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5.4正弦脉宽调制逆变器全控型器件作开关元件构成的正弦脉宽调制(SPWM)逆变器,可使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。SPWM逆变器,简单地说,是控制开关管的通断顺序和时间分配规律,在逆变器输出端获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列,它是目前直流-交流(DC-AC)变换中最重要的变换技术。5.4.1正弦脉宽调制(SPWM)原理及其优点1.SPWM原理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。指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同矩形脉冲)a)(tftO)(tftO)(tftO)(tft)(tO三角形脉冲)b正弦半波脉冲)c单位冲激函数)d实例电路输入:e(t)电路输出:i(t)由图知,i(t)除了上升段略有不同以外,其下降段几乎完全相同。)(teRL)(tiS)(tetO)(tetO)(tetO)(tet)(tO以上实例说明了“面积等效原理”tO)(tftO)(tfSPWM波若要改变等效输出正弦(半)波幅值,按同一比例改变各脉冲宽度即可。运用面积等效原理可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦(半)波。)(tfOt)(tfOttO)(tf)(tfOt同样,正弦波的负半波也可用一组等高不等宽的负脉冲序列来代替,因此正弦波一个完整周期的等效脉冲波为:根据面积等效原理,正弦波还可等效为下图中的脉冲波,而且这种方式在实际应用中更为广泛。tO)(tftO)(tf对上述等效调宽脉冲,在选定了等分数k后,可以借助计算机严格地算出各个脉冲宽度和间隔,以作为控制逆变器开关管通断的依据。像这种脉冲幅值相等,而脉冲宽度按正弦规律变化从而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM(sinusoidalpulsewidthmodulation)波。tO)(tftO)(tf2.单极性调制与双极性调制在实际应用中,常采用正弦波与三角波相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路进行说明。ur正半周,VT1常通,VT2常断−当uruc时使VT4通VT3断,uo=Ud−当uruc时使VT4断VT3通,uo=0ur负半周,VT2常通,VT1常断−当uruc时使VT3断VT4通,uo=0−当uruc时使VT3通VT4断,uo=−Ud图中,uo1表示uo的基波分量utOtOcuoudUouuruo1dU信号波载波调制电路+dUrucu1VT2VT3VT4VT1VD2VD3VD4VDouRLC由于是阻感负载,负载电流比电压滞后。ur正半周,桥臂1常通−若io0,uo=0时VD1、VT3流过电流;uo=Ud时VD1,4流过电流−若io0,uo=0时VT1、VD3流过电流;uo=Ud时VT1,4流过电流ur负半周,桥臂2常通−若io0,uo=0时VD2、VT4流过电流;uo=−Ud时VD2,3流过电流−若io0,uo=0时VT2、VD4流过电流;uo=−Ud时VT2,3流过电流调制电路+dUrucu1VT2VT3VT4VT1VD2VD3VD4VDouRLCutOtOcuoudUouuruo1dU像这样由正弦波ur调制三角波载波uc而获得SPWM波的方法称为正弦脉宽调制法。一般将正弦调制波ur的幅值与三角载波uc的峰值之比定义为调制度a,亦称调制比或调制系数。显然,0a1。上述调制法在正弦调制波ur的半个周期内,三角波载波uc只在正极性或负极性一种极性范围内变化,所得到的SPWM波也只在单个极性范围内变化,故称为单极性SPWM控制方式。调制电路+dUrucu1VT2VT3VT4VT1VD2VD3VD4VDouRLCutOtOcuoudUouuruo1dU根据面积等效原理,还可以得到双极性SPWM控制方式:在正弦调制波ur的半个周期内,三角波载波uc有正有负,所得的SPWM波也有正有负。如右图所示,这时三角波uc和SPWM波形均有正负极性变化,但是正半周内,正脉冲较负脉冲宽,负半周负脉冲较正脉冲宽。utOtOcuoudUoudUuruo1调制电路+dUrucu1VT2VT3VT4VT1VD2VD3VD4VDouRLC调制电路+dUrucu1VT2VT3VT4VT1VD2VD3VD4VDouRLC双极性SPWM控制方式也是在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断,utOtOcuoudUoudUuruo1对各开关器件的控制规律如下:−当uruc时,给VT1,4导通信号,给VT2,3关断信号,uo=Ud−若io0,VD1,4流过电流;−若io0,VT1,4流过电流。−当uruc时,给VT2,3导通信号,给VT1,4关断信号,uo=−Ud−若io0,VD2,3流过电流;−若io0,VT2,3流过电流。utOtOcuoudUouuruo1dUutOtOcuoudUoudUuruo1对照上述两图可以看出,单相桥式电路既可采取单极性调制,也可采用双极性调制,由于对开关器件通断控制的规律不同,它们的输出波形也有较大的差别,单极性调制的SPWM波有±Ud和0三种电平,而双极性调制的SPWM波只有±Ud两种电平。在SPWM逆变器中,使用最多的是下图所示的三相桥式逆变器,这种电路一般都采用双极性控制方式。5VT2VT5VD2VD1VT4VT1VD4VD3VT6VT3VD6VDdUuvwNuiviwiuurvurwurcu电路调制LZLZLZ三相的SPWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号uru、urv和urw依次相差120ºu、v、w各相控制规律相同,下面以u相为例进行分析。Ot'vuN'uuNOtOt'wuNOtucuuruurvurw2dU2dUOt'vuN'uuNOtOt'wuN2dU2dU2dU2dU2dU2dUOtucuuruurvurw5VT2VT5VD2VD1VT4VT1VD4VD3VT6VT3VD6VD2dUuvwNuiviwi'N2dUuurvurwurcu电路调制LZLZLZ当uruuc时,给上桥臂VT1导通信号(下桥臂VT4关断)当uruuc时,给下桥臂VT4导通信号(上桥臂VT1关断)当桥臂1通时,uuN’=Ud/2,电流流过VT1还是VD1由iu方向决定;当桥臂4通时,uuN’=−Ud/2,电流流过VT4还是VD4由iu方向决定。v、w两相的控制方式与u相相同,如下图所示。输出线电压SPWM波由±Ud和0三种电平组成,输出相电压SPWM波由±2Ud/3、±Ud/3和0五种电平组成。由uuN’−uvN’和uuN’−(uuN’+uvN’+uwN’)/3可分别得出uuv和uuN的波形。uvuOtdUNuuOtOt'vuN'uuNOtOt'wuN2dU2dU2dU2dU2dU2dUOdU32dU3dU32dU3dUtucuuruurvurw5VT2VT5VD2VD1VT4VT1VD4VD3VT6VT3VD6VD2dUuvwNuiviwi'N2dUuurvurwurcu电路调制LZLZLZ当桥臂1、6通时,uuv=Ud;当桥臂3、4通时,uuv=−Ud;当桥臂1、3或桥臂4、6通时,uuv=0。uvuOtdUNuuOtOdU32dU3dU32dU3dUtucuuruurvurw5VT2VT5VD2VD1VT4VT1VD4VD3VT6VT3VD6VDdUuvwNuiviwiLZLZLZ也可用等效电路法直接得到线电压uuv和相电压uuN的波形。在双极性SPWM控制方式中,同一相上下两个桥臂的驱动信号是互补的。但实际上为了防止上、下两个桥臂直通而造成短路,留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。−死区时间的长短主要由功率开关管的关断时间决定。−死区时间会给输出的SPWM波形带来影响,使其偏离正弦波。3.SPWM的特点(1)既可分别调频、调压,也可同时调频、调压,都由逆变器统一完成,仅有一个可控功率级,从而简化了电路结构,使装置的体积小、重量轻、造价低、可靠性高。(2)直流电压可由二极管整流获得,交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压的大小和频率无关而接近1;如有数台装置,可由同一台整流器输出作直流公共母线供电。(3)输出频率和电压都在逆变器内控制和调节,其响应的速度取决于控制回路,而与直流回路的滤波参数无关,所以调节速度快,并且可使调节过程中频率和电压的配合同步,以获得好的动态性能。(4)输出电压或电流波形接近正弦,从而减少谐波分量。4.关于SPWM的开关频率SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外,几乎不含其它谐波,特别是接近基波的低次谐波。因此,SPWM的开关频率越高,谐波含量越少,即载波频率越高,SPWM波越接近正弦波。但是,SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外,开关器件工作频率提高,开关损耗和换流损耗会随之增加。另外,开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的du/dt或di/dt,会产生强的电磁干扰,还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压。
本文标题:电力电子技术(第2版)第5章c
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