1、14.2 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.2.1 單相電壓型逆變電路4.2.2 三相電壓型逆變電路4.2.3 SPWM控制技術4.2.4 電壓型逆變電路的應用2SPWMSPWM法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。它有如下主要優點： PWM實現起來比較方便，可以模擬或用數字來實現； 可以大大降低輸出諧波含量，尤其是低頻紋波，它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置，諧波頻率較高，因此濾波器設計容易，實現成本較低； 對于多電平變換器，調制比可以在所有的工作范圍內變化； 在載波中注入合適零序列，可以較好地平衡中點電位。3采樣控制理論中一個重要結論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性

2、的環節上時，其效果基本相同沖量 窄脈沖的面積效果基本相同 環節的輸出響應波形基本相同u如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異4u將圖4-10a）的正弦波分成N個比此相連的脈沖序列所組成的波形，這些脈沖寬度相等，為/N，但幅值不等，各脈沖幅值按正弦規律變化圖4-10 用PWM波代替正弦半波u如將脈沖序列用相同數量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應的正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積相等，得圖4-10b）脈沖序列，即PWM波形5脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形SPWM波形SPWM波形等幅PWM（直流電源產生）

3、不等幅PWM（交流電源產生） 直流斬波電路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波uotOut6正弦脈寬調制方法的分類正弦脈寬調制的方法很多，但沒有統一的分類方法。比較常見的分類方法如下:v根據載波信號和調制信號的頻率之間的關系：v根椐調制脈沖的極性：71) 異步調制和同步調制載波比載波頻率f fc c與調制信號頻率fr之比，NN= = fc / fr載波和信號波是否同步及載波比的變化情況異步調制PWM調制方式分為同步調制81. 異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式控制相對簡單保持fc fc固定不變固定不變，當fr變化時，載波比載波比NN變化變化在信號波的半周期內，PW

4、M波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱載波比N愈大，則半周期內調制的SPWM波形脈沖數愈多，正負半周期脈沖不對稱和半周內前后1/4周期脈沖不對稱的影響愈小，輸出波形愈接近正弦波92. 同步調制載波比載波比NN等于常數等于常數，在變頻時使載波與信號波保持同步的調制方式同步調制方式中，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數是固定，脈沖相位也是固定的正負半周的脈沖對稱，沒有偶次諧波，而且半個周期脈沖排列其左右也是對稱的，輸出波形等效正弦波。同步調制方式效果比異步調制方式好，在實際中較多應用同步調制方式載波比N等于常數，多大合適？10l當逆

5、變電路輸出頻率很低時，fc也很低， fc過低時由調制帶來的諧波不易濾除l當逆變電路輸出頻率很高時，同步調制時的載波頻率fc會過高，使開關器件難以承受當逆變器輸出頻率范圍很寬時，如何確定載波比？113. 分段同步調制同步式調制和異步式調制的結合把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段的N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高，能在功率開關器件所允許的頻率范圍內在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低而對負載產生不利影響122)單極性與雙極性正弦脈寬調制在調制信號的正半周或負半周內，對應的SPWM波形也只有相應的正極性或負極性脈沖在調制信號的正半周

6、或負半周內，對應的SPWM波形有正負兩種極性的脈沖圖6-6urucuOtOtuouofuoUd- UdQ:若增大SPWM逆變器的輸出電壓基波頻率，改變fr或fc的頻率？表示uo的基波分量13圖4-11 單相橋式PWM逆變電路t u0正半周，正半周，V1通，通，V2斷：斷： 當當V4通，通，V3斷，斷，uo=Ud 當當V4斷，斷，VD3通，通，uo=0 tu0負半周，負半周，V1斷，斷，V2通：通： 當當V3通，通，V4斷，斷，uo=Ud當當V3斷，斷，VD4通，通， uo=0先討論單極性調制方法的實現先討論單極性調制方法的實現（單相橋式（單相橋式SPWM電壓型逆變電路）電壓型逆變電路）如何控制

7、如何控制4個開關管在個開關管在輸出端得到輸出端得到SPWM波形波形?14圖4-12 單極性PWM控制方式波形t 調制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在負半周為負正極性的三角波,在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷.tur正半周，V1通，V2斷 當uruc時使V4通，V3斷，uo=Ud當uruc時使V4斷，VD3通，uo=0 t Ur負半周，V1斷，V2通 當uruc時使V3斷，VD4通， uo=0表示uo的基波分量單極性單極性PWM控制方式控制方式（單相橋逆變）（單相橋逆變）信號波信號波載波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRL

8、uruc+ +- -如何產生開關管的控制信號如何產生開關管的控制信號?V1和和V2按照正弦信號極性控制按照正弦信號極性控制,V3和和V4按照按照SPWM方式交替通斷方式交替通斷.15圖4-13 雙極性PWM控制方式波形雙極性雙極性PWM控制方式控制方式（單相橋逆變）（單相橋逆變）l 在ur的一個周期內，輸出的PWM波有Ud兩種電平l 同樣在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關器件的通斷信號波信號波載波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc16圖4-13 雙極性PWM控制方式波形l 當當ur uc時，控制時，控制V1和和V4通，通，V2和和V

9、3斷斷 如io0，則V1和V4通， 如io0，VD1和VD4通， 不管哪種情況uo=Ud信號波信號波載波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc+ +- -雙極性雙極性PWM控制方式控制方式電流流向電流流向l當當uruc時，控制時，控制V2和和V3通，通，V1和和V4斷斷 如io0，VD2和VD3通， 不管哪種情況uo=-Ud172 2 三相橋式三相橋式SPWMSPWM逆變電路逆變電路 雙極性雙極性PWMPWM控制方式控制方式（三相橋逆變）（三相橋逆變）圖4-14 三相橋式PWM型逆變電路 lU、V和W三相的PWM控制通常共用三角波載波uc，三相的調制

10、信號urU、urV和urW依次相差120l 當urUuc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，則uUN=Ud/2l 當urUuc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，則uUN=-Ud/218圖4-15 三相橋式PWM逆變電路波形 l 逆變器輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構成l 負載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成 195 SPWM5 SPWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析PWM逆變電路使輸出電壓輸出電流接近正弦波使用載波對正弦信號波調制，也產生和載波有關的諧波分量諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一20圖4-22 單相PWM橋式逆變電路輸

11、出電壓頻譜圖w包含的諧波角頻率為式中n=1,3,5,時，k=0,2,4, n=2,4,6,時，k=1,3,5, w PWM波中不含低次諧波，只含c及其附近的諧波以及 2c、3c等及其附近的諧波21實現SPWM的方法主要：v硬件調制法v軟件生成法v特定諧波消去法221） 硬件調制法l其實現方法簡單，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻控制開關器件的通斷，以生成SPWM波。l模擬電路難以實現精確的控制232） 軟件生成法v軟件生成法直接根據面積等效原理或模擬硬件調制法生成SPWM波形v主要算法有面積等效法、自然采樣法和規則采樣法,特定諧波消去法.2

12、4 根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形.l優點：此方法可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻，其所得的波形很接近正弦波l缺點：計算繁瑣，占用內存大25 按照SPWM控制的基本原理， 在正弦波和三角波的自然交點時刻 控制功率開關的通斷 正弦調制信號波式中，正弦調制信號波式中， M M稱為稱為調制系數調制系數，0M1；tMurrsinl 優點：所得SPWM波形接近正弦波l 缺點：脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣；難以在實時控制中在線計算，工程應用不多 則第n個脈沖寬度為 26規則采樣法工程實用方法，是對自然采

13、樣法的改進，效果接近自然采樣法，計算量比自然采樣法小得多l 取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tcl 使脈沖中點 和三角波一周期的中點（即負峰點）重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化l 優點：計算簡單，便于在線實時運算27圖4-16 特定諧波消去法的輸出PWM波形 在輸出電壓半周期內，器件通、斷各3次（不包括0和），共6個開關時刻可控首先，為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期鏡對稱，即(4-30)又稱低次諧波消去法，是一種較有代表性的計算方法。l優點: 可以很好地消除所指定的低次諧波。l缺點: 剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大；計算復雜。 28目前，實現產生S

14、PWM波形的電路有：（1）分立元件和集成運放構成的模擬控制電路；（2）專用模擬集成脈寬調制器如SG3524、SG3526、TL494 等；（3）與八位或十六位單片微機配套使用的專用SPWM數字信號發生器，如英國的HEF4752、荷蘭的MKII、日本的MB63H110 以及西門子公司的SLE4520 等；（4）用單片機、數字信號處理器等微處理器產生的數字SPWM電路。 微處理器的速度和精度不斷提高，數字化SPWM方法發展迅速。294.2.4 電壓型逆變電路的應用30 電壓型逆變電路的應用十分廣泛，本節介紹兩個電壓型逆變電路的應用實例:開關電源開關電源原理與設計原理與設計變頻器變頻器31優點：精度高，性能穩定，電壓紋波小優點：精度高，性能穩定，電壓紋波小缺點：效率低，功耗大，體積大，大功率時需散熱片缺點：效率低，功耗大，體積大，大功率時需散熱片 調整管工作在線性放大狀態 調整管損耗大 工頻變壓器體積大,重量大32優點：效率高，功耗小，體積小，重量輕優點：效率高，功耗小，體積小，重量輕缺點：電