shù)值為中心，確定PWM脈沖前后沿。

SPWM波形生成SPWM脈寬調(diào)制方法三相380V理想電源供電時電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形試驗一第十周為試驗課使用工具matlab/simulink/simPowerSystems仿真一個三相電壓源型逆變器，控制方式采取SPWM，負(fù)載可選三相對稱負(fù)載或異步電機(jī)。試驗匯報上請說明電路參數(shù)選擇、控制實現(xiàn)方式，仿真結(jié)果分析過程等。SPWM實現(xiàn)方式有兩種：一、脈沖波形寬度可經(jīng)過計算方法得到。二、引入通訊技術(shù)中調(diào)制概念。