变频电源制原理

变频电源制原理答辩人：指导老师：欧阳华斯电源双极性SPWMSPWM采用的调制波为频率为的正弦波：tUussmssinssf2载波是幅值为、频率为的三角波，载波信号频率与调制信号频率之比称为载波比，可以用来表示，即：scffp正弦调制信号以三角波信号的幅值之比可以定义为调制深度cmsmUUm通常采用比较方法生成PWM信号，由于在这种调制模式下每个开关周期内输出电压波形都会出现正负两种电平，因此叫双极性SPWM。单极性SPWM调制不适合半桥拓扑电路，而双极性SPWM在半桥、全桥电路中都有应用，本文就选用的是双极性SPWM控制信号去控制三相半桥逆变器的主开关通断。在工程上对于SPWM逆变器常采用电压平均值模型进行输出基波电压计算。当载波频率远远高于输出电压基波且调制深度m不大于1的情况下逆变器从输出电压基波幅值随着m线性变化。PWM基本原理与控制逆变过程需要控制开关管的动作模式，使得输出为波形为正弦波。设计采用的SPWM方法对开关管进行控制。在ROM中的PWM数据时离线计算，灵活性大。取得SPWM的方法是通过利用规则采样方法计算数据，准确地得到开关器件的导通、关断时间，其原理误差与存储数据时取整带来的误差相比可以忽略。计算程序的入口参数主要有3个，即载波频率、调制频率和调制度M，其中调制度代表预期的输出幅值。按SPWM基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，故工程应用不多。而规则采样发是一种工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。规则采样法原理如图所示，三角波两个周期值之间为一个采样周期，自然采样法中，脉冲中点不合三角波一周期中点重合，规则采样法使两者重合，即每个脉冲中点为相应的三角波中点，使计算大为简化。三角波负峰时刻对信号波采样取得D点，过D作水平线和三角波交与A、B点，在A点时刻和B点时刻控制器件的通断。脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近自然采样波形。通过实时计算生成电压SPWM需要数学模型，建立数学模型的方法有多种，比如谐波消去法、等面积法、采样型SPWM法以及他们派生出来的各种方法。本文介绍的生成SPWM波采用的是不对称规则采样法，不对称规则采样法是用阶梯波去逼近正弦波，每个载波周期内采样两次，既在三角波的顶点对称轴位置采样，又在三角波的底点对称轴位置采样，由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点不对称，故称其为不对称规则采样法，如图3-2-1所示。此法所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度大大提高，所以谐波分量的幅值更小，在实际中得到了较多的应用。规则采样法OADBTcO''AtBtDtrutt规则采样法的计算规则采样法计算公式推导过程如下。在正弦调制信号波公式中，a称为调制度，；为信号波角频率。因此可得：taurrsin三角波的一周期内，脉冲两边的间隙宽度为：2/22/asin1rcDTt对于三相桥逆变电路而言，通常三相的三角载波共用，三相调制波相位依次差120度，同一个三角波周期内三相调制波的脉宽分别是、和，脉冲两边的间隔宽度分别为、和，同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，得脉宽为：)sin1(2DrctaT由此得间隙宽度为：)sin1(4'DrctaT一个周期里面脉冲总宽度为：23cWVUT一个周期里面间隙总宽度为：43'''cWVUT死区时间对波形影响桥式电路是大量实际电路的基本结构，在理想状态下，每一个桥臂的上下开关管严格轮流导通和关断，但实际上开关管都有一定的上升和下降时间，为了防止开关管直通情况发生，触发信号都有一定的延迟。在输出电流滞后于输出电压情况下，死区时间降低了直流电压的利用率，使实际输出电压的基波相位超前于理想的基波电压，在输出电流滞后角度恒定的情况下，增加死区时间会降低实际输出电压的基波幅值，增加相位的超前角。逆变器模型如图3-2-1所示，三相逆变器采用半桥结构，在这种电路里面，直流母线作为输出的零线，输出为三相四线制。由于三相之间没有耦合关系，因而控制相对比较简单。由于三相半桥每一相都是独立的，相互之间没有耦合关系，因而可以把三相逆变器看作为三个输出电压相位依次差120度的三个半桥结构电路来分析。半桥结构电路如图3-2-2所示。三相逆变器主电路简化的单相半桥电路模型图中E为逆变器直流母线电压一半，S1、22为MOS开关管，L为滤波器电感、为电感等效内阻，C为滤波器电容、R为负载。在逆变电路控制模型中，参考正弦波和三角载波比较得到的脉冲去控制开关器件，由于开关状态不连续，分析时候采用状态空间平均法。状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内，用变量的平均值代替其瞬时值，从而得到连续的状态空间平均模型。E0oV2tsT逆变桥输出和经滤波后输出iVoV最大脉动电流在实际中影响滤波电感设计，在脉动电流特别大的情况下，电感设计要有讲究，磁性材料的选取在电感量一定的情况下要保证电感不饱和，磁损耗要小。滤波器参数SPWM逆变器的输出LC滤波器主要用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波，一个滤波器的性能优劣主要取决于它对谐波的抑制能力，具体要从THD值来分析，另外要尽量减少滤波器对逆变器的附加电流应力，电流应力增大，除了器件损耗及线路损耗加大外，也使功率元件的容量加大，但要求THD值较小与滤波器附加的电流应力往往相矛盾，实际的参数还要到具体线路里调节。下面从分析二阶滤波器的特性来设计滤波器。忽略电感的电阻及线路阻抗，滤波器的输出电压相对于逆变桥输出电压的传递函数为：22222111)()()(nnniossLCsRCsLCsVsVsG