第5章c電力電子技術(shù)（第2版）王云亮電子教案

正弦脈寬調(diào)制逆變器

全控型器件作開關(guān)元件構(gòu)成的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）逆變器，可使裝置的體積小、斬波頻率高、控制靈活、調(diào)節(jié)性能好、成本低。SPWM逆變器，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是控制開關(guān)管的通斷順序和時(shí)間分配規(guī)律，在逆變器輸出端獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，它是目前直流-交流（DC-AC）變換中最重要的變換技術(shù)。5.4.1正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理及其優(yōu)點(diǎn)1.SPWM原理理論基礎(chǔ)沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同實(shí)例電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)由圖知，i(t)除了上升段略有不同以外，其下降段幾乎完全相同。以上實(shí)例說(shuō)明了“面積等效原理”SPWM波若要改變等效輸出正弦(半)波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。運(yùn)用面積等效原理可以用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦(半)波。同樣，正弦波的負(fù)半波也可用一組等高不等寬的負(fù)脈沖序列來(lái)代替，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效脈沖波為：根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的脈沖波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。對(duì)上述等效調(diào)寬脈沖，在選定了等分?jǐn)?shù)k后，可以借助計(jì)算機(jī)嚴(yán)格地算出各個(gè)脈沖寬度和間隔，以作為控制逆變器開關(guān)管通斷的依據(jù)。像這種脈沖幅值相等，而脈沖寬度按正弦規(guī)律變化從而和正弦波等效的PWM波形稱為SPWM（sinusoidalpulsewidthmodulation）波。2.單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制在實(shí)際應(yīng)用中，常采用正弦波與三角波相交的方法來(lái)確定各矩形脈沖的寬度，結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路進(jìn)行說(shuō)明。ur正半周，VT1常通，VT2常斷當(dāng)ur>uc時(shí)使VT4通VT3斷，uo=Ud當(dāng)ur<uc時(shí)使VT4斷VT3通，uo=0ur負(fù)半周，VT2常通，VT1常斷當(dāng)ur>uc時(shí)使VT3斷VT4通，uo=0當(dāng)ur<uc時(shí)使VT3通VT4斷，uo=?Ud圖中，uo1表示uo的基波分量由于是阻感負(fù)載，負(fù)載電流比電壓滯后。ur正半周，橋臂1常通若io<0，uo=0時(shí)VD1、VT3流過(guò)電流；uo=Ud時(shí)VD1,4流過(guò)電流若io>0，uo=0時(shí)VT1、VD3流過(guò)電流；uo=Ud時(shí)VT1,4流過(guò)電流ur負(fù)半周，橋臂2常通若io>0，uo=0時(shí)VD2、VT4流過(guò)電流；uo=?Ud時(shí)VD2,3流過(guò)電流若io<0，uo=0時(shí)VT2、VD4流過(guò)電流；uo=?Ud時(shí)VT2,3流過(guò)電流像這樣由正弦波ur調(diào)制三角波載波uc而獲得SPWM波的方法稱為正弦脈寬調(diào)制法。一般將正弦調(diào)制波ur的幅值與三角載波uc的峰值之比定義為調(diào)制度a，亦稱調(diào)制比或調(diào)制系數(shù)。顯然，0<a<1。上述調(diào)制法在正弦調(diào)制波ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波uc只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只在單個(gè)極性范圍內(nèi)變化，故稱為單極性SPWM控制方式。根據(jù)面積等效原理，還可以得到雙極性SPWM控制方式：在正弦調(diào)制波ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波uc有正有負(fù)，所得的SPWM波也有正有負(fù)。如右圖所示，這時(shí)三角波uc和SPWM波形均有正負(fù)極性變化，但是正半周內(nèi)，正脈沖較負(fù)脈沖寬，負(fù)半周負(fù)脈沖較正脈沖寬。雙極性SPWM控制方式也是在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律如下：當(dāng)ur>uc時(shí)，給VT1,4導(dǎo)通信號(hào)，給VT2,3關(guān)斷信號(hào)，uo=Ud若io<0，VD1,4流過(guò)電流；若io>0，VT1,4流過(guò)電流。當(dāng)ur<uc時(shí)，給VT2,3導(dǎo)通信號(hào)，給VT1,4關(guān)斷信號(hào)，uo=?Ud

若io>0，VD2,3流過(guò)電流；若io<0，VT2,3流過(guò)電流。對(duì)照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對(duì)開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別，單極性調(diào)制的SPWM波有±Ud和0三種電平，而雙極性調(diào)制的SPWM波只有±Ud兩種電平。在SPWM逆變器中，使用最多的是下圖所示的三相橋式逆變器，這種電路一般都采用雙極性控制方式。三相的SPWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號(hào)uru、urv和urw依次相差120ou、v、w各相控制規(guī)律相同，下面以u(píng)相為例進(jìn)行分析。當(dāng)uru>uc時(shí)，給上橋臂VT1導(dǎo)通信號(hào)（下橋臂VT4關(guān)斷）當(dāng)uru<uc時(shí)，給下橋臂VT4導(dǎo)通信號(hào)（上橋臂VT1關(guān)斷）當(dāng)橋臂1通時(shí)，uuN’=Ud/2，電流流過(guò)VT1還是VD1由iu方向決定；當(dāng)橋臂4通時(shí)，uuN’=?Ud/2，電流流過(guò)VT4還是VD4由iu方向決定。v、w兩相的控制方式與u相相同，如下圖所示。輸出線電壓SPWM波由±Ud和0三種電平組成，輸出相電壓SPWM波由±2Ud/3、±Ud/3和0五種電平組成。由uuN’?uvN’和uuN’?(uuN’+uvN’+uwN’)/3可分別得出uuv和uuN的波形。當(dāng)橋臂1、6通時(shí)，uuv=Ud；當(dāng)橋臂3、4通時(shí)，uuv=?Ud；當(dāng)橋臂1、3或橋臂4、6通時(shí)，uuv=0。也可用等效電路法直接得到線電壓uuv和相電壓uuN的波形。在雙極性SPWM控制方式中，同一相上下兩個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的。但實(shí)際上為了防止上、下兩個(gè)橋臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由功率開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的SPWM波形帶來(lái)影響，使其偏離正弦波。3.SPWM的特點(diǎn)(1)既可分別調(diào)頻、調(diào)壓，也可同時(shí)調(diào)頻、調(diào)壓，都由逆變器統(tǒng)一完成，僅有一個(gè)可控功率級(jí)，從而簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小、重量輕、造價(jià)低、可靠性高。(2)直流電壓可由二極管整流獲得，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小和頻率無(wú)關(guān)而接近1；如有數(shù)臺(tái)裝置，可由同一臺(tái)整流器輸出作直流公共母線供電。(3)輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)的速度取決于控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無(wú)關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓的配合同步，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。(4)輸出電壓或電流波形接近正弦，從而減少諧波分量。4.關(guān)于SPWM的開關(guān)頻率SPWM調(diào)制后的信號(hào)中除了含有調(diào)制信號(hào)和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波，特別是接近基波的低次諧波。因此，SPWM的開關(guān)頻率越高，諧波