电力电子技术(第2版)第5章d

载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，m=fc/fr。根据载波和调制信号是否同步及载波比的变化情况，SPWM调制方式分为异步调制和同步调制。1.异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比m是变化的。在信号波的半周期内，SPWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，m较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。当fr增高时，m减小，一周期内的脉冲数减少，脉冲不对称的影响就变大。5.4.2异步调制与同步调制三相电路中通常公用一个三角波载波，取m为3的整数倍，以使三相输出波形对称为使一相的SPWM波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受在基本同步调制方式中，信号波频率fr变化时m不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。2.同步调制——载波比m等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式。Ot'vuN'uuNOtOt'wuN2dUOtucuuruurvurwkHz/cfHz/rf4.20.26.12.18.04.0010203040506070802011479969453321同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，效果和分段同步方式接近为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。实线表示输出频率增高时的切换频率，虚线表示输出频率降低时的切换频率。3.分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持m恒定，不同频段的m不同在输出频率的高频段采用较低的m，在输出频率的低频段采用较高的m各频段的m应取3的整数倍且为奇数5.4.3SPWM波的生成根据SPWM逆变器的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生器，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关管的通断进行控制，这样就可以得到SPWM波。但这种模拟电路的缺点是结构复杂，难以实现精确控制。目前SPWM波的产生和控制可以用微机来完成，下面主要介绍几种用软件产生SPWM波形的基本算法。1.自然采样法按照SPWM控制的基本原理，可在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关管的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。要准确生成SPWM波，就应准确地算出正弦波和三角波的交点。取三角波相邻两个正峰值之间为一个周期Tc设三角波峰值为标么值1，则正弦调制波为ur=asinrt，其中a为调制度在uc的一个周期内，下降段、上升段和ur各有一个交点A、B，分别对应tA和tB时刻AtBtutOtOcucoucTABur在同步调制方式中，使正弦调制波上升段的过零点和三角波下降段过零点重合并把该时刻作为零时刻第n个周期的三角波方程可表示为ccccccccc14314121414114114TntTnTntTTntTnTntTu正弦调制波和第n个周期三角波的交点时刻tA和tB可分别由以下两式求得脉冲宽度为：Arccsin14tωaTntTBrccsin214tωaTntTAtBtutOtOcucoucTABurABtt除了用三角波作载波，还可以采用锯齿波作为载波，下图说明了采用锯齿波作为载波的自然采样法。由于锯齿波的一条边是垂直的，因而它和正弦调制波的交点时刻是确定的，所要计算的只是锯齿波斜边和正弦调制波的交点时刻，如图中的tA，这样就使计算量明显减少。用锯齿波作为载波时只需控制脉冲的上升或下降时刻中的一个，这种调制方式称为单边调制，而用三角波作为载波称为双边调制。单边调制虽然比双边调制计算量小，但输出波形中含有偶次谐波，总的谐波分量也比双边调制时大。AtutOtOcucoucTAur2.规则采样法自然采样法：在正弦波和三角波的自然交点时刻控制器件的通断——求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多规则采样法：在由三角波中点时刻的正弦波高度与三角波产生的交点时刻控制器件的通断——工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多自然采样法中，脉冲中点不和三角波中点重合；规则采样法使两者重合，每个脉冲都关于相应三角波中点时刻对称在tA和tB时刻控制器件通断，脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近DtAtBtutOtOcucoucTABD2''ur由图得：一个Tc内脉冲两边的间隙宽度’为：三相桥式SPWM逆变器的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120º同一Tc内三相的脉宽分别为u、v和w，脉冲两边的间隙宽度分别为'u、'v和'w由于同一时刻三相调制波电压之和为零，因此可得到：利用以上两式可以简化生成三相SPWM波时的计算。2/2/2sin1cDrTtaDrcsin12taTDrccsin1421taTT'DtAtBtutOtOcucoucTABD2''urc23Twvuc43T'''wvu3.低次谐波消去法以消去SPWM波中某些主要的低次谐波为目的，通过计算确定各脉冲的开关时刻，这种方法称为低次谐波消去法。在这种方法中，已经不再比较载波和正弦调制波，但目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波的一种方法。下图是三相桥式SPWM逆变器中一相输出端子相对于直流侧中点N’的电压波形(以u相为例)，此处载波比m=7。'uuNOt1232为了消除偶次谐波，应使正负两半周期波形镜对称，即为了消除谐波中的余弦项，简化计算过程，应使正(或负)半周期内前后1/4周期以/2为轴线对称，即同时满足以上两式的波形称为1/4周期对称波形，这种波形可用傅里叶级数表示为'uuNOt1232tutu'u'uNNtutu'u'uNN,5,3,1Nsinnn'utnatu20Ndsin4ttntua'un式中，在半个周期内的6个开关时刻(不包括0和时刻)中，能够独立控制的只有的1、2、3三个时刻。该波形的an为根据需要确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解可得1、2、3，这样就消去了两种特定频率的谐波。通常在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，因此可以考虑消去5次和7次谐波，列方程为12132302/dddddsin2dsin2dsin2dsin24ttnUttnUttnUttnUan），，，（531cos2cos2cos212321dnnnnnU07cos27cos27cos217205cos25cos25cos2152cos2cos2cos212321d7321d5321d1UaUaUa基波幅值a1改变时，1、2、3也相应改变。上面是在输出电压的半周期内开关管导通和关断各3次时的情况。一般来说，如果在输出电压半周期内开关管开通和关断各k次，则共有k个自由度可以控制。除去用一个自由度来控制基波幅值外，可以消除(k−1)种谐波。低次谐波消去法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大。不过，因为其次数比所消去的谐波次数高，因而较容易滤除。'uuNOt12324.跟踪控制法跟踪控制法：把希望输出的电流或电压作为给定信号，与实际电流或电压信号进行比较，由此来决定逆变器功率开关管的通断，使实际输出跟踪给定信号。常用跟踪控制法有滞环比较方式、三角波比较方式和定时比较方式三种。1VT2VToiou1VD2VDLLR2dU2dU*oioi跟踪型SPWM逆变器中，电流跟踪控制应用最多。采用滞环比较方式的电流跟踪型SPWM逆变器（以半桥为例）如右图所示。把指令电流io*和实际输出电流io的偏差(io*−io)作为滞环比较器的输入通过比较器的输出控制器件VT1和VT2的通断通过环宽为2I的滞环比较器的控制，io就在(io*+I)和(io*−I)的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流io*。当io*是正弦波时，输出电流io也十分接近正弦波。当io(io*+I)时，桥臂1(VT1或VD1)导通，io增大当io(io*+I)时，桥臂2(VT2或VD2)导通，io减小3t1t2tout1VT2VToiou1VD2VDLLR2dU2dU*oioitoi2dU2dUio*io*+Iio*−I6t4t5t基本原理3t1t2tout1VT2VToiou1VD2VDLLR2dU2dU*oioitoi2dU2dUio*io*+Iio*−I6t4t5t参数的影响环宽I过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽I过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。滞环环宽电抗器L的作用L大时，io的变化率小，跟踪慢；L小时，io的变化率大，开关频率过高。5.4.4微机控制和专用集成电路1.微机软件生成SPWM脉冲通常有查表法和实时计算法两种方法。查表法是根据不同的调制度a和正弦调制信号的角频率r，先离线计算出各开关管的通断时刻，把计算结果存于EPROM中，运行时查表读出需要的数据，从而进行实时控制。这种方法所需的内存容量往往较大。实时计算法是在运行时进行在线计算求得所需的数据的方法，这种方法适用于计算量不大的场合。实际所用的方法往往是上述两种方法的结合，即先离线进行必要的计算，将数据存入内存，运行时再进行较为简单的在线计算。2.专用集成电路产生SPWM脉冲采用专用芯片可简化控制电路和软件设计，降低成本，提高可靠性。目前应用较多的全数字化三相SPWM芯片有HEF4752、SLE4520、MA818、89XC196MC等。HEF4752芯片可提供三组互差120º的互补输出SPWM控制脉冲，以驱动逆变器的6个功率开关管产生对称的三相输出，适用于晶闸管和功率晶体管等全控型器件。该芯片有8段载波比（15、21、30、42、60、84、120、168），可自动切换，调制频率范围为0~200Hz，开关频率一般不超过1kHz。SLE4520须与微处理机配合使用，才能产生三相SPWM信号，其开关频率和输出频率分别可达23.4kHz和3kHz。芯片内有一个4位死区锁存器，可设置逆变桥同相上下两开关管转换的死区时间，防止桥臂短路。MA818是用于产生三相SPWM控制信号的大规模集成电路芯片，具有6个标准TTL电平的输出，可方便地用来驱动逆变桥的6个功率开关管。采用规则采样法，载波频率最高可达24kHz，输出调制频率最高可达4kHz。89XC196MC是一个16位微处理器，其内部有一个三相互补SPWM波形发生器，可直接输出6路SPWM信号，驱动电流达20mA。也采用规则采样法产生波形，三相脉宽由软件编程计算。