SPWM的數(shù)學(xué)計算.ppt

1、第三節(jié)逆變器的PWM控制,為何采用PWM控制？,為何采用PWM控制？,傳統(tǒng)變頻器采用可控整流橋變壓，逆變器用來變頻，變壓和變頻在兩個獨立的變換器中去實現(xiàn)，相互的配合在動態(tài)過程中就會顯得不協(xié)調(diào)，給系統(tǒng)的運行帶來一系列影響。,為何采用PWM控制？,主電路有兩個可控的功率環(huán)節(jié)，需兩套控制系統(tǒng)，相對來說比較復(fù)雜； 由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性元件存在，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢； 可控整流器使供電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出的頻率的降低而變差，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)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機的穩(wěn)定工作。,為何采用PWM控制？,將通訊系統(tǒng)中的調(diào)

2、制技術(shù)引入交流變頻領(lǐng)域，采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，可在逆變器上同時實現(xiàn)變壓和變頻，對非正弦供電電機來說，PWM可消除或消弱有害高次諧波。,為何采用PWM控制？,主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)； 使用了不可控整流器，可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)； 逆變器在調(diào)頻的同時實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)； 可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電機可在近似正弦波的交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的性能。,PWM基本原理,把一個正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲線和橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩

3、形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。,PWM基本原理,由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。 上頁圖中一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出PWM波形。 由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，符合逆變器的電能直交變換模式。,SPWM原理,以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。,S

4、PWM原理,SPWM的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的參考正弦波Wsin（調(diào)制信號）加載于頻率為fc幅值為Uc的三角波W（載波）后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波的高低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動逆變器的主開關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相似的SPWM電壓波形，SPWM輸入輸出原理框圖如下頁所示：,SPWM原理,在控制電路中，一個頻率為fr幅值為Ur的參考正弦波Wsin（調(diào)制信號）加載于頻率為ft幅值為Ut的三角波W（載波）后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波的高

5、低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動逆變器的主開關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相似的SPWM電壓波形；,SPWM中的基本名詞定義,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)制脈沖的極性上 單極性脈寬調(diào)制：如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi) 雙極性脈寬調(diào)制：如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化,SPWM分類,從載頻信號和參考信號的頻率關(guān)系

6、 異步調(diào)制：載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。 同步調(diào)制： N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。 分段同步調(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，不同頻段N不同；,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，相應(yīng)輸出電壓為正電平，反之則產(chǎn)生零電平。 負(fù)半軸是用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。 調(diào)制結(jié)果是產(chǎn)生等幅、不等寬的脈沖列。 逆變器主電路能對電機繞組的進線端提供三個不同的電位值 （參考點可任選取）,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，處于互補的工作方式。

7、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波形電壓表達(dá)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)，可計算不同調(diào)制比M時的基波及主要高次諧波的相對值。 定義 通過同樣的多次計算，在載波比N足夠大，調(diào)制系數(shù) 時，可以得到以下結(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的幅值，就可以改變輸出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)確控制輸出電壓的基波值打下了基礎(chǔ)。 b）小于（N2）次的諧波電壓全部為零，消除了（N2）次以下全部較低次數(shù)的高次諧波

8、。,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,同步調(diào)制 基本同步調(diào)制方式，fr 變化時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的整數(shù)倍，使三相輸出對稱,SPWM脈寬調(diào)制方法,同步調(diào)制（續(xù)） 為使一相的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)制帶來的諧波不易濾除； 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)，一般是保持載波頻率始終不變，這樣可使低頻時載波比增大，輸出半周期內(nèi)脈沖數(shù)增加，解決了較

9、低次數(shù)的高次諧波問題； 不能在整個輸出頻率范圍內(nèi)滿足N為3的倍數(shù)的要求，會使輸出電壓波形相位隨時變化，難以保證正、負(fù)半波以及三相之間的對稱性，會引起偶次諧波等其他問題。,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 變化時，載波比 N 是變化的； 在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(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；,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)生的不利影響都較?。?當(dāng) fr 增高時，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大

10、。,SPWM脈寬調(diào)制方法,分段同步調(diào)制 是將同步、異步調(diào)制相結(jié)合的一種調(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，對不同頻段取不同的N值。 這樣既保持了同步調(diào)制下波形對稱、運行穩(wěn)定的優(yōu)點，又解決了低頻運行時諧波增大的弊病。,SPWM脈寬調(diào)制方法,分段同步調(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，使載波頻率不致過高； 在 fr 低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低；,SPWM脈寬調(diào)制方法,右圖為分段同步調(diào)制時，載波頻率fc與調(diào)制頻率fr關(guān)系，低頻時采用異步調(diào)制，然后為分段同步調(diào)制，

11、基頻以上時進入方波工況。,SPWM脈寬調(diào)制方法,SPWM波形的生成,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的采樣點和開關(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、高次諧波隨著載波比N與調(diào)制度M的增大而減小，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，不符合微機等采樣周期的控制要求。,規(guī)則采樣 在載波三角波的固定點對正弦波進行采樣，以確定脈沖的前沿和后沿時刻，而并不管此時是否發(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，采樣點是固定的，開關(guān)點是變化

12、的。開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻可以利用簡單的三角函數(shù)在線地計算出來，滿足了微機全數(shù)字控制的需要。,SPWM波形的生成,SPWM波形的生成,對稱規(guī)則采樣中生成的PWM脈寬較實際的正弦波與三角波自然相交的脈寬偏小，使變頻電源的輸出電壓較低；而在不規(guī)則采樣中，雖能更真實地反映自然采樣，但由于在一個載波周期中需要采樣兩次，極大地增加了數(shù)據(jù)的處理量。因此，在實際采樣中我們采用的是平均對稱規(guī)則采樣。采樣時刻設(shè)在三角載波的谷底處，以此刻的正弦波數(shù)值為中心，確定PWM脈沖的前后沿。,SPWM波形的生成,SPWM脈寬調(diào)制方法,三相380V理想電源供電時電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形,實驗一,第十周為實驗課 使用工具matlab/simulink/simPowerSystems仿真一個三相電壓源型逆變器，控制方式采用SPWM，負(fù)載可選三相對稱負(fù)載或異步電機。 實驗報告上請說明電路參數(shù)選擇、控制實現(xiàn)方式，仿真結(jié)果分析過程等。,SPWM的實現(xiàn)方式有兩種： 一、脈沖波形的寬度可通過計算方法得到。 二、引入通訊技術(shù)中的調(diào)制概念。 就是用一種參考波（通常