正弦脉宽调制spwm技术的研究与仿真

正弦脉宽调制spwm技术的研究与仿真内容摘要：

(26) 则输出电压为    0 2 1 21 , 3, 5 14 1 c o s c o s s inp jjnjEU t n a n a n tn      (27) 输出电压基波分量 )(01tU 为    0 1 2 1 214 1 c o s c o s s inp jjjEU t n a n a n tn     (28)        21423 2 102 1 21si n si n2si n si n4 1 c os c osppaan aapjjjE n t d t E n t d tBE n t d t E n t d tE na nan            9 图 双极性 SPWM 控制方式波形 单极性调制和双极性调制的比较 双极性调制和单极性调制都通过调制波和载波比较，在交点处产生驱动信号。 改变调制波 rU 的幅值，则改变了调制正弦波和三角波的交点位置，可以调节矩形脉冲的宽度，从而改变输出交流电压的大小。 改变调制正弦波的频率 of ，使交流电的频率，也同时变化，因此调节调制波的频率和幅值就可以调节交流输出电压的大小和频率，调压和调频（ VVVF控制）同时在逆变器的控制中完成，不再需要调控直流电源电压，因此电压型 PWM控制的直流电源都采用不控整流器为直流电源。 为了反映载波和调制波的关系，定义调制比 M为调制波幅值和载波幅值之比： UUCmrmM （ 10 M ） 改变 M即调节了交流输出电压， M也称为调制度。 定义载波比 N（即频率比）为载波频率与调制波频率之比： ffrcN 载波比 N决定了一周期中组成输出交流电的脉冲个数。 单极性调制在输出交流半周期内只有单一极性的脉冲，因此输出电压（基波值）较高；双极性调制在输出交流的半周内有正负脉冲，因此输出电压（基波值）比较单极性较低，但是双极性调制灵敏度较高，使用也较多，可以证明双极性调制，如果载波比 N足够大，调制图 6 6u r u cuO tO tu ou ofu oUd U d 10 比 M  1 ， 则 基 波 电 压 幅 值 dm UMU 1 ， 输 出 交 流 电 压 基 波 有 效 值 为dm UMUU  ，而采用 0180 方波调制时输出交流电压基波有效值可以达到dUU  ，其中 dU 为直流电源电压。 采用 PWM 调制时，在输出电压中可以消除 (N2)次以下谐波， N 为载波比，因此除基波外，其最低次谐波为 (N2)次。 例如 N=15时最低次谐波为 13次谐波，而 15次谐波幅值最大，dd UUU  。 如果逆变器输出频率为 50 zH ，载波频率为 2 zkH ，则 N=40，这时可以消除 38次以下的谐波，而残存的高次谐波则较易滤除。 双极性调制同相上下桥臂的开关器件交替导通，较易产生直通现象，因此同相上下桥臂开关的关断和导通之间要有一定的时间间隔，称为“死区”，以确保不产生直通现象。 插入死区使输出电压波形产生一定的畸变，输出电压也略有降低，并使输出电压含有低次谐波，并且主要产生的是奇次谐波，而单极性调制则没有这个问题。 SPWM（正弦脉冲宽度调制） SPWM 的工作原理 PWM 的全称是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制） ，它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。 广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。 所谓 SPWM，就是在 PWM 的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。 它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的 UPS 就是一个例子。 三相 SPWM 是使用 SPWM 模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的 PWM 法 .前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：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。 SPWM 法就是以该结论为理论基础 ,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。 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。 的调制算法 完全按照模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇时刻，生成 spwm波形，称为自然采样法 (natural sampling)。 如图 24所示： 11 图 自然采样法原理图 图 自然采样法原理图 为使采样法的效果既接近自然采样法，没有过多的复杂运算，又提出了规则采样法。 其出发点是设法使 SPWM波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。 这样，将图 中的，计算就大大简化了。 在三角载波每一周期的负峰值找到正弦调制波上的对应点。 采样水平线与三角载波的交点位于正弦调制波两侧 ,脉宽生成误差 (与自然采样法比 )明显减小 ,所得 SPWM 波形也更准确。 图 规则采样法原理图 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 lH 一定是 6的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差 0120 ，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。 lH 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。 ACAT 1T 4 T 6T 3BT 5T 2dV21dV210( a ) 电路BC+1++1+V g1 T 1V g4 T 4V g6 T 6V g3 T 3cV+1+ V g2 T 2V g5 T 5参考波形成VR+rfcfoVoVrmV )( tVar)( tVbr)( tVcr( b ) 驱动信号图4 . 1 6 三相逆变器S P W M 控制原理( c ) 电压波形图tttt00000Cv0Bv0AvcrvbrvarvcvACAT 1T 4 T 6T 3BT 5T 2dV21dV210( a ) 电路BC+1++1+V g1 T 1V g4 T 4V g6 T 6V g3 T 3cV+1+ V g2 T 2V g5 T 5参考波形成VR+rfcfoVoVrmV )( tVar)( tVbr)(tVcr( b ) 驱动信号图4 . 1 6 三相逆变器S P W M 控制原理( c ) 电压波形图tttt00000Cv0Bv0Avcrvbrvarvcv 12 正弦波面积为  s2n n 1 2s1A = sin c o s c o sU td t U t t    输出频率 f 与区段数 lH ，每个区段脉冲数 N 及脉冲周期 usT之间的关系 6110lf H NT 。 13 3 三相逆变器 IGBT的功能简介 IGBT的动态特性分析 图 与 MOSFET的相似，因为开通过 程中 IGBT在大部分时间作为 MOSFET运行 CEu 的下降过程分为1fvt和 2fvt 两段。 1fvt—— IGBT中 MOSFET单独工作的电压下降过程； 2fvt ——MOSFET和 PNP晶体管同时工作的电压下降过程。 电流下降时间又可分为1fvt和 2fvt 两段。 1fvt—— IGBT内部的 MOSFET的关断过程， iC下降较快； 2fvt —— IGBT内部的 PNP晶体管的关断过程， ci 下降较慢 IGBT中双极型 PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而 IGBT的开关速度低于电力 MOSFET。 IGBT的特性和参数特点 (1)开关速度高，开关损耗小。 在电压 1000V以上时， 开关损耗只有 GTR的 1/10，与电力MOSFET相当。 (2)相同电压和电流定额时，安全工作区比 GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力。 (3)通态压降比 VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 (4)输入阻抗高，输入特性与 MOSFET类似。 (5)与 MOSFET 和 GTR 相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开特点。 三相 PWM逆变器的工作原理和结构电路 三相桥式 SPWM 逆变器电路 三相桥式逆变电路如图所示，图中应用 V1V6作为逆变开关，也可用其它全控型器件构成逆变器，若用晶闸管时，还应有强迫换流电路。 ttt1 0 %9 0 %1 0 %9 0 %UCEIC0O0UGEUG E MICMUCE Mtf v 1tf v 2to f ftontf i 1tf i 2td ( o f f )tftd ( o n )trUCE ( o n )UG E MUG E MICMICM 14 图 三相桥式 PWM 逆变器电路 从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此 VD1～ VD6称为续流二极管或反馈二极管。 在本设计中，逆变桥的 6 个 IGBT 是用 3 个Switch 开关代替，形成了逆变电路。 其中 Switch 开关会在后面的模块中详细介绍。 逆变器的工作原理 在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，。