第5章c电力电子技术（第2版）[王云亮][电子教案].ppt

* * 5.4 正弦脉宽调制逆变器 全控型器件作开关元件构成的正弦脉宽调制（SPWM）逆变器，可使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。 SPWM逆变器，简单地说，是控制开关管的通断顺序和时间分配规律，在逆变器输出端获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，它是目前直流-交流（DC-AC）变换中最重要的变换技术。 5.4.1 正弦脉宽调制（SPWM）原理及其优点 1. SPWM原理 理论基础 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯 性的环节上时，其效果基本相同。 指窄脉冲的面积 指环节的输出响应波形基本相同 实例 电路输入：e(t) 电路输出：i(t) 由图知，i(t)除了上升段略有不同以外，其下降段几乎完全相同。 以上实例说明了“面积等效原理” SPWM波 若要改变等效输出正弦(半)波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 运用面积等效原理可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦(半)波。 同样，正弦波的负半波也可用一组等高不等宽的负脉冲序列来代替，因此正弦波一个完整周期的等效脉冲波为： 根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的脉冲波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。 对上述等效调宽脉冲，在选定了等分数k后，可以借助计算机严格地算出各个脉冲宽度和间隔，以作为控制逆变器开关管通断的依据。 像这种脉冲幅值相等，而脉冲宽度按正弦规律变化从而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM（sinusoidal pulse width modulation）波。 2. 单极性调制与双极性调制 在实际应用中，常采用正弦波与三角波相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度，结合IGBT单相桥式电压型逆变电路进行说明。 ur正半周，VT1常通，VT2常断 当uruc时使VT4通VT3断，uo=Ud 当uruc时使VT4断VT3通，uo=0 ur负半周，VT2常通，VT1常断 当uruc时使VT3断VT4通，uo=0 当uruc时使VT3通VT4断，uo=?Ud 图中，uo1表示uo的基波分量 由于是阻感负载，负载电流比电压滞后。 ur正半周，桥臂1常通 若io0，uo=0时VD1、VT3流过电流；uo=Ud时VD1,4流过电流 若io0，uo=0时VT1、VD3流过电流；uo=Ud时VT1,4流过电流 ur负半周，桥臂2常通 若io0，uo=0时VD2、VT4流过电流；uo=?Ud时VD2,3流过电流 若io0，uo=0时VT2、VD4流过电流；uo=?Ud时VT2,3流过电流 像这样由正弦波ur调制三角波载波uc而获得SPWM波的方法称为正弦脉宽调制法。 一般将正弦调制波ur的幅值与三角载波uc的峰值之比定义为调制度a，亦称调制比或调制系数。显然，0a1。 上述调制法在正弦调制波ur的半个周期内，三角波载波uc只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只在单个极性范围内变化，故称为单极性SPWM控制方式。 根据面积等效原理，还可以得到双极性SPWM控制方式：在正弦调制波ur的半个周期内，三角波载波uc有正有负，所得的SPWM波也有正有负。 如右图所示，这时三角波uc和SPWM波形均有正负极性变化，但是正半周内，正脉冲较负脉冲宽，负半周负脉冲较正脉冲宽。 双极性SPWM控制方式也是在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断， 对各开关器件的控制规律如下： 当uruc时，给VT1,4导通信号，给VT2,3关断信号，uo=Ud 若io0，VD1,4流过电流； 若io0，VT1,4流过电流。 当uruc时，给VT2,3导通信号，给VT1,4关断信号，uo=?Ud 若io0，VD2,3流过电流； 若io0，VT2,3流过电流。 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别，单极性调制的SPWM波有±Ud和0三种电平，而双极性调制的SPWM波只有±Ud两种电平。 在SPWM逆变器中，使用最多的是下图所示的三相桥式逆变器，这种电路一般都采用双极性控制方式。 三相的SPWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号uru、urv和urw依次相差120o u、v、w各相控制规律相同，下面以u相为例进行分析。 当uruuc时，给上桥臂VT1导通信号（下桥臂VT4关断） 当uruuc时，给下桥臂VT4导通信号（上桥臂VT1关断） 当桥臂1通时，uuN’=Ud/2，电流流过VT1还是VD1由iu方向决定；当桥臂4通时，uuN’=?Ud/2，电流流过VT4还是VD4由iu方向决定。 v、w两相的控制方式与u相相同，如下图所示。