（电力电子与电力传动专业论文）智能数字发电机中的逆变模块的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 w i t i tt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec h i n e s ee c o n o m y e l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o na l s or i s e s s h a r p l y m a n yc o m p a n i e sa n df a m i l i e sh a v et h e i ro w ng e n e g a t o rf o rc o n v e n i e n c e b u tf a c e st h e s m a l lp o w e ts o u r c ew h i c ht h ef a m i l ya n di sa d v a n t a g e o u sf o rc a r r i e sa tp r e s e n tt h ed o m e s t i c m a r k e tm a i n l ya l li sf r o mt h eo v e r s e a si m p o r t a l o n gw i t ht h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o n t r o l s p e c i a l - p u r p o s ed s pa p p e a r a n c ea n dt h e e n n t r o lt h e o r yu n i v e r s a ld e v e l o p m e n t ，c a u s e dt h e c o n t r a v a f i a n tp w e rs o u r c et h ec o n t r o lt e c l m o l o 盯1 0f a c et h ee n t i r ed i 西t i z e d ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e d d i r e c t i o ni sd e v e l o p i n g , i n v e r t st h ep o w e rs o u r c en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yt oh a v eab i gl e a p t h i sp a p e rr e s e a r c ht o p i cp r o j e c ti sn e e d st od e v e l o pf a c i l e l y , r e l i a b l e , o u t p u tv o l t a g es t a b l e g r e e n e a s yt oo p e r a t eq u i c kn e wa c - d c a ci n v e r s i o np o w e rs o u r c e t h i sa r t i c l ef i r s to nt ot h et o p i cb a c k g r o u n d t h et o p i co b j e e tb a s i cs u r v e ya n dt h et o p i c r e s e a r c hg o a lh a sg i v e nb r i e fs h o w i n g t h e nh a sm a d ead e t a i l e de l a b o r a t i o nt ot h ea ( d d a c i n v e r s i o np r i n c i p l eo fw o r k e m p h a t i c a l l yh a sa n a l y z e db a s e do nt h ea c - d g a ci n v e r s i o nc o n t r o l p r i n c i p l ea sw e l la st h es p w mp r o f n es e v e r a lp r o d u c t i o n sm e t h o d t h e na n a l y z e dh a sc o m p a r e dt h ec o n t r a v a r i a n tc o n u o l l e rc o n t r o ls e a t e g y , i ne s t a b l i s h e di n t h es p w mi n v e r s i o nl i n e a r i z a t i o nm o d e lf o u n d a t i o nt oa n a l y z et h en e c e s s i t yw h i c hd o u b l e - c i r c l e c o n t r o l l e d a n di n c o n t r o l l e di nt h el i n l ct oi n t r o d u c et h ep i da d j u s t m e n t e n h a n c e dt h ec o n t r o lt h e d y n a m i cr e s p o n s ea b i l i t va n dt h es y s t e ms t a b i l i t y , e n h a n c e d t h ep o w e ts o u r c et h el o a d c o m p a t i b i l i t ya n dt h eo u t p u ts t a b i l i t y f i n a l l yt h i sa r t i c l eh a sp r o d u c e dt h ee n t i r ec o n t r a v a r i a n tc o n t r o l l e rh a r d w a r ed e s i g na n dt h e s o f t w a r ed e s i g n a tp r e s e n t ，t h en u m e r i c a lc o n t r o li sc o n t r o l st h ed o m a i nt h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c y , t h e r e f o r ei nt h ec o n c r e t ec o n t r o h e dp r o c e s s t h i sa r t i c l ef u l l yh a sa l s ou t i l i z e dt h ed i # m l c o n t r o lm o d e t h eh a r d w a r ep a r t i a l l yd i v i d e si n t ot h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o lc i r c u i tt w op a r t s t h i sa r t i c l ed e t a i l e de l a b o r a t i o nb a s e do nt ic o r p o r a t i o n sd s pc h i pc o n t r o lc i r e n i td e s i g n t h i s s y s t e ms o f t w a r ed e s i g nm a i n l yb yt h et m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7i n i t i a l i z a t i o n ，t h ei n t e r r u p ts e r v i c ea n dt h e c o n t r o la l g o r i t h mr e a l i z a t i o na n ds oo ns e v e r a lp a r t si sc o m p o s e d f i n a l l yt h ew o r kw h i c hd o e st ot h et o p i cd o e si nt h ea r t i c l ef i n a l l ys u m m a r i z e s , a n dp r o p o s e d o w nv i e wa n dt h er e q u e s tt ot h en e x ts t e po fr e s e a r c h k e yw o r d s ：a c - d c - a ci n v e r s i o n s p w md s pp ic o n t r o l 4 武汉理- l = 大学硕士学位论文 1 1 项目背景 第一章绪论 随着国民经济的快速发展，工农业用电的需求急剧增加。而且在许多场合， 比如在野外，航海以及各种生产场合都要保证用电的连续和稳定，但是在目前电 力的供应和使用存在着一定的供需差距，为了保证用电连续和方便，许多企业和 家庭用户都自备有发电机作为应急电源。如何给用户和设备提供高质量和稳定输 出的后备电源以成为电工领域的一个重要课题。 基于汽油发电机的逆变电源正是基于这种需要而产生的，它可以在市电供应 不足或故障情况下为负载提供稳定、可靠的电源，因此越来越受到人们的关注。 逆变器单元把由汽油发电机产生的电能整流滤波后得到的直流电重新变换成频 率非常稳定、输出电压受负载影响小、波形畸变因数满足负载要求的交流电。它 是整个供电系统的核心部分，其控制系统设计的好坏在很大程度上决定了供电系 统输出电压的质量。早期的逆变电源只需要输出不断电、稳压、稳频即可，然而， 由于现在的用电设备的日益精密，所以电源不但需要输出电压稳定，输出频率精 确，而且要求其电源的动态响应速度快，另外还必须环保无污染。在未知负载下， 输出电压的低失真和快速响应成为高性能逆变电源的两项重要指标。传统的控制 技术和控制电路的局限性使得逆变电源不能满足越来越苛刻的用户要求。在此基 础上我们要设计和研制出能够满足用户要求的应急电源的逆变模块。 目前大多数汽油发电机的逆变模块都是采用交一直一交的变频方式，该方式 具有控制方便，对软件控制要求不高等优点。本课题所研究设计的是一种需要大 批量生产和便于携带的汽油发电机电源模块，采用交一直一交变频方式，为生产 商节省了较大的硬件成本，同时也为用户提供了良好性价比的产品。在人民生活 水平日益提高的今天，该产品为大家生活带来了很大的方便。而且随着现代电力 电子技术的发展，更高性能的微处理芯片和外围芯片层出不穷，加上一些更先进 的数字控制理论及综合控制理论的不断涌现，为电力电子控制技术提供了新的思 路，使得以前一些不可能实现的控制方法成为可能，可以很好的满足生产实践的 需要。 论文重点论述了电源逆变器设计和研究，设计了基于d s p 的智能电源系统。 着重研究了逆变器的控制策略和系统的软硬件设计。本章着重阐述选题的目的以 及逆变电源技术概况和发展趋势。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 逆变器技术概况 1 2 1 逆变器概论 a c d c - a c 变换电路简称逆变电路，它能够实现直流电能和交流电能之间 的转换，在应用中构成静止式交流电源装置。逆变器中的能量转换过程是：输入 的工频交流电经过整流电路成为直流电，这一过程为a c d c 转换，直流电通过 逆变电路变为交流信号，其基波频率是逆变电源的输出频率，该信号经过输出变 压器隔离，在由l c 滤波器滤波成为正弦波，这一过程为d c a c 过程，这整个 能量转换，传递过程通常表示为a c d c - a c 。在我们的电源系统中，逆变器及其 控制是电源的核心。 逆变电路迄今为止发展了多种电路，按输出电压的相数分，可以分为单相和 三相逆变电源。按照直流侧滤波器的形式，逆变器可分为电压源和电流源两类， 前者直流端并联大电容，它既抑制直流电压纹波，减低直流电源内阻，使直流侧 近似为恒压源，另一方面又为来自交流侧的无功电流流传提供通路。后者在直流 侧串联大电感，它既抑制直流电流纹波，使直流侧近似为恒流源，另一方面为来 自逆变侧的无功电压分量提供支撑，维持电路间电压平衡，保证无功功率的流传， 这两者的电路性能有很大不同。 1 2 2 电源逆变器的发展概况 应急电源本身是集数字与模拟电子技术、通讯技术、电力电子技术、微处理 器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。国外起步较早，产品种类也比较 齐全，从几百伏安的小型单相应急电源直至数千k v a 的大型供电机组的三相应 急电源产品。我国从7 0 年代开始引进国外的应急电源设备，主要应用高层建筑、 钢铁行业、邮电通讯、石油化工、化肥化纤、国防和科研等部门。1 9 7 5 年我国 开始自行研制单相和三相的应急电源产品。但是产品技术性能不高，多为传统模 拟式。因此国内应急电源用户使用进口产品很多，这使得应急电源用户在使用与 维护等方面有许多不便，而且进口产品价格昂贵。 传统应急电源由于多为模拟控制或者模拟和数字相结合的控制系统，其结构 复杂、体积庞大、集成化程度低且价格昂贵。随着高速廉价的电机控制专用单片 机和数字信号处理器d s p 的出现，数字化应急电源的实现已经成为可能。全数 字化更易实现计算机的处理和控制，避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散 信号的干扰，便于修改控制策略、控制参数，也便于故障检测、自诊断、容错、 通信等技术的移植。另外，全数字化应急电源大幅度减少了零件的数量，从而大 8 武汉理工大学硕十学位论文 大降低了因元件而造成的系统故障，提高了可靠性。随着将网络通讯和电源监控 软件调控技术完善结合起来而形成的智能化应急电源成为一种趋势。 1 2 3 电源逆变器的发展趋势 电力电子技术的发展为逆变器的控制技术提供新的思路。现在大多数用户希 望应急电源能满足各种不同负载的要求( 如非线性负载、三相不平衡负载) ，同时 又拥有很高的可靠性的以及能具备多种智能功能。而传统的模拟技术很难实现这 些，这就使得数字技术成为一个必然的趋势。 模拟控制技术的优点在于响应速度快，应用方式成熟，有比较规范的开发设 计方法。但它存在着许多的缺点，比如各个元件之间复杂的连接，元件质量的差 异、老化和不可补偿的温漂问题，容易受到外界的干扰。对于新型的控制方法用 模拟系统来实现则显得过于复杂。 采用高速数字微处理器来实现控制算法，能较好的解决上述问题，抗干扰能 力也大大增强。同时能简化控制电路的设计、减少器件的数目、降低成本，极大 的缩短了开发时间。在当今竞争激烈的市场上，这一点尤为重要。 目前，基于微处理器的逆变器控制的电源产品己经出现在市场上。它们采用 不同的处理器，数字化程度也不尽相同。自9 0 年代以来，随着数字信号处理技 术的高速发展，d s p 的应用范围得到了极大的扩展。目前它也在电力电子控制领 域占据了一定的地位。因为d s p 拥有一系列独特的优点，比如高速的运算内核、 专用的硬件乘法器、指令的流水线操作、强大的数据吞吐能力、单周期运行指令 使得它在电力电子领域逐步取代了一般的微处理器。d s p 技术的高速发展和d s p 应用的普及，为电源控制系统的设计提供了一个很好的选择。这项技术在国内刚 刚起步，是一项前景广阔的新技术，必将得到越来越广泛的应用。 1 3 本文研究的目的 我们所提出本研究课题项目就是要设计和研究出轻便，可靠，输出电压稳定 的绿色的新型能源。所得到的逆变电源应有如下功能： ( 1 ) 频率变换功能，可以将输入电压的频率变成需要的频率。 ( 2 ) 电压变换功能，可以将输入电压变换成需要的电压。 ( 3 ) 隔离功能，将瞬问间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电 网干扰阻挡在负载之前，既可使负载对电网不产生干扰，又可使电网中的干扰不 影响负载。 虽然目自 f 逆变电源技术已经比较成熟，但是其逆变器部分输出波形的控制大 9 武汉理工大学硕士学位论文 多还是采用模拟电路。传统的模拟控制的局限性为： ( 1 ) 控制电路复杂，使用元器件多，因器件特性差异造成各电源的一致性 不好； ( 2 ) 设计工作量大，周期长，而且调试不方便； ( 3 ) 因硬件实现的局限性，控制方式仅能采用p i d 调节等方法，使得性能 还有提高的余地。所以全数字的逆变电源就成为必然的发展趋势。 由于逆变电源的系统很复杂，涉及的方面也很多。我在下面的文章和研究中 涉及以下几个方面的部分内容： ( 1 ) 系统的硬件设计，包括功率电路和控制电路，以及检测和保护电路。 ( 2 ) 控制方案设计：在逆变的控制中采用p i d 方案。 ( 3 ) 系统的软件设计流程和编程要点。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第二章a c d c - a c 逆变器的基本原理 2 1 a c d c - a c 逆变器的工作原理 我们的a c - d c a c 逆变电源系统中，主电路主要包括a c d c 整流部分和 d c - a c 逆变部分。电流的变换过程是由交流通过整流变换成直流，紧接着直流 会经过调制手段变换成频率和电压达到负载要求的交流电，所以在这个过程中就 涉及到上面所讲的整流器和逆变器，本文接下来就对这两个部分分别叙述。本文 的主要研究对象是逆变部分。 2 2 整流电路 a c d c 电路变换电路是指能够直接将交流电能转换为直流电能的电路，泛 称整流电路。 根据直流输出电压平均值是否连续可调，所有整流电路分为不可控和可控两 大类，组成主电路功率器件可由半可控器件( s c r ) 和全可控器件组成，由于 s c r 无自关断能力，必须依靠电源换流方式关断，一般采用相控方式实现电压 调节，而全可控器件则采用p w m 控制。 整流器的主控电路如图2 1 ： 8 2 0 v ，“ k a * 3 扛l c i 图2 1 整流器的主控电路 整流器的主控电路如图2 2 三相交流电源经过e m c 滤波器( l 1 ”) 消除 或抑制了现场强的电磁干扰和火花干扰后，通过热敏电阻( r t1 r t 3 ) 实现限 流。其工作原理是将电阻值较低的p t c 热敏电阻放入电源电路中，电压降、功 武汉理- 大学硕士学位论文 耗都很少，而当有过大的异常电流流过时，因为p t c 热敏电阻自身的发热使其 阻值迅速增加变为大电阻，从而实现限流作用；同样p t c 热敏电阻构成的过电 流保护电路具有复原的特性，解除发生过电流的原因后即可恢复到原来的电阻 值，无需像电流保险丝那样进行更换。 在整流之前，输入端的各相之间接有压敏电阻y 1 y 3 。它和热敏电阻都是用 来实现电网瞬时过压的保护作用。压敏电阻是一种非线性电阻，它对外加电压十 分敏感，外加电压的微小变动，压敏电阻的阻值会发生明显的变换，它具有类似 稳压管的非线性特性。在正常工作时( 外加电压低于临界电压值) ，压敏电阻呈现 高阻态，仅有微安数量级的漏电电流流过压敏电阻，相当于开路。当电压过压时 ( 电压超过临界值以上) 时，压敏电阻迅速变为低阻值，相应时间为毫微秒数量级， 电流急剧上升，电阻值急剧下降，过电压以放电电流被压敏电阻吸收掉，相当于 过压部分被短路。当浪涌过压后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢 复到高阻状态。 在本系统中三相交流电是由汽油发电机所产生，但是，汽油发电机输出的是 频率和电压都与市电不同的三相交流电，电压和频率的值比较高，经过整流后， 直流电再经由d c a c 变换来调压和变频。 2 3 逆变电路 逆变的直接功能是将直流变换成交流电。逆变系统的核心就是逆变开关电 路，或者逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力电 子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号 来调节，产生调节脉冲的电路通常称为控制电路。除了逆变电路和控制电路之外， 还要有一保护电路、辅助电路、输入电路、输出电路等等，如图2 2 所示。 图2 2 逆变系统结构 武汉理工大学硕七学位论文 目前，现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电 压型逆变电路：直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压 源型逆变电路和电流源型逆变电路，下面将对两者作简单的分析比较。 一个电流源型变流器基本上是电压源型变流器的对偶。通过增加电流反馈环 节，一个电压源型变流器能够工作在电流控制模式下。类似地，一个电流源型变 流器也能工作于电压控制模式。但是，我们对于电压源型和电流源型变流器的定 义是基于直流电源( 或连接) 是电压源还是电流源。下面给出了对两类变流器的全 面比较： ( 1 ) 在一个电流源型变流器中，逆变器和负载之间的相互影响更多，因此， 逆变器和电动机需要紧密的匹配。例如，与电压源型逆变器不同，电流源型逆变 器希望面对一个低漏感负载，因为这个参数直接影响逆变器换相的过程。一个电 动机的大的漏感可以滤掉电压源型变流器中的谐波，但是对于电流源型变流器， 大的漏感延长了换相的时间，限制了基波以及p w m 频率。对于一个a s c i 逆变 器来说，大电感可能引起数倍于电动机反电动势峰值的电压尖刺； ( 2 ) 电流源型交流器本身具有四象限运行能力而不需要任何额外的电力电子 器件；而另一方面，一个电压源型变流器系统在电网侧需要附加一个再生变流器。 在6 0 h z 电源故障时，电流源型变流器回馈的能量不能被电网吸收，因此，电动 机只能通过机械制动来减速。但对于一个电压源型变流器系统，直流环节上的动 态制动在电网故障的情况下仍然能够起到制动作用； ( 3 ) 电流源型变流器系统更为可靠，不存在击穿故障。负载瞬间短路和晶闸 管的误触发都是可以接受的。由驱动电路来切除故障是简单可行的； 在电流源型系统中器件必须对称承压，而不像电压源型系统中的非对称 承压器件( 带旁路二极管) 。由于换相时间取决于外围电路，器件工作比较慢； ( 5 ) 电流源型变流器的动态响应与p w m 电压源型变流器相比较为迟缓。一 个电流源型变流器不能开环运行，而开环的压频比控制对电压源型系统是很普遍 的； ( 6 ) 电流源型变流器需要连接一个最小负载才能正常运行。这种缺陷限制了 它在很多领域中的应用。反之，电压源型变流器很容易在空载情况下运行； ( 7 ) 从总的成本、效率和暂态响应上来看，电压源型p w m 变流器系统更具有 优势。这可以从它广泛的应用中得到证明。 通过上述的比较分析，鉴于本文的要求，特选用电压源型逆变器。 逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等。中小容 量逆变电源多采用半桥式逆变器结构，结构简单，控制方便。中大容量逆变电源 武汉理- f ：大学硕士学位论文 一般采用全桥式和推挽式逆变器结构。为了滤除高次谐波，逆变桥后级均接有 l c 滤波器。小容量逆变电源因为输出容量小，电压和电流不大，因此开关器件 多选用m o s f e t 管，大容量正弦波输出的逆变电源因其电压电流一般都比较大， 因此多采用i g b t 作为的开关器件。 如图2 3 所示单相全桥逆变器的主电路 图2 3 单相全桥逆变器的主电路 翼 本文电路选用全桥式结构，带有输出隔离变压器的主电路形式，并采用1 g b t 作为开关器件。主电路图如图2 3 所示。控制技术采用正弦脉宽调锖, j ( s p w v o 。 2 4s p w m 控制逆变器 p w m 逆变器通过控制开关器件产生一系列等幅( 可正可负) 、不等宽的恒频 脉冲来逼近标准正弦波，再采用滤波网络滤除该脉冲列中的高频成分，获得正弦 度较高的输出。p w m 技术大多基于傅立叶周期信号分解理论，预见性好，且原 理直观，便于实现。p w m 逆变器具有系统简洁、技术成熟、动态响应快及适应 性强等显著优点，因而应用极为广泛。随着数字技术的发展，p w m 技术还有着 广阔的发展空间。 2 4 1p w m 控制技术 逆变器的脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 是用一种参考波( 通常 是正弦波，有时也用梯形波或方波等1 为“调制波”( m o d u l a t i o nw a v e ) ，而以n 倍于调制波频率的正三角波( 有时也用锯齿波) 为“载波”( c a r r i e rw a v e ) 。由于正 三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以 得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制 波。用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交 流电，这种技术就叫脉宽调制技术。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的 脉冲宽度按j 下弦函数规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制( s 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p w m l 技术。 随着逆变器在交流传动、应急电源和有源滤波中的广泛应用，以及高速全控 开关器件的大量出现，p w m 技术已成为逆变技术的核心，因而受到了人们的高 度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于p w m 技术和数字处理器d s p 的开 发应用，到目前为止仍有新的p w m 方式在不断出现。 到目前为止，在各种p w m 技术中，正弦脉宽调制( s p w m ) 在各应用中仍占 有主导地位，随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展， p w m 变频技术也获得了飞速发展，目前主要有三种形式：基于正弦波对三角波 脉宽调制的s p w m 控制、基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制和电压空问矢量 s v p w m 控制。其中，基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制技术属于电流型控制 技术。 2 4 2 正弦脉宽调制( s p w m ) 控制技术 电压s p w m 是最典型的p w m 技术，用需要输出的正弦信号作为调制波， 用高频三角波作为载波，控制逆变器一个桥臂的上、下两个开关管导通与关断。 如果在半个正弦周期内，只有上( 下) 桥臂的开关管反复通断，下( 上) 桥臂开关管 不动作，则称为单极式s p w m 。如果在整个周期内，上、下桥臂的开关管交替 导通与关断，即在上通下断和上断下通的状态反复切换，则称为双极式s p w m 。 图2 4 中给出了双极式s p w m 的原理示意图。当载波与调制波相交时，由该交 点确定逆变器一个桥臂开关器件的开关动作时刻及开关通断状态，获得一系列宽 度不等的正负矩形脉冲电压波形。该脉冲序列的特点是等幅不等宽，其宽度按正 弦规律变化；在正弦波半个周期内，正负脉冲的面积总和与正弦波的面积相等。 s p w m 调制的理论基础是面积等效原则，而图中的坐标横轴代表时间，因此 s p w m 的理论依据实际是时间平均等效原理。可以证明，当脉冲数足够多时， 可以认为逆变器输出电压的基波幅值和调制波幅值是相等的，即s p w m 逆变器 输出的脉冲波的基波幅值就是调制时所要求的等效正弦波。在正弦脉宽调制中， 一般定义调制波幅值与载波幅值之比为调制比m ，当m 1 ，即调制波幅值不超 过载波幅值时，s p w m 逆变器输出的电压基波幅值与m 成正比关系。s p w m 逆 变器通过正弦调制得到的是单相电压，需要输出三相正弦电压时，可以对三相电 压分别进行调制。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4双极式s p w m 的基本原理示意图 电压s p w m 容易实现对电压的控制，控制线性度好，但存在电压利用率低 的问题，采用一般的线性调制方法，调制波幅值不能超过载波幅值，所以电压 s p w m 输出的相电压基波幅值最大为母线直流电压的一半，电压利用率不高。 在同等的开关频率下，它的开关损耗较大。 s p w m 控制技术根据控制信号极性的不同可分为单极性和双极性两种。单 极性s p w m 是指在一个载波周期内，逆变桥的输出电压( 即两桥臂中点间电 压) u a b 只有0 和正电压或0 和负电压；双极性s p w m 则是指一个载波周期内， 逆变桥的输出电压u a b 既有正电压，又有负电压。下面分别对这几种s p w m 调 压方式进行说明。 ( 1 ) 双极性正弦脉宽调制 双极性正弦脉宽调制原理波形，如图2 5 所示。输出电压u o ( t ) 波形在0 2 丌 区间关于中心对一称、在o - n 区间关于轴对一称、其傅立叶级数展开式为 u o o ) = 罗b 。s i n n t o t ( 2 1 ) 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 溉褊椭厕 。vvvvv 忖毕谓 u 钮 8 2 帆 d 1 曲口口口口口日o l 8 口曝掣 口口l o l o 口口口 口口口口酵 ：1 3 i - i i - i n i - 1 1 门f 1lllf 1 1 。 。川0l 旷u 4 l il i j l1 u u , l ir 图2 5 双辙性正弦脉霓调制原理波形 式中或。知p ) s i n n n 砌( 甜) 。输出电压u “t ) 可以看成是幅值为u 1 n 2 f n l 、频率 为f o 的方波与幅值为2 u i n 2 f n l 、输出频率为厶的负脉冲列( 起点和终点分别为 d 1 、a2 、o2 p - 1 、o2 p ) 的迭加。因此 e 一2 。【j o r e u 。l ：s i n 一删_ 卜j ：弛瓮s i n d _ ) t 弛筹s 嘶删( “) - e 弛簧s i n d ) 1 - 等哺一：，) 】 ( 2 2 ) 输出电压为 啪) - 毒器哺r 一) 卜耐 ( 2 - 3 ) 输出电压的基波分量1 1 0 1 ( t ) 为 m 等悖一r c o s 峨巾删 ( 2 ) 单极性正弦脉宽调制 用幅值为u ，的参考正弦波u ，与幅值为u c 、频率为f c 的三角波u c 比较，产 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 生功率开关驱动信号。单极性正弦脉宽调制原理波形。图2 6 是用单相正弦波全 波整流电压信号与单向三角形载波交截、再通过倒相得到功率开关驱动信号，或 者是直接用参考正弦波与单向三形载波交截产生功率开关驱动信号。 0 u b 2 o u i t k 丁【 2 3 1 7 1nr r 几口nf 1 门几nr 一 图2 6 单极性正弦脉宽调制原理波形 参考波频率f r 决定了输出频率f o ，每半周期的脉冲数决定于载波频率f c 。 通过改变参考正弦波幅值改变调制度，输出电压峰值由0 变到u l n 2 n 1 如果第j 个脉冲宽度为01 ，可以得到输出电压有效值为 u ，1 勰 ) n ( x - + 驯e ) ：2 舭c 咖瓦n 2 q 摩 p s ， 址仉仉 o m 仉仉 o o o b 田 o m m o且毗 里肌 武汉理工大学硕士学位论文 输出电压的俘立叶级数展开式为 “。( f ) 。薹( 以c o s 玎耐+ 只s i n n 耐) 式中n = l ，2 ，3 ，系数a n 和b n 由每个脉宽为0 ， 冲和对应的负脉冲的起始角n + 1 1 可计算输出电压的傅立叶级数的系数为 4 ；羹警s 如堕2 时刍2“钿胍 、 - 羹半s 血也州一咖峭】 e - 羹半s i n 盟2s i n 蚂+ 刍24 钿聊 、 7 。芝础cosaj-cos,(叩哆)】n 筒 v t ( 2 6 ) 起角为a 的正脉 ( 2 - 7 ) 以半个周期内有五个调制脉冲为例，单极性正弦脉宽调制谐波含量、t h d 与调制度的关系。这类调制方法消除了所有低于或等于2 p 1 次谐波，p = 5 时最 低次谐波为9 次。 根据以上分析可以看出，单极性s p w m 调制方法与双极性s p w m 调制方法 相比，在单极性s p w m 调制方法下，由于s 2 和s 4 两个开关管的工作频率为低 频( 调制波频率) ，所以可以选择要求较低的低频开关管，同时开关损耗也大约只 有双极性调制方式的l 2 对于逆变桥输出电压的谐波含量，是单极性调制小于双极性调制。不过值得 注意的是，在单极性调制的工作方式下，当负载比较轻的时候，可能出现电感电 流断续现象，而在双极性调制方式下则不会出现电流断续。但是相对于单极性 s p w m 调制的众多优点来说，大多数应用场合都建议使用。 ( 3 ) 倍频单极性正弦脉宽调制 图2 7 是倍频单极性正弦脉宽调制的原理波形。用两个极性相反的参考正弦 波与双向三角形载波交截产生功率开关驱动信号。逆变桥的输出电压u 曲。的脉 动频率是逆变器中开关元件的开关频率的两倍，所以称之为倍频单极性正弦脉宽 调制。 1 9 武汉理一 大学硕士学位论文 u ， u e i f r 0 u 衩 u 弱 0 翦 2 u o r 。祧槲强 参 、 擀w 勺v 斗撤矗l 巾广1 广 n 丌丌n 一一 i 一几门门门nn -二mi i i iue lii u2 r 图2 7 倍频单极性正弦脉宽调制的原理波形 虽然，在这种调压方式下，s 2 和s 4 两个开关管的工作频率相比普通单极性 s p w m 调压方法工作作在高频下，增大了开关损耗，但是倍频单极性s p w m 调 压方法的优点就在于同样的开关频率段下u 。的脉动频率提高了一倍，也就使 谐波含量减少了1 2 ，输出滤波电感的纹波电流频率提高了一倍。因此，只需要 相对较小的电感和电容滤波器件，就可以起到同样的滤波效果，提高了系统的性 能，也降低了体积和成本。 综上所述，双极性、单极性以及倍频单极性s p w m 调压方法在基本的工作 原理下，有着独特的优点。并且，从上述分析可以看出，这三种调压方法都可以 很方便的用数字方式实现。 基于倍频单极性s p w m 调压方法的明显的优点，本文设计的逆变器采用了 这种调压方式。 2 4 3s p w m 波形生成方法的分析 s p w m 控制方式就是对逆变电路功率器件的通断进行控制，使输出端得到 一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波。 依据s p w m 控制原理，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生 电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制， 就可以生成s p w m 波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。而 ( 1 ) 采样法 捌黧攀糊嗍例蜘撕瓣蛐躲样蜘不 1 。自然采樟法 自船妻竺黧登磐在正弦波和三角波的 昙萎萎竺刻控制功率开关磊磊蒜嚣 雾絮竺暨正弦逞某蒜竺 嚣慧呈，壁鸸三黻淼磊品茹 嚣慧巴塑当正弦诺萎淼 筹煞要憋的宽度也磊磊荔! 嚣 蔗竺罂磐就趸藩茹蒜嚣 波和三角波的交点。 。“上亡鹾 潴夥爨箩竺j 用自然采样法生成s p w m 鬻答髦罂取三角波晶磊嘉筹；= 三 警黧竺期u c 。豢茹器 n 值= f 正弦波为周期磊。裂等 c f r - - - - - t r e ，调制比m = 谳，蒜算出 g ；f i + 警( s i l l + 咖) j 虱2 8 生成$ p w m 波形的自然采样法 图中的脉冲宽度为： ( 2 9 ) 竞蚤苏激嚣鬻鬻鸺眦有 “用域1 f 为载波的规则采样法。根据采样点选择的不 武汉理工大学硕士学位论文 同，可分为对称和不对称规则采样法。 对称规则采样法 在采样时，每个脉冲的中点和三角波中点( 即负峰点) 重合，即使每个脉冲 的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。如图2 1 1 所示，在三 角波的负峰时刻t d 对正弦调制波采样而得到d 点，过d 点作一水平直线和三角 波分别交于1 和2 点，在1 点的时刻t l 和2 点的时刻t 2 分别控制功率开关器件的 通和断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度t v 和用自然采样法所得 到的脉冲宽度非常接近。 从图2 9 可得如下关系式： 1+u,sincato。；(2-10)tp 乃 22 因此可得： f p i 冬( 1 崛s i l l “。) 在三角波一周期内，脉冲两边的间隙宽度t v 为： f f ，一三忆) 音( 1 一u ，s i n “。) 贰扩 筛：i l i t - i i 一 f 掣 t - b t ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 腻 l 1 附 i t - ii i l il b 协 i l 。t n _ ot j 。 t 图2 9 对称规则采样法 图2 1 0 不对称规则采样法 不对称规则采样法 如果既在三角波的顶点时刻又在三角波的底点时刻对正弦波进行采样，这样 就形成一个等效阶梯波，再将等效阶梯波与三角波相交以确定脉冲宽度，所得到 的脉冲宽度在一个载波周期内是不对称的，此方法称为不对称规则采样法。如图 2 1 0 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 小对杯规! i l | | 米样彤成阴惭r 秭 圾比对杯规则米样彤威日可彤r 稞吸曼馁逝于止抠 波，脉宽调制的结果更接近于自然采样法，逆变器输出电压基波分量更大。当载 波比为3 或3 的倍数时，输出电压将不存在偶次谐波，其它高次谐波含量也很小， 故不对称规则采样法更常用。 由图可得： p 车一( 2 - 1 3 ) a0 一 “。堡2+口(2-14) f ；。孚一6 ( 2 - 1 5 ) f ；。皂+ 6 ( 2 - 1 6 ) 利用_ - - 角形特性解出a 、b ，得： p 车( 1 一m s i n a r 。) ( 2 - 1 7 ) ”车( 1 + msin耐，)(2-18) f ；，要( 1 一m s i l l 耐：) ( 2 - 1 9 ) f ；。冬( 1 + m s i n 耐：) ( 2 - 2 0 ) t 。一后乙伍= 0 , 2 ，4 , 6 顶点采样)( 2 2 1 ) t ：a 七疋缸一1 , 3 , 5 ，7 底点采样) ( 2 2 2 ) 则脉宽为： 铲”“叶+ - 等( s i n w t l + s i 删：) 】 ( 2 - 功 ( 2 ) 直接面积等效法 p w m 控制基本原理的一个结论：当冲量相等而 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。由面积等效原理，把一正弦半波平均 分为n 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所 包围的面积都用一个与此面积相等或成正比的等高 武汉理t 大学硕士学位论文 矩形脉冲代替，这样，由n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦 半波等效，这就是直接面积等效法的基本原理。 如图2 1 1 所示。在图中的正弦波中取一小区间【t ，t 十a t ，算出该区间正弦 波和横轴包围的面积s 1 ，使区间【t ，t 十t 】内的矩形脉冲有相等的面积s 2 ，设脉 冲宽度为t 。在幅值一定的情况下，脉冲宽度即随之确定【3 3 】。 s l 。f s i n o j t d t 。要j c o s 耐- c o s w ( , + 缸l m i 1 s 2m t x u 5 由m s l s 2 可得。 r ；m _ _ v _ vi c o s 耐- c o s w ( , + 缸1 w u c 。祟i 耐- - o d s w ( i o o sw i t + 垃l 一鲫+ 出l 2 巧移j 1 ；旦l 。一k a r 一。o s 虹刿 g i s 一血，j 叫 刎jl i ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 矩形脉冲可以在一个p w m 周期的不同位置。最简单的方法是放在一个 p w m 周期的起始或末尾，但是这种方法的等效性较差；等效性最好的方法是： 使s 1 和s 2 的面积中心重合，面积中心可以用数学方法计算出，设面积中心为 x ，则得： jt + a t f , i n w c d t5 f s i n w t d t 佗2 7 ) fj c o s w t c o s o b clc o s o 既一c o s w ( t + a t l ( 2 - 2 8 ) 武汉理： 大学硕士学位论文 得：c o s 饿；竺坐笋幽 ( 2 2 9 ) 计算x 要经过反余弦运算，运算较复杂。如果把矩形脉冲的中心定在p w m 周期的几何中心，不仅等效性较好，而且计算简单，脉冲的起始时间t o 和终止 时间t o w 分别为： 一f + t a t - t 。f + t a t + t ( 2 3 8 ) ( 2 - 3 1 ) ( 3 ) 采样法和直接面积等效法输出电压的谐波分析比较 1 自然采样法输出电压的谐波分析【2 4 l 三角波载波t i c 、正弦调制波t i t 和s p w m 输出波u 0 的关系图如图2 - 6 所示。 图中取三角波两个负峰值之间为一个载波周期幼，取该周期中点，即三角波正 峰值时刻为耐轴的零点。设在该周期内u r 和u c 的交点时刻分别为和，则 s p w m 输出波u o 可表示为： ；pq s b 鼍“z 如( 2 - 3 2 ) u o 。1 一u d0 1 ( 彬 岛 把u o u d 展开成傅氏级数得： 万u o = i 1 ”薹。膨哗郫i l l 州) 把u o 表达式代入上式中可得： 4 。= 三白+ b 一如) 口。一三( s i l l n b s i n n 0 2 )白- 1 ，2 ，) 以t 三( 一c o s n o ，+ c o s n 0 2 )0 ；1 ，2 ，) 设正弦调制波u i 的表达式为： 蚱一a s i n ( w , t , + q ，) 式中，0 = a 1 。 设三角波载波l i e 的表达式为： ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) ( 2 3 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 1 + 三q f一石墨吐f o 厢 1 一三q f0 s 吐f 石 可得： 岛t 考阢+ 妒) 一1 】 巴- 一号【4 s i l l + 伊) 一1 】 把上式带入玑、以、中，得： 芑。a 酊n h 妒) + 耋砉s ；n 愕幽n r + 妒) 一1 】 c o s 斗q r 2 直接面积等效法输出电压的谐波分析 据上所述，直接面积等效法p w m 输出波l l