PWM控制技术在逆变电路中的应用

PWM在逆变电路中的应用王冰（08级，自动化一班，2008010471490）摘要：文章总结了PWM控制技术的控制方法以及在逆变电路中的一些应用，叙述了他们的基本原理，讲述了SPWM逆变器的工作原理以及一些正弦脉宽调制的调制算法。如双极性正弦波等面积法，自然采样法等。0引言PWM控制技术也被称为脉宽调制，他是一种对模拟信号电平进行数字化编码的方法。在脉宽调制中使用高分辨率计数器来产生方波，并且可以通过调整方波的占空比来对模拟信号电平进行编码。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。1PWM控制技术的介绍1.1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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲1.2面积等效原理：分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。图2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。图3用PWM波代替正弦半波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。PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。2SPWM逆变器的工作原理由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴弦波的负半周也可用相同的方法来等效。这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM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，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(ModulationWave)，而受它调制的信号称为载波(CarrierWave)。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰所包围的面积都用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。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果图4可控整流器调压、六拍逆变器变频图5不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频图6不控整流、PWM逆变器调压调频3正弦脉宽调制的调制算法三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成SPWM波形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。图7双极性正弦脉宽调制原理波形3.1自然采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波形，成为自然采样法。如图图8SPWM波形3.2双极性正弦波等面积法正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成H，个区段，区段数Ht一定是6的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差120°，要从一相正弦波方便地得到其他两相，必须把一个周期分成6的整数倍。由图可见，Ht越大，输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这N个等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既可以提高开关频率，改善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间。如图所示其正弦波面积为图9双极性正弦波4结束语逆变电路的应用相当普及，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池，太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。文章简单介绍了PWM控制技术在逆变电路中的应用方法，和一些调制算法。这篇论文的写作以及探讨研究过程，也是我越来越认识到自己知识与经验缺乏的过程。虽然，我尽可能地收集材料，竭尽所能运用自己所学的知识进行论文写作和研究，但论文还是存在许多不足之处,有待改进.请各位评委老师多批评指正，让我在今后的学习中学到更多.[参考文献][1]张为佐.电力电子技术的二十年及其未来.电源技术应用，2001,4[2]赵良炳.现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，1997[3]谢少军等.阶梯波合成逆变器的单脉宽调制调压技术研究.中国电机工程学报2003，[4]王志良.电力电子新器件及其应用技术.北京：科学出版社，1992