【文章內(nèi)容簡介】 (26) 則輸出電壓為 ? ? ? ?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) 輸出電壓基波分量 )(01tU 為 ? ? ? ?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 圖 雙極性 SPWM 控制方式波形 單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制的比較 雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制都通過調(diào)制波和載波比較，在交點處產(chǎn)生驅(qū)動信號。改變調(diào)制波 rU 的幅值，則改變了調(diào)制正弦波和三角波的交點位置，可以調(diào)節(jié)矩形脈沖的寬度，從而改變輸出交流電壓的大小。改變調(diào)制正弦波的頻率 of ，使交流電的頻率，也同時變化，因此調(diào)節(jié)調(diào)制波的頻率和幅值就可以調(diào)節(jié)交流輸出電壓的大小和頻率，調(diào)壓和調(diào)頻（ VVVF控制）同時在逆變器的控制中完成，不再需要調(diào)控直流電源電壓，因此電壓型 PWM控制的直流電源都采用不控整流器為直流電源。 為了反映載波和調(diào)制波的關(guān)系，定義調(diào)制比 M為調(diào)制波幅值和載波幅值之比： UUCmrmM? （ 10 ??M ） 改變 M即調(diào)節(jié)了交流輸出電壓， M也稱為調(diào)制度。 定義載波比 N（即頻率比）為載波頻率與調(diào)制波頻率之比： ffrcN? 載波比 N決定了一周期中組成輸出交流電的脈沖個數(shù)。 單極性調(diào)制在輸出交流半周期內(nèi)只有單一極性的脈沖，因此輸出電壓（基波值）較高；雙極性調(diào)制在輸出交流的半周內(nèi)有正負脈沖，因此輸出電壓（基波值）比較單極性較低，但是雙極性調(diào)制靈敏度較高，使用也較多，可以證明雙極性調(diào)制，如果載波比 N足夠大，調(diào)制圖 6 6u r u cuO? tO? tu ou ofu oUd U d 10 比 M ? 1 ， 則 基 波 電 壓 幅 值 dm UMU ??1 ， 輸 出 交 流 電 壓 基 波 有 效 值 為dm UMUU ??? ，而采用 0180 方波調(diào)制時輸出交流電壓基波有效值可以達到dUU ? ，其中 dU 為直流電源電壓。 采用 PWM 調(diào)制時，在輸出電壓中可以消除 (N2)次以下諧波， N 為載波比，因此除基波外，其最低次諧波為 (N2)次。例如 N=15時最低次諧波為 13次諧波，而 15次諧波幅值最大，dd UUU ?? ?。如果逆變器輸出頻率為 50 zH ，載波頻率為 2 zkH ，則 N=40，這時可以消除 38次以下的諧波，而殘存的高次諧波則較易濾除。 雙極性調(diào)制同相上下橋臂的開關(guān)器件交替導(dǎo)通，較易產(chǎn)生直通現(xiàn)象，因此同相上下橋臂開關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通之間要有一定的時間間隔，稱為“死區(qū)”，以確保不產(chǎn)生直通現(xiàn)象。插入死區(qū)使輸出電壓波形產(chǎn)生一定的畸變，輸出電壓也略有降低，并使輸出電壓含有低次諧波，并且主要產(chǎn)生的是奇次諧波，而單極性調(diào)制則沒有這個問題。 SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制） SPWM 的工作原理 PWM 的全稱是 Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制） ，它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛地用于電動機調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動車電機調(diào)速就是使用這種方式。 所謂 SPWM，就是在 PWM 的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級一些的 UPS 就是一個例子。三相 SPWM 是使用 SPWM 模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的 PWM 法 .前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時 ,其效果基本相同。 SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ) ,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。 三角波變化一個周期，它與正弦波有兩個交點，控制逆變器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷各一次。要準確的 生成 SPWM 波形，就要精確的計算出這兩個點的時間。開關(guān)元件導(dǎo)通時間是脈沖寬度，關(guān)斷時間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時，這些時間也不同，但對計算機來說，時間由軟件實現(xiàn)，時間的控制由定時器完成，是很方便的，關(guān)鍵在于調(diào)制算法。調(diào)制算法主要有自然采樣法、規(guī)則采樣法、等面積法等。 的調(diào)制算法 完全按照模擬控制的方法，計算正弦調(diào)制波與三角載波的交點，從而求出相應(yīng)的脈寬和脈沖間歇時刻，生成 spwm波形，稱為自然采樣法 (natural sampling)。如圖 24所示： 11 圖 自然采樣法原理圖 圖 自然采樣法原理圖 為使采樣法的效果既接近自然采樣法，沒有過多的復(fù)雜運算，又提出了規(guī)則采樣法。其出發(fā)點是設(shè)法使 SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心線對稱。這樣，將圖 中的，計算就大大簡化了。在三角載波每一周期的負峰值找到正弦調(diào)制波上的對應(yīng)點。采樣水平線與三角載波的交點位于正弦調(diào)制波兩側(cè) ,脈寬生成誤差 (與自然采樣法比 )明顯減小 ,所得 SPWM 波形也更準確。 圖 規(guī)則采樣法原理圖 正弦波等面積算法的基本原理為 :將一個正弦波等分成 H 個區(qū)段，區(qū)段數(shù) lH 一定是 6的整數(shù)倍，因為三相正弦波，各項相位互差 0120 ，要從一相正弦波方便地得到其他兩相，必須把一個周期分成 6的整數(shù)倍。 lH 越大，輸出波形越接近正弦波。在每一個區(qū)段，等分成若干個等寬脈沖 (N)，使這 N 個等寬脈沖面積等于這一區(qū)段正弦波面積。采用這種方法既可以提高開關(guān)頻率，改善波形，又可以減少計算新脈沖的數(shù)量，節(jié)省計算機計算時間。 ACAT 1T 4 T 6T 3BT 5T 2dV21dV210( a ) 電路BC+1++1+V g1 T 1V g4 T 4V g6 T 6V g3 T 3cV+1+ V g2 T 2V g5 T 5參考波形成VR+rfcf?oVoVrmV )( tVar)( tVbr)( tVcr( b ) 驅(qū)動信號圖4 . 1 6 三相逆變器S P W M 控制原理( c ) 電壓波形圖t?t?t?t?00000Cv0Bv0AvcrvbrvarvcvACAT 1T 4 T 6T 3BT 5T 2dV21dV210( a ) 電路BC+1++1+V g1 T 1V g4 T 4V g6 T 6V g3 T 3cV+1+ V g2 T 2V g5 T 5參考波形成VR+rfcf?oVoVrmV )( tVar)( tVbr)(tVcr( b ) 驅(qū)動信號圖4 . 1 6 三相逆變器S P W M 控制原理( c ) 電壓波形圖t?t?t?t?00000Cv0Bv0Avcrvbrvarvcv 12 正弦波面積為 ? ?s2n n 1 2s1A = sin c o s c o sU td t U t t? ? ? ???? 輸出頻率 f 與區(qū)段數(shù) lH ，每個區(qū)段脈沖數(shù) N 及脈沖周期 ??usT之間的關(guān)系 6110lf H NT ??。 13 3 三相逆變器 IGBT的功能簡介 IGBT的動態(tài)特性分析 圖 與 MOSFET的相似，因為開通過 程中 IGBT在大部分時間作為 MOSFET運行 CEu 的下降過程分為1fvt和 2fvt 兩段。1fvt—— IGBT中 MOSFET單獨工作的電壓下降過程； 2fvt ——MOSFET和 PNP晶體管同時工作的電壓下降過程 。 電流下降時間又可分為1fvt和 2fvt 兩段。1fvt—— IGBT內(nèi)部的 MOSFET的關(guān)斷過程， iC下降較快； 2fvt —— IGBT內(nèi)部的 PNP晶體管的關(guān)斷過程， ci 下降較慢 IGBT中雙極型 PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而 IGBT的開關(guān)速度低于電力 MOSFET。 IGBT的特性和參數(shù)特點 (1)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓 1000V以上時， 開關(guān)損耗只有 GTR的 1/10，與電力MOSFET相當。 (2)相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比 GTR 大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。 (3)通態(tài)壓降比 VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。 (4)輸入阻抗高，輸入特性與 MOSFET類似。 (5)與 MOSFET 和 GTR 相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開特點。 三相 PWM逆變器的工作原理和結(jié)構(gòu)電路 三相橋式 SPWM 逆變器電路 三相橋式逆變電路如圖所示，圖中應(yīng)用 V1V6作為逆變開關(guān)，也可用其它全控型器件構(gòu)成逆變器，若用晶閘管時，還應(yīng)有強迫換流電路。 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 圖 三相橋式 PWM 逆變器電路 從電路結(jié)構(gòu)上看，如果把三相負載看成三相整流變壓器的三個繞組，那么三相橋式逆變電路猶如三相橋式可控整流電路與三相二極管整流電路的反并聯(lián)，其中可控電路用來實現(xiàn)直流到交流的逆變，不可控電路為感性負載電流提供續(xù)流回路，完成無功能量的續(xù)流和反饋，因此 VD1～ VD6稱為續(xù)流二極管或反饋二極管。 在本設(shè)計中，逆變橋的 6 個 IGBT 是用 3 個Switch 開關(guān)代替，形成了逆變電路。其中 Switch 開關(guān)會在后面的模塊中詳細介紹。 逆變器的工作原理 在三相橋式逆變電路中，各管的導(dǎo)通次序同整流電路一樣，