SPWM

三三三三、、、、脉宽调制型脉宽调制型脉宽调制型脉宽调制型（（（（PulseWidthModulated——PWM））））逆变器逆变器逆变器逆变器☆☆☆☆问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出——优化交优化交优化交优化交-直变频器的输入直变频器的输入直变频器的输入直变频器的输入，，，，输出特性输出特性输出特性输出特性，解决：（（（（1111））））输出谐波问题输出谐波问题输出谐波问题输出谐波问题■SCR逆变器开关频率低（SCR每周期换流一次每周期换流一次每周期换流一次每周期换流一次），输出电压为六阶梯波六阶梯波六阶梯波六阶梯波，电流非正弦非正弦非正弦非正弦，，，，富含低次谐波富含低次谐波富含低次谐波富含低次谐波三、脉宽调制型逆变器■为使输出电压基波含量大使输出电压基波含量大使输出电压基波含量大使输出电压基波含量大、、、、低次谐波含量少低次谐波含量少低次谐波含量少低次谐波含量少且谐波高谐波高谐波高谐波高频化频化频化频化，必须使逆变器开关器件按一定规律作高频开关一定规律作高频开关一定规律作高频开关一定规律作高频开关——逆变器高频化高频化高频化高频化●一定规律——脉宽调制（PWM）方式●高频开关——自关断器件电流控制型：GTO（kHz），GTR（2~4kHz）电压控制型：IGBT（20kHz），P—MOSFET（100kHz）三、脉宽调制型逆变器α↑→ccsosoφα∞↓（（（（2222））））输入功率因数问题输入功率因数问题输入功率因数问题输入功率因数问题■交—直—交变频常采用可控整流——无源逆变变流方式低速时低频低速时低频低速时低频低速时低频并配合低压低压低压低压，以维持电机磁路工作点不变低压时可控整流器触发角系统输入系统输入系统输入系统输入三、脉宽调制型逆变器■为提高调速系统输入功率因数提高调速系统输入功率因数提高调速系统输入功率因数提高调速系统输入功率因数，，，，采用不控整流器采用不控整流器采用不控整流器采用不控整流器，相当可控整流器状态。0α=此时逆变器必须同时承担调压逆变器必须同时承担调压逆变器必须同时承担调压逆变器必须同时承担调压、、、、变频双重任务变频双重任务变频双重任务变频双重任务，为此采用脉宽调制脉宽调制脉宽调制脉宽调制（（（（PWM））））控制控制控制控制来实现三、脉宽调制型逆变器☆☆☆☆PWM逆变器的概念逆变器的概念逆变器的概念逆变器的概念（（（（1））））结构结构结构结构■直流环节采用大电容滤波，故为电压型电压型电压型电压型逆变器■与主开关元件反并联的续流二极管为反并联的续流二极管为反并联的续流二极管为反并联的续流二极管为异步电机无功异步电机无功异步电机无功异步电机无功电流提供通路电流提供通路电流提供通路电流提供通路■■■■续流二极管工作机理续流二极管工作机理续流二极管工作机理续流二极管工作机理●——应接至+的上组桥臂元件通——应接至－的下组桥臂元件通●——使电流流出A点的元件通——使电流流入A点的元件通●——向电机提供能量（有功有功有功有功能量）——从电机反馈能量（无功无功无功无功能量）三、脉宽调制型逆变器A0uA0uA0iAiA0iAiA0PA0PAuDψAi0u0i0P0u0i0P0u0i0P0u0i0Pφ三、脉宽调制型逆变器（（（（2222））））输出电压波形输出电压波形输出电压波形输出电压波形■逆变器输入电压恒定，为使电机端电压基波成分量大，则逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形为一组幅值恒定一组幅值恒定一组幅值恒定一组幅值恒定、、、、宽度按正弦宽度按正弦宽度按正弦宽度按正弦规律变化的高频矩形脉冲规律变化的高频矩形脉冲规律变化的高频矩形脉冲规律变化的高频矩形脉冲——SPWM波波波波■频率分析结果主要成分为基波基波基波基波，谐波含量少，且为开关频率的开关频率的开关频率的开关频率的高次谐波高次谐波高次谐波高次谐波d0U三、脉宽调制型逆变器d0Ud0U=（（（（3））））调压变频的实现调压变频的实现调压变频的实现调压变频的实现——以自然采样法自然采样法自然采样法自然采样法为例说明■■■■自然采样法自然采样法自然采样法自然采样法：输出频率的输出频率的输出频率的输出频率的正弦正弦正弦正弦“调制度调制度调制度调制度”与高频的与高频的与高频的与高频的等腰三等腰三等腰三等腰三角形角形角形角形“载波载波载波载波”相交相交相交相交，，，，交点确定出各功率器的开关时刻交点确定出各功率器的开关时刻交点确定出各功率器的开关时刻交点确定出各功率器的开关时刻●当某相调制波电压高于载波电压调制波电压高于载波电压调制波电压高于载波电压调制波电压高于载波电压时，该相上桥臂元件导通上桥臂元件导通上桥臂元件导通上桥臂元件导通，输出●当某相调制波电压低于载波电压调制波电压低于载波电压调制波电压低于载波电压调制波电压低于载波电压时，该相下桥臂元件通下桥臂元件通下桥臂元件通下桥臂元件通，输出（单极性单极性单极性单极性）三、脉宽调制型逆变器■■■■调压变频调压变频调压变频调压变频●●●●改变正弦调制波的频率改变正弦调制波的频率改变正弦调制波的频率改变正弦调制波的频率，调节调节调节调节PWM波脉宽变化周期，即频率频率频率频率；●这样，将变频、调压统一在调制波频率、幅值的调节上，使一个逆变器同时完成二种功能逆变器同时完成二种功能逆变器同时完成二种功能逆变器同时完成二种功能——PWM逆变器逆变器逆变器逆变器三、脉宽调制型逆变器☆☆☆☆PWM调制方法调制方法调制方法调制方法（波形生成）PWM逆变器控制的核心，有三种重要调制方法三种重要调制方法三种重要调制方法三种重要调制方法①①①①用开关方式生成一组三相正弦变频电压开关方式生成一组三相正弦变频电压开关方式生成一组三相正弦变频电压开关方式生成一组三相正弦变频电压给电机，而不关心电机内电流——正弦脉宽调制正弦脉宽调制正弦脉宽调制正弦脉宽调制②②②②用开关方式提供一组三相正弦变频电流开关方式提供一组三相正弦变频电流开关方式提供一组三相正弦变频电流开关方式提供一组三相正弦变频电流给电机，不关心电机内的磁场分布——电流滞环控制电流滞环控制电流滞环控制电流滞环控制③③③③确保电机内部形成圆形旋转磁场确保电机内部形成圆形旋转磁场确保电机内部形成圆形旋转磁场确保电机内部形成圆形旋转磁场来综合控制三相电压——磁链追踪控制磁链追踪控制磁链追踪控制磁链追踪控制正弦脉宽调制（SPWM）1．正弦脉宽调制（SPWM）◆◆◆◆目标目标目标目标：：：：以开关方式生成三相对称以开关方式生成三相对称以开关方式生成三相对称以开关方式生成三相对称、、、、正弦变化的变频电正弦变化的变频电正弦变化的变频电正弦变化的变频电压压压压◆◆◆◆方法方法方法方法：：：：●自然采样法●指定谐波消去法（（（（1））））自然采样法自然采样法自然采样法自然采样法：采用正弦“调制波”与等腰三角形“载波”相交，交点决定逆变器开关通交点决定逆变器开关通交点决定逆变器开关通交点决定逆变器开关通、、、、断时刻产生出脉宽调制波断时刻产生出脉宽调制波断时刻产生出脉宽调制波断时刻产生出脉宽调制波单单单单极性控制双双双双极性控制分方式正弦脉宽调制（SPWM）RuTu0①①①①单极性单极性单极性单极性控制特点：（：（：（：（A））））正弦调制波正弦调制波正弦调制波正弦调制波、、、、三角载波三角载波三角载波三角载波均为均为均为均为单一极性单一极性单一极性单一极性（（（（））））正弦脉宽调制（SPWM）d10~2U+d1~02U-RuTu（（（（B））））半周期内半周期内半周期内半周期内，同相上、下桥臂元件中，总是一个阻一个阻一个阻一个阻断断断断，，，，一个作通一个作通一个作通一个作通、、、、断开关断开关断开关断开关。。。。（C）正半周内，输出电压负半周内，输出电压（（（（D））））负半周输出变极性采用倒相信号负半周输出变极性采用倒相信号负半周输出变极性采用倒相信号负半周输出变极性采用倒相信号，而、极性不变（（（（E））））同相总有一桥臂元件阻断同相总有一桥臂元件阻断同相总有一桥臂元件阻断同相总有一桥臂元件阻断，故上上上上、、、、下元件不会直下元件不会直下元件不会直下元件不会直通通通通，，，，换流可靠换流可靠换流可靠换流可靠，，，，但直流电压利用率低但直流电压利用率低但直流电压利用率低但直流电压利用率低。。。。输出极性单一（不变）正弦脉宽调制（SPWM）RuTu②②②②双极性双极性双极性双极性控制特点（A）正弦调制波正弦调制波正弦调制波正弦调制波，三角载波三角载波三角载波三角载波均均均均为正为正为正为正、、、、负交变负交变负交变负交变的的的的双极性双极性双极性双极性正弦脉宽调制（SPWM）RTuud2U+RTuud2U-（（（（B））））输出的各输出的各输出的各输出的各半周期内半周期内半周期内半周期内，逆变器同相桥臂上同相桥臂上同相桥臂上同相桥臂上、、、、下元件下元件下元件下元件均工作，作互补通互补通互补通互补通、、、、断断断断●当时，上臂元件通、下臂元件断，输出；●当时，下臂元件通、上通元件断，输出；（（（（C））））任半周期内任半周期内任半周期内任半周期内，，，，输出电压均有正输出电压均有正输出电压均有正输出电压均有正、、、、负极性负极性负极性负极性——双极性双极性双极性双极性。。。。直流电压利用率高直流电压利用率高直流电压利用率高直流电压利用率高，但有上、下桥臂元件直通危险，应设死区设死区设死区设死区保护保护保护保护。。。。正弦脉宽调制（SPWM）RuTu☆变频时，SPWM输出频率变，要求调制波频率变。载波频率应如何控制？③③③③调制波与载波的配合控制调制波与载波的配合控制调制波与载波的配合控制调制波与载波的配合控制（（（（A））））异步调制异步调制异步调制异步调制——调制波频率变化调制波频率变化调制波频率变化调制波频率变化，，，，载波频率恒定不变载波频率恒定不变载波频率恒定不变载波频率恒定不变特点：（（（（a））））控制方便控制方便控制方便控制方便（（（（b））））输出电压不稳定输出电压不稳定输出电压不稳定输出电压不稳定正弦脉宽调制（SPWM）3Nk=oo正、负半波(180)三相(120)对称NNN3Nk=■■■■载波比载波比载波比载波比3TRfNkf=载波频率应调制波频率1,2,k=L（）以保证波形■■■■异步调制异步调制异步调制异步调制时●●●●低频低频低频低频运行时大，半周期脉冲多，谐波少；●高频高频高频高频运行时小，半周期脉少，谐波多；●变频变频变频变频运行中变，不能确保，半周期脉冲数变，甚至正、负半周中的脉冲数也不相同，分解出的基波相位也基波相位也基波相位也基波相位也变变变变，，，，将造成电机运行不稳定将造成电机运行不稳定将造成电机运行不稳定将造成电机运行不稳定。。。。正弦脉宽调制（SPWM）（（（（B））））同步调制同步调制同步调制同步调制—（载波频率与调制波频率正比变化载波频率与调制波频率正比变化载波频率与调制波频率正比变化载波频率与调制波频率正比变化）特点：（a）任何频率下，半周内脉冲数相同，输出电压波输出电压波输出电压波输出电压波形稳定形稳定形稳定形稳定3NkC==[例]N=3UdUd正弦脉宽调制（SPWM）（（（（b））））低频时应增大低频时应增大低频时应增大低频时应增大N，以增加脉冲数，减小谐波减小谐波减小谐波减小谐波（（（（C））））分段同步调制分段同步调制分段同步调制分段同步调制（（（（混合调制混合调制混合调制混合调制））））特点：（a）将运行频率范围分段运行频率范围分段运行频率范围分段运行频率范围分段，，，，每段每段每段每段N不变不变不变不变，段内N不变（同步调制）（b）低频段低频段低频段低频段N大大大大，以增加脉冲数，减少谐波减少谐波减少谐波减少谐波正弦脉宽调制（SPWM）TRfN=50Hzf≥1N=说明：■为使三相对称三相对称三相对称三相对称，，，，N为为为为3的倍数的倍数的倍数的倍数■分段及选分段及选分段及选分段及选N时时时时，，，，确保开