單雙極性PWM波形調(diào)制方法

PWM波形調(diào)制方法圖6-20二重PWM型逆變電路14.0引言PWM（PulseWidthModulation）控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）直流斬波電路采用斬控式交流調(diào)壓電路，矩陣式變頻電路本章內(nèi)容PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位本章主要以逆變電路為控制對(duì)象來(lái)介紹PWM控制技術(shù)也介紹PWM整流電路14.1PWM控制的基本原理理論基礎(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)，其效果基本相同沖量指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖一個(gè)實(shí)例圖6-2a的電路電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖6-1a、b、c、d所示電路輸出：i(t)，圖6-2b面積等效原理圖6-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波正弦半波N等分，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可圖6-3用PWM波代替正弦半波等幅PWM波和不等幅PWM波由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波如直流斬波電路及本章主要介紹的PWM逆變電路和PWM整流電路輸入電源是交流，得到不等幅PWM波如斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路基于面積等效原理進(jìn)行控制，本質(zhì)是相同的PWM電流波電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波PWM波形可等效的各種波形直流斬波電路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理14.2PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合本節(jié)內(nèi)容構(gòu)成了本章的主體PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路14.2.1計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成防直通死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，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)短主要由開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形14.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc/fr根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制1.異步調(diào)制異步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)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N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM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(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大同步調(diào)制同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受圖6-10同步調(diào)制三相PWM波形分段同步調(diào)制(圖6-11）把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)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(guò)高在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法同步調(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，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近14.2.3規(guī)則采樣法按SPWM基本原理，自然采樣法要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多規(guī)則采樣法特點(diǎn)工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多圖6-12規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法原理圖6-12，三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過(guò)D作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開(kāi)關(guān)器件的通斷脈沖寬度d和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號(hào)波式中，a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號(hào)波角頻率。從圖6-12得(6-6)因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(6-7)三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為d’U、d’V和d’W，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式(6-6)得(6-8)由式(6-7)得(6-9)利用以上兩式可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算14.2.4PWM逆變電路的多重化PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開(kāi)關(guān)頻率、減少開(kāi)關(guān)損耗、減少和載波有關(guān)的諧波分量PWM逆變電路多重化聯(lián)結(jié)方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路（圖6-28，圖6-29)兩個(gè)單元的載波信號(hào)錯(cuò)開(kāi)180°輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)N’的電壓uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波圖6-20二重PWM型逆變電路輸出線電壓共有0、(±1/2)Ud、±Ud五個(gè)電平，比非多重化時(shí)諧波有所減少電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，只要很小的電抗器就可以了輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數(shù)時(shí)的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高一倍圖6-21二重PWM型逆變電路輸出波形圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖6-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形圖6-3用PWM波代替正弦半波圖6-4單相橋式PWM逆變電路圖6-5單極性PWM控制方式波形圖6