SPWM逆变原理及控制方法[1]

2SPWM原理及控制方法22SPWM原理及控制方法2.1SPWM基本原理2.2SPWM逆变及其控制方法2.3SPWM整流及其控制方法32.1SPWM基本原理•电能昀基本的形态为：DC、AC四大基本状态转换：DC→AC、DC→DC、AC→DC、AC→AC•电力电子器件只是工作在两种状态开通、关断开通：即工作在高度饱和导通状态如何利用电力电子器件的开通和关断两种状态实现电能四大基本状态之间的转换就是电力电子学所要研究的核心内容42.1SPWM基本原理理想开关：¾导通电阻为0，即：通态压降为0¾关断电阻为∞¾不考虑开通和关断时间，即：瞬时开通和关断实际电力电子器件（开关）：¾导通电阻不为0，通态压降为2V左右¾关断电阻也不为∞，有少量漏电流¾需要一定时间才能完全开通和关断，一般在10us以下理论分析一般都采用理想开关。在涉及散热系统设计、死区时间选取、器件串并联设计、器件保护等方面时，将必须按实际电力电子器件考虑52.1SPWM基本原理实现电能四种基本形态的转换就是利用PWM调制•PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（形状和幅值）•SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）正弦脉宽调制技术：通过对一系列宽窄不等的脉冲进行调制，来等效正弦波形（幅值、相位和频率）62.1SPWM基本原理•PWM占空比调制（DC↔DC）TTW=δTWTinUoutUinoutUUδ=72.1SPWM基本原理•SPWM调制思想（DC→AC）OωtUd-Ud如何利用宽窄不等的方波来等效正弦波就是SPWM调制的基本思路，保证宽窄不等的方波所对应的基波与所需要等效的正弦波的幅值、相位和频率均相等需要重点关注的问题：谐波、直流电压利用率、开关损耗、跟踪（响应）速度、不同应用场合的特殊问题82.1SPWM基本原理•PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易•PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位•PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位重点讲述DC→AC（逆变）AC→DC（整流）92.1SPWM基本原理1）重要理论基础——面积等效原理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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)102.1SPWM基本原理b)冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）u(t)－电压窄脉冲，是电路的输入i(t)－输出电流，是电路的响应112.1SPWM基本原理Ouωt若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OuωtSPWM波Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuωtOuωt122.1SPWM基本原理OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。132.1SPWM基本原理目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术逆变电路是PWM控制技术昀为重要的应用场合PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路142.2SPWM逆变及其控制方法SPWM逆变就是研究DC→AC三相核心部分核心部分单相152.2SPWM逆变及其控制方法OωtUd-UdOωtUd-Ud如何通过电力电子器件开通和关断，将直流变换成宽窄不等的方波关键是如何确定脉冲宽度，SPWM波产生方法双极性SPWM单极性SPWM162.2SPWM逆变及其控制方法••计算法和调制法计算法和调制法••谐波消除法谐波消除法••智能优化法智能优化法••异步调制和同步调制异步调制和同步调制••自然采样法自然采样法••规则采样法规则采样法••PWMPWM跟踪控制技术跟踪控制技术••矢量控制矢量控制••多重化结构多重化结构172.2SPWM逆变及其控制方法•计算法–根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形–本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化如：按照等面积原则计算开关时刻OuωtOuωt182.2SPWM逆变及其控制方法•单极性调制法（单相）urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud输出的宽窄不等方波的基波幅值、相位和频率与信号波相等提问：为何采用三角载波？自然采样法192.2SPWM逆变及其控制方法•双极性调制法（单相）urucuOωtOωtuouofuoUd-Ud202.2SPWM逆变及其控制方法•双极性调制法（三相）ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud212.2SPWM逆变及其控制方法•防直通，死区时间问题同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间长短主要由开关器件的关断时间决定会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波，降低输出交流幅值1V4V1V4V*1V*4VDT222.2SPWM逆变及其控制方法•特定谐波消去法（计算法）SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWMOωtuoUd-Ud2ππa1a2a3这是计算法中一种较有代表性的方法输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称232.2SPWM逆变及其控制方法首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即)()(πωω+−=tutu其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称)()(tutuωπω−=同时满足上两式的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为式中，an为∑∞==,5,3,1sin)(nntnatuωω∫=20dsin)(4πωωωπttntuan242.2SPWM逆变及其控制方法能独立控制a1、a2和a3共3个时刻。该波形的an为式中n=1,3,5,…)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211αααπωωωωωωωωππααααααnnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn−+−=⎥⎦⎤−++⎢⎣⎡−+=∫∫∫∫确定a1的值，再令两个不同的an=0(n=1,3,5…)，就可建三个方程，求得a1、a2和a3OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3252.2SPWM逆变及其控制方法消去两种特定频率的谐波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。可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应改变。⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=−+−==−+−=−+−=0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1αααπαααπαααπUaUaUa262.2SPWM逆变及其控制方法一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k-1个频率的特定谐波k的取值越大，开关时刻的计算越复杂272.2SPWM逆变及其控制方法•智能优化方法思路OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3开关时刻自由度很大，理论上可以任意选取，自由选取原则：•保证基波与要求的相等•保证低次谐波幅值很小或接近0•保证总谐波幅值（THD）昀小其它方法比较难以取得很好的优化效果，人工智能方法很适合282.2SPWM逆变及其控制方法•异步调制和同步调制根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波的半周期内，PWM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，N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，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式292.2SPWM逆变及其控制方法2）同步调制——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM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302.2SPWM逆变及其控制方法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N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321fr/Hzfc/kHz为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法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，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近312.2SPWM逆变及其控制方法•自然采样法tMusωsin=1CT为简单起见，在计算机内部一般进行标称化，假定三角波昀大值为1M称为调制比，也可理解为输出交流电压幅值与直流电压幅值之比322.2SPWM逆变及其控制方法•自然采样法ucuOturTcOtuotAtDtBδδ'δ'2δ2δ•正弦波（调制波）与三角波（载波）的交点确定脉冲宽度•交点求解涉及到多次三角函数计算和迭代多次，计算量很大。早期实时控制计算机速度较慢，难以实时完成，故自然采用法使用较少。或者离线计算出来，实时查表，但如果对象运行工况较多或运行范围较宽，表格需要内存很多•现代数字信号处理（DSP）单元计算速度越来越快，现在也已开始逐步采用332.2SPWM逆变及其控制方法•规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBδδ'δ'2δ2δ•载波周期中点与正弦波（调制波）的交点所作的水平线与三角波（载波）的交点确定脉冲宽度•交点求解只需计算一次三角函数计算，且无需迭代运算，计算量很小。在早期以及现在实时控制中规则采样法得到广泛应用•规则采样法得到的SPWM波与自然采样法接近，谐波会略微大一点342.2SPWM逆变及其控制方法•PWM逆变电路的谐波分析OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3PWM逆变器负载352.2SPWM逆变及其控制方法•PWM逆变电路的谐波分析（单相）1δ2δ3δ4δ7δπ−π+5δ6δ7δπ−6δ5δπ−3δ4δπ−2δ1δ1δ2δπ+3δ4δπ+5δ6δπ+7δ2π−7δ2π−6δ5δ2π−3δ4δ2π−2δ1δtω02ππ32π2πiitkωδ==,...5,3,1()∑=−×−=211cos)1(24NiiikkkVdcVoδπ∑∞=×=,5,3,1sin2)(kktkVofωδ傅里叶变换：•波形正负半波对称•波形¼对称iδ开关角度it开关时刻362.2SPWM逆变及其控制方法•P