第三节 逆变器的PWM控制

第三节逆变器的PWM控制为何采用PWM控制？为何采用PWM控制？原理图常规交－直－交变频器传统变频器采用可控整流桥变压，逆变器用来变频，变压和变频在两个独立的变换器中去实现，相互的配合在动态过程中就会显得不协调，给系统的运行带来一系列影响。为何采用PWM控制？1.主电路有两个可控的功率环节，需两套控制系统，相对来说比较复杂；2.由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；3.可控整流器使供电电源的功率因数随变频装置输出的频率的降低而变差，并产生高次谐波电流。4.逆变器输出为六拍阶梯波交变电压，含有较多高次谐波，产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作。为何采用PWM控制？象限脉冲整流器电力机车整流部分为四图交－直－交变频器原理PWM将通讯系统中的调制技术引入交流变频领域，采用脉宽调制（PWM）技术，可在逆变器上同时实现变压和变频，对非正弦供电电机来说，PWM可消除或消弱有害高次谐波。为何采用PWM控制？1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；2.使用了不可控整流器，可提高电网的功率因数；3.逆变器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；4.可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，提高了系统的性能。PWM基本原理把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲线和横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。PWM基本原理由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。上页图中一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出PWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，符合逆变器的电能直交变换模式。SPWM原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。SPWM原理SPWM的原理为在控制电路中调制，在主电路中输出。在控制电路中，一个频率为fr幅值为Ur的参考正弦波Wsin（调制信号）加载于频率为fc幅值为Uc的三角波WΔ（载波）后，得到一个脉冲宽度变化的SPWM波Wspwm（已调制波），用已调制波的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波Wspwm相似的SPWM电压波形，SPWM输入输出原理框图如下页所示：SPWM原理）输入、输出原理图正弦脉宽调制（SPWM在控制电路中，一个频率为fr幅值为Ur的参考正弦波Wsin（调制信号）加载于频率为ft幅值为Ut的三角波WΔ（载波）后，得到一个脉冲宽度变化的SPWM波Wspwm（已调制波），用已调制波的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波Wspwm相似的SPWM电压波形；SPWM中的基本名词定义调制度M：为正弦调制波参考信号幅值Urm与三角载波幅值Ucm之比，用公式表示为：载波比N：为三角载波频率fc与正弦调制波参考信号频率fr之比，用公式表示为：cmrmUUMrcffN从调制脉冲的极性上单极性脉宽调制：如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内双极性脉宽调制：如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化SPWM分类从载频信号和参考信号的频率关系异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式。同步调制：N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。分段同步调制：把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；SPWM分类SPWM波形的生成自然采样：将三相正弦波与三角波比较，在波形相交点自然地确定脉冲的采样点和开关点。即采样点和开关点重合。优点：1、基波幅值与调制度M成正比，利于调压；2、高次谐波随着载波比N与调制度M的增大而减小，有利于波形正弦化。缺点：1、实时控制时难以计算脉冲宽度；2、离线计算，利用查表法输出PWM波，占有内存过大，不符合微机等采样周期的控制要求。规则采样在载波三角波的固定点对正弦波进行采样，以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并不管此时是否发生正弦调制波与载波三角波相交。也就是说采样点和开关点不重合，采样点是固定的，开关点是变化的。开关的转换时刻可以利用简单的三角函数在线地计算出来，满足了微机全数字控制的需要。SPWM波形的生成自然采样对称规则采样不对称规则采样平均对称规则采样SPWM波形的生成对称规则采样中生成的PWM脉宽较实际的正弦波与三角波自然相交的脉宽偏小，使变频电源的输出电压较低；而在不规则采样中，虽能更真实地反映自然采样，但由于在一个载波周期中需要采样两次，极大地增加了数据的处理量。因此，在实际采样中我们采用的是平均对称规则采样。采样时刻设在三角载波的谷底处，以此刻的正弦波数值为中心，确定PWM脉冲的前后沿。SPWM波形的生成SPWM脉宽调制方法三相380V理想电源供电时电机转速与转矩波形图6-8ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud实验一第十周为实验课使用工具matlab/simulink/simPowerSystems仿真一个三相电压源型逆变器，控制方式采用SPWM，负载可选三相对称负载或异步电机。实验报告上请说明电路参数选择、控制实现方式，仿真结果分析过程等。