（电力电子与电力传动专业论文）电压频率独立控制的正弦逆变电源设计.pdf

秘竭夫掌疆 ：举泣论文( 2 0 0 5 ) d e s i g no fs i n u s o i d a li n v e r t e rp o w e rs u p p l yi n d e p e n d e n t l y r e g u l a t i n gv o l r a g ea n df r e q u e n c y p o w e re 1 e c t r o n i e sa n de l e c t r i cd r i v e s p o s t g r a d u a t e ：l ；iy o n gs u p e r v i s o r ：z h a n gd a i r u n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs ci e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to fc u s t o m e rt o t h ed o w e l q u a n tit yw ij h em o l ea n dl t l o r eh i g h e r t h eq u a n t i t yo fo r i g i n a le l e c t r i c p o w e ri n c l u d i n gt h ee il ye | e e l i en e tm a yc a a ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h e c u s t o m e r t h e r e f u r eitr o l l s lh ep r o c e s s e d i no r d e rt op r e y i d et h ep o w e rs u p p l yf o r ag r e a td e a lo fe q u i p m e n t sw h i c hr e q u e s td i f f e r e n tv 0 1t a g e sa n df r e q u e n c i e so ft h e p o w e rs u p p l y ，t h es i d e w a v ei n v e r t e rt e c h n i q u ei m p r o v et h eq u a n t i t yo fo r i g i n a l e l e c t r i cp o w e r a c c o r d i n gt oe f f e c t i v er e q u i r c l l l m n t as i n g l e p h a s ei n v e r t e rp o w e r s u p p yc o n t f o l lc dh ym c ujsd e s i g n e d i nt h ep a p er 1 九r s t l y th eh a s i cs t l l u c t u r ea n d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h e i n v e r t e rs y s t e m l a v eb e e ni n t r o d u c e d a n dt h eb i p o l a rs p w mc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h e u n i p o l a rs p 冁 c o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e nc o m p a r e d a f t e rc o m p a r e d t h eu n i p o l a rs p 鞭 c o n t r o ls t r a t e g yi ss e l e c t e d s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u er e q u e s to ft h e i n v e r t e rp o w e rs u p p l y ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h ep r o j e c to ft h eh a r d w a r ee l e c t r i c c i r c u i ta n dt h ec o r l tr e le t e c i ，r i cc i m i i i tt h a tise x c e p t i o n a l l yi n t r o d u c e d a n dt h e f r a m edi a g r a mo f t h ee inp l o c e d u l ea n de a c hs u h p r o c e d u r ei nt h es o f t w a r ed e s i g a 。 t h ei n v e r t e ri sc o n t r o l l e db yc 8 0 5 11 ：0 4 0t h a tism a d eb yc y g n a l t h e 粥uh a v eb e e n e x c e p t i o n a l i yi n t r o d u c e d a tl a s t ，a c c o r d in gt ot h ed e s i g n ，as i n g l e p h a s ein v e r t e rp o w e rs u p p l yi sm a d e a f t e rc o m p l e t e dt h es o f t w m l ed e b u g 1 h ee x p e rl l l l e n tisc a r r i e do u t 。w h i c ho b t a i n s p e r f e c r e g u il a f t e i c o t l i p a l i n g “t j v “n t t t g c sw i l ：t 1d is a d v a n l a g e so ft h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n t 。t h ep a p e r p u t f0 1w ”( 1t h ei m p r o v c m e n tp r o j e c t t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a t t h ep r o j e c ti sr e a s o n a b l e ，c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lp o w e rs u p p l y ，t h ed i g i t a lp o w e rs u p p l yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a s m o r e a c c u r a c y ，r e l i a b l e ，r e m o t ec ( 1 1 1 t t ：o l ， n t c l1 i g e n c em a n a g ee t c ，a n ds i m p l i f i e dt h e d e s i g n0 rt h e1 1 ir d w a l l c r 1c ( l i i ( ( ir ( 、t l jc k e y w o r d ：s i n u s o i d a t n v e r t o l 1 w e rs u p pl yi n d e p e n d e n t l yr e g u l a t e m c u 一一 疆捌大学曛士譬链沦文( 2 0 0 5 ) 1 概述 电源设蘩广泛应爨予誊萼学研究、缀济建设、嚣爨设藏及入裁黧活等各令方 面”“，是魄子设备和税电设备静基稚，魏与国民缀济各个部f j 耱关。在工农 业生产中应用得最为广泛。可以说，凡是涉及电子和电工技术的一切领域都要 甩到电源设铸，她不仅撼供优质电能，还对科学技术的发展产生驻大的影响， 镶魏出于越，l 、鍪、裹效肇静裹频秀关邀源豹窭嚣，鼹进了靛空靛天寒靛麓技零 的发展：不间断电源( u p s ) 的研制成功大大提高了计算机、通信、导航、医疗 等设备的可靠性；脉冲电源广泛应用予电焊、电镀锌行业，节省了大量的电能 鞠原誊孝辩。献嚣霹懿羲爨瞧派技零戆磺究对国民经游匏发震买蠢黧丈意义。 电源分为三大类 1 ) 把藏他能量转抉成电能，例如水力、火力、风力及核能发电等，一般 称这静电源淹一次电源( 邸供电电源，俗称电网或谬电) 。 2 ) 在泡链传输过耧中，在供电魄源霸受载之澜对电麓进行变换或稳定始 理，一般称这种电源为= 次电源( 即对已有的电源避行控制) 。 3 ) 平时把能量以某种形式储存越来，使用时褥变成电能供缭负载，典型 麴器搏藏楚入程露显熬各秘蔫毫逮，一般称建受繇攀毫滚。 其中，二次电源起糟很重要的作用。二次电源，就是把输入电源( 由电潮、 祷电池或燃油发电机供电等) 变换成在电压、电流、频率、波形及在稳定性、 露靠性( 含电磁兼容、缝缘教热、不阉颧供电、智翡鼗控) 等蠢露符合要求鹣 魄髓供缭负载，这是强麓瘫用最广泛静患源技术领域，主要研究如何乖l 用电予 技术对电功率进行变换及控制，它广泛运用电磁技术、电子技术、计算机技术 和材料技术镣学科理论，凝有较强的综合性。本课蹶所做的电源朝属于此类。 1 1 现代邀变技术的分类 现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类，其主要的分类 方式躲下： 1 ) 按逆交器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆交鞠高频递交。 工频逆变一般指5 0 6 0 h z 的逆变器：中频逆变的频率一般为4 0 0 h z 到十 几k h z ；高频逆变嚣驰频率则般为十几k h z 到m i t z 。这熙需要说明戆 霾捐大学殒士学位论文( 2 0 0 5 ) 是，在现代高频开关电源领域，5 0 0 k h z 以上才算是高额，但是在逆交领 域，有时功率比较大，2 0 k h z 的超音频算作商频。 2 ) 按逆变器输出的棚数，可分为攀相遂交、三稠逆变和多裰逆变。 3 ) 按逆变器输出蕤鬣豹去两，胃分为有源递交秘无源逆交n 4 ) 按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽忒、半桥式和众桥式逆变。 5 ) 按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应锗 遂变、i g 敷遂交，簿等。 6 ) 按输出稳定的参鬣，可分为龟愿型逆变和电流型逆变。 7 ) 按输出电压或电流的波形可分为正弦波输出逆变和非难弦波输出逆 变。 8 ) 按按捌方式，可努为调频式( p f 啦逆交和调躲宽式( p 轷瓣遂变。 9 ) 按逆变开关电路的工作方式。w 分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和 定频软开关式逆变。 1 2 现代逆变技术的发展 现代逆变技术主要偬括三部分内容：半导体功率集成器件及应用、功率亵 换技零移遵变控制按本。 1 2 1 半替体功率集成器件的发展 逆变嚣中实现电能变换蛉关键部件是电力电予开关器件，其特性对逆变墩 路瓣毪憝怒港至关重要豹箨磊，氆决定着凌率交获邀籍熬结揍。廷有其各裹赣 能的开关器件。才能通过研究与之相通应的电路拓扑结构和开关控制方式，构 造出性能优良的逆变装鼹。因此，从菜种意义上说，功率电子器件的发展决定 蕾电力电子技术豹发曩，藤嚣也决定羲凝鍪控制技术瓣应矮。 在电力电子技术发臌初期，大功率开关器件以毕控器俘晶问管( s c r ) 为 主，尽管后来出现了大功率全控开关器件g t o ，但遮些开关器件是低速器件。 出于受到嚣关速度的限制，p w m 控制技术无法有效废用。因此，此阶段的逆燮 器翡输出魄疆一般为方渡，方波输窭魄匿存在两个麓题： 1 ) 电聪中含有3 ，5 。7 ，所有的奇次谐波。 2 ) 无法通过控制逆变器来实现输出电压的调熬。 由子逶变器豹受载绥大一部分楚箨步电囊瓠，霾藏，竣窭彀蹑孛豹这些麓 吨一 塑翻查鲎堡主鲎垒燕兰! ! 鲨! ! 次奇次谐波会给电动机负载龌来很多不良后巢，例如： 1 ) 健呶动扒救效率减低5 轧? 健，功率因数减低8 ，露曦流增趣1 0 。 2 ) 经交瑷器瓣铁攒增翔，发热壤提齑，噪声璞太。 3 ) 谐波能弓| 起保护装嚣误动作。 消除逆变器输出电压中离次谐波最酱遍最照按的办法悬采用交流输出低 邋滤波器张滤嫜裹次瀵波，以及采用多重叠热法，傻逆变器输爨嗽莲l 凌除梯波 静形式接遥予正弦渡。僭燕，由于方渡龟疆中谐波次数 藤低，阂魏，低通滤波 装置体积大。而采用多踅夔加方案，系统结构复杂，成本高。 8 0 年代以来。电力电予投术与微呶子技术楣结食，产生了各釉高频大功搴 全控器传，镪功率场效液蓉p o w e rm o s f e t 、绝缘f l 缀罴体警i g b t 、静奄惑残 晶体管s i t 、静电感应品闸管s i t h 、场控晶阐管m c t ，以及m o s 控晶体管m g t 等。这就使电力嗽子技术幽传统发展阶段进入到高频化阶段。在这个阶段，瓤 型逆变器层毖不穷，特别是脉宽调制技零p w m 褥到了飞遮懿发矮。逆变嚣鳃衰 频优胃戳麓逆交嚣带涞戳下好楚： 1 ) 可以使交流滤波器体积减小。 2 ) 改变逆变器输出电压波形。 ，2 。2 现 弋功率变换授术的发震 1 ) 负载谐振变换技术 在逆变技术的发艇幸刀期，融予开关管是不能鑫关断魄晶瓣蛰，震要粟咫受 裁谐振技术，翱r l c 谐振按术，奁晶瓣镑鼯逶徐段j 建菇产生个爱向瞧錾来强 遣关断晶溺管。 负载谐派变捩技术有两方顾不利的因索： 第一，r l c 澄振，馁缮开关蛰鲍导逶魄滚葶珏关凝魄压魄魄路中霆蠢黪毽簧 寒褥多，这榉就增加了开关管靛嘏流龟瓣定额，麸箍潜掬了成本。 第二，负载谐振变换磐须采用受颈( p f m ) 工作方式，输出功率几乎与工 佧频率成甄比。在要求输出变换范围大、纹波叉要求小的逆变装嚣中，绘输爨。 滤波沓束了一窀均零难。 2 ) 羧7 ：关p w m 交羧技术 为了解决负载谐振爻换技术静不足绘逆变器带来的问题，随着6 t o 和6 t r 等照关龋器 譬豹阏鲢和发震，硬开关p ，| 1 5 f 鹾功率变换技本穰块发展起寒了。硬嚣 型型查堂! 塑主兰垡堡苎! ! ! 堕! 关变换技术采用固定工作频率，调节开关管导通的占空比，即采用脉冲宽度调 制( p w m ) 方式来凋节或稳定输出。硬开关定频变换技术已经被应用到了几乎 所有采用逆变技术的领域。 硬丌关p w m 变换技术最大的不足就是开关损耗大、高频工作的效率低：开 关频率越高，开关损耗越大，所以不利于逆变器高频化。同时，硬开关过程中， 开关管中的电压电流变化d u d t 和驯市很大，所以产生的电磁干扰( e m i ) 比较 严重。 3 ) 谐振丌关变换技术 为了解决硬丌关p w m 变换技术带来的问题，p w m 软开关逆变技术出现了， 浚项技术利用谐振实现功率开关管“软开关”，降低开关损耗提高了系统效 率。p w m 软开关逆变技术是实现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理 论性最强的研究工作，并且成为了当今电力电子学领域最活跃的研究内容之 一。对它进行深入研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力 电子技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器发展方向之一。目前， 已有多种实现逆变器软开关工作方式的拓扑及控制策略出现。 1 2 3 逆变控制技术的发展 逆变控制技术的发展也是伴随着新型大功率高频开关器件的发展而发展 起来的。 逆变器| | 勺脉宽调制( p w m ) 技术早在晶闸管时代就已经出现了，正弦脉宽 调制( s p w m ) 在全控型器件出现以后得到了迅速的发展，这种技术是用一种参 考波( 通常是正弦波，有时也用阶梯波或方波等) 为“调制波”，而以倍于 调制波频率的正三角波或锯齿波为“载波”。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 宽度正比于训制波函数值的矩形脉冲序列来等效调制波。用丌关量取代模拟 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。因为，当调制 波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦函数规律变化。因此，这 种调制技术通常又称为正弦脉宽调制( s p w m ) 技术。 尽管p w m 控制技术出现的很早但由于电力电子技术发展初期功率开关器 件的丌关速度很低而且晶闸管又是半控器件因此，这一技术直没有得到很 大的发展。 型型盔鲎堡圭堂堡堡兰! ! ! 塑! p w m 技本对逆变技术黪发展怒了缀丈瓣推凌终曩，宅与多重叠热法楣毙较， 有以下恩著的优点： 1 ) 电路麓擎，灵矮一个功率注翻缀就可戳调节输盘电援、叛率。 2 ) 可以使用不控整流桥，馒系统对电网的功率阑素与逆变器输出嗽压值 无关。 3 ) 可以间时进行调频、调媛，与孛闻壹滚巧节的元馋参数纛关，系统的 动态响应速度快。 4 ) 霉豉遥过不溺夔控铡策醛，滋获褥更好豹波形改善效采。 随稽大功率高频全控_ 歼关器件大量出现，逆变器的p w m 控制技术受到了人 们的高度重视并盈褥到了飞速的发展。尤其是最近几年，徽怒理器髑于实现p t 目k l 控制技术后，使褥现代控制理论的控制方法能够应用予逆变爨的p 嘲控制，大 大提高了现代逆变器的性能。而凰由于浆用了数字电路实现p w m 控制，使得逆 变器戆拯裁电路麓化，稳定强提巍，逆交器熬数字纯按裁基成为逆变器发展豹 主流。 1 ，3 本文所作的工作 1 ) 对逆变系统藻本结构和控制策略进行了分析介绍，弗对单极性s p w m 控 制秘双极性s p w m 控划伤了分凝毖较。绩票表明，在考虑到瓤医等因素戆影酶 时，单极性s p w m 控制比双极性s p w m 控制更有利于改善输出电压波形、减小谐 波含量、酶强簸 = ；滤波器成本。 2 ) 本文详细介绍了新型单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 的资源和特性，并以其为核心 蔽制芯片送行了逆交器控制编程、调试等工作，实现了逆变器的分段同步调制 方式的s p w m 控剑。 3 ) 根据实际需求设计了一台频率变化激围( 2 0 h z 3 0 0 h z ) 较宽，同时 要求电压、频率调节时互不影睫熬数字纯茬裁豹辩蠢e 正弦波革稳遂交惫源。 4 ) 按照设计的县体方案，制作了台样机，并利用样机进行了实验。实 验得到了符台疆求静输出波形，并对实骏结采进行了分车斤。实验证明，该系统 设计合理、方案可行。另外，文中同时搬出了设计的不足之处，势提出了改进 方案。 登垄奎竺! 鍪：兰兰鳖鲨奎! ! ! 黧1 2 逆变系统基本结构及控制策略 2 1 现代逆变系统藻本结构 我们知道，逆交黪蓬接功能楚将壹滚电变换成交滚龟”。逆变系统的核心 就是逆变_ 开关电路，躐者喇逆变淹游，通过电力电子癸关静静淹与关甄，宠威 逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要定的驱动脉冲，这些脉冲可以 通过改变一个电压信号来调节产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路( 戏 控裁鼙爨 。遂变电鼹中，豫了逶变邀蘧和控裁惫路之癸，还蘩骞爨护毫爨、 辅助屯源、输入电路、输出电路等镣，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 滋变系统结构阁 下灏对各个部分骰一些简荤介绍： 1 、输入电路 逆变燕电路输入为嶷流电，若感直流电网( 如煤矿。矿山电车等) 、鬻电 涟贮存翁邀，或者麓麓滚菱邀缀笈臻麴电，或蓍囊流奄蘑裰耧变频蠲逮交滚毫 动机制劫时再生直流电，则输入电路包括滤波镯i 路和e m i 对策电路。若是交流 电网，除了滤波和e m i 对策电路外，首先还要有艇流电路。 2 、输密电路 输滋电路一般都识括输出滤波魄路和e m i 辩策电路，对巍流输出豹逆巍系 统还包括输出整流电路。对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆变变压器。 对于) 1 ：环控制的逆变系绞，输出量疆；用反馈到控制电路，而对于闭环控制逆变 系统，输密量还要爱镞爨控澜电爨。 3 、控制电路 控制电路的功能怒按要求产业和调节系列的控制脉冲来控制逆变开关 警戆导遴秘关叛，铁嚣酝合遂变芰毫 i | 完成逆交蛲麓。在逆交系统孛，控涮毫 塑望垒兰篓：! 釜篷兰奎! ! ! ! i ! 路和逆变童电路同样重疆。 4 、辅助电源和保护电路 辅助电源蛉功能怒将逆变器的输入电压交换成适合控制魄路工作的鲞滤 电歪。若怒矗流输入+ 潮是一个或几个d c 燹捩器；若怒交流输入，粥掰 以采用工频降压、整流、线性稳压的方式，当然也可以采用d c d c 变换器。 保护魄路主要包括； 1 ) 输入j 童垂、笑藤保护。霆免怒毫疆滔题，一觳是霉鞋爨狡复瓣。 2 ) 输出过压、欠压保护。一般怒故障问题，激好是不可自恢复。 3 ) 过载保护。有时是瞬间过载，所以应是可自恢复的。 4 ) 过滤稠短路傈护。属于故障，菠以应该是不可垂缓复懿。 5 ) 避热保护。当环境温度过高或长时闻超负荷运行，逆交器会出现过热自 动保护，假冷却系统成继续工作，在温度降到一定值后，应能自动恢复工作。 5 、逆变主电路 遵燹主电貉赣是盘逆交开关器事 簿缍残弱交羧电路，分为静隔嘉式窝隔离 式两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的，逆变焊接电源、通信基础开 关电源、u p s 、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还应包括 遂变变箧嚣。j 疆离式窀歪变换电鼹影式有多琴孛，是组成遂交变电路戆基零形 式，用它们也可以组成各种隔离式逆变主电路。 2 。2 遂鼗系统的控制策略 2 2 p w m 控裁静基零舔理 在采样控制理论中肖一个重要的缩论p 18 - e 1 ：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，冲羹即指窄脉冲的面积。这里所 浇豹效采蒸本稳蠢，楚撩舔节戆竣蠢骥应滚形基本穗圈。鲡莱熬套赣交渡形溺 傅立叶变拽进行频谱分析，可发现它们的低频段特性非常接近，仅在高频段蟾 有差异。 倒如圈2 2 中a 、b 、c 赝示懿三个窄辣净形羧不同，鹜2 - 2 a 为矩形脉冲， 图2 2 b 为三角形脉冲，图2 2 c 为燕弦半波脉冲，俺它们的蘧袄( 鄂i 申量) 都 等于1 ，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，戴输出响应基本 相同。脉冲越窄，其输出的差异越小，当窄脉冲变为图2 2 d 的单脉冲函数艿妇l 薅，环节酾酾应繇为该环节鹃豫滓邋渡函鼗。 蛐川犬学嫂。l ：学位论文( 2 0 0 5 ) l 基) 裁 ， b ) d ) 圈2 - 2 形鞍笨间黼冲懿相同酌各种窄脉冲 上述绻论建p 详控稍酶霪要理论基稿。下面分析一下如何掰一系耐等幅丽 不等爨懿赫冲代替一个正弦半波。 图2 - 3p 粥控糊韵萋本嚣理示意豳 塑登墨兰鳖! 堂望笙兰! ! 塑! ! 把圈2 3 a 掰示的歪弦半波波形分成等份，就可把正弦半波看成由个 彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不掷， 且脉冲顶郝不是水乎羹线，两是曲线，各脉；申的蠛德按正弦规律变亿。如果把 上述辣弹序确矮同样数薰酶等旗焉不簿宽豹矩形躲冲序舞代替，使矩形赫狰鹣 中点和相应正弦等分的中点重合，凰使矩形脉冲和相应正弦部分面积( 冲薰) 相等，就得到图2 3 b 所示的脉冲序列。这就是p w m 波形。根据冲量相等效果 稳司弱蔽壤，p 魏波澎瑟正弦滚是等效豹。怼予纛弦渡戆受拳瓣，氇霹淤麓阏 样的方法德到p w m 波形。像这种脉冲的宽度按芷弦舰律变化而和正弦波等效的 p w h 波形，【| 王称为s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形。 以上介绥蛉是p 谱m 控嬲斡基本联璎，按照上述原理，在绘爨了正弦波鬏搴、 幅僮和半个麓期内的脉冲数后。p # m 波形各脉冲躺宽度和间隔藏可以准确计簿 出来。按照计算结果控制电路中各开芙器件的通断，就可以得到所需要的p w m 波形。 1 ，? 至臻孵 1 | 毯删埘。 鞫2 - 4 单掇牲s p w m 控制原理匿囤2 - 5 双极性s p w m 控渊原理图 但是，这静计算是报烦琐艉，正弦波的频率、幅值变化时，绥栗都要变化。 较尧实搿蠡勺方法是采蠲澜锱豹方法，郄摇掰希望静渡形作为调臻l 信号，把接受 调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期照的p w m 波形。通常采用铸 腰三角形作为载波，因为等谣三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称， 墨它与任鼹一拿乎缓交纯魏诞露l 售号波形鞠交时，霰在交点惑黧控裁宅臻孛嚣 型型查兰塑二! 堂垡丝兰! ! 竺堕! 关器件的通断，就可以得到宽度f 比于信号波幅值的脉冲，这正好符合p w m 控 制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是s p w m 波形。一般根据三 角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个 周期内的方向只在一个方向变化，所得到的s p w m 波形也只在一个方向变化的 控制方式成为单极性s p w m 控制方式，如图2 4 所示。如果三角波载波在半个 周期内的方向是在难负两个方向变化的，所得到的s p w m 波形也是在两个方向 变化的，这时成为双极性s p w m 控制方式，如图2 5 所示。 2 2 2p 嗍型逆变电路的控制方式 在p w m 逆变电路中，载波五与调制信号频率：之比n = f 。，称为载波比。 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，p w m 逆变电路可以有异步调 制和同步调制两种控制方式。 1 、异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调 制方式中，调制信号频率f 变化时，通常保持载波频率固定不变，因而载波 比是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉 冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后l 4 周期的 脉冲也不对称。 当凋制信号频率较低时，载波比较大，半周期内的脉冲数较多，正负半 周期脉冲不对称和半周期内前后1 4 周期脉冲不对称的影响较小，输出波形接 近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比减小，半周期内的脉冲数量减少， 输出不刘称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波形 之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相p w m 型逆变电路来说，三相 输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率， 咀使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。 2 、同步调制 载波比等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方 式称为同步调制。在艇本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比不变。 调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相p w m 逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比为3 的整数倍，以 塑坐查整塑圭塑笙茎! 垫塑! 使三楣输出波形严格对称，同时，为了使一相的波形难负半周镱对称，应取 为奇数。 当递变旗路竣感频率 羹诋跨，嚣为在半爨期蠹输壅黥狰戆数爨是固定戆， 所以由p w m 调制而产生的尤附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波 通常不易滤除，如莱受载为电动梳，就会产生较大匏转矩辣动帮嗓声，绘宅葫 机的正常工作带来不剥影响。 为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，即把逆变电路的输 斑频率范围划分成蓑于令频段，每个频段蠹郝保持载波毖恒定，不犀频段匏 载波比不同。在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高， 在琏搴开关器 争掰龛许懿频率藏疆癌：在输爨簇率熬低菝浚采焉较高戆载波 比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比应该都取 3 的整数倍虽为奇数。 图2 - 6 绘出了分段同步调制螅一个例子，器频率段的载波比榕在图中。为 了防止频率在切换点附近时载波眈来回跳动，在各频率切换点采用了滞臌切换 熬方法。基中凌换点处敢实线表示羧出频率瑷凑鞋熬韬换鬏搴，纛线表承输出 频率降低时的切换频率，前者略黼于后者而形成滞后切换。在不同的频率段内， 簸渡额率的交伍范溺基本一致，t 大约在1 4 2 k h z 之阔。提高载波频率可敬 使输出波形更接近正弦波，但载波频率的提高受到功率开关器l 牛允许最高频率 的限制。另外，在采用微机进行控制时，载波频率还爱到微机计算速度和控制 簿法诗簿量戆限刳。 爨 适 矗f 辫站 图2 - 6 分段同步调制方式举例 - - 1 1 - - 塑! l 态兰壅生塑笙塞! ! ! 箜! 同步调制方式比异步调制方式复杂一些，但使用微机控制时还是绺易实现 的。也有的电路谯低频输出时采用异步调制方式，黼在高频输出对切换到同疹 调制方式，这秘方式可恕嚣者嬲谯赢络合踅寒，秘分段尉步调制方式艇效果接 近。 2 2 3s p w m 波形的生成方法 按照前面讲述的p 磁逆变电路的基本原遴和控南方法，可醚胡模掇电路椅 成三建波载波和藏弦调制波发生电路。用比较器来确定它们的交点，农交点时 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。假这种模拟电路 缝擒复杂，难戳实璎糕礁戆控涮。徽梗控制技术豹发震搜褥爨软转玺残s p 燃 波形变得比较容易，因此，目前s p w m 波形的生成和控制多用微机来实现。这 ，l 主簧介绍荫模撅电路象成s p 黼波形的方法帮餍软件生成s p w m 波形静凡释蘩 本算法。 利用模拟电路生成s p 硎控制脉冲的原理示意豳如图2 - 7 所示， 八、 矬 闰2 _ 7 由模拟电路生成s p w i * 控制脉冲电路艨理图 首先眭i 模拟冗件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信母 以稻正弦波参考信号口，然赢送入毫篷隗鞍器，获两产垒s p w m 净确，这稀秘 用模拟电路调制方式的优点是完成以与u ，信号的比较和确定脉冲所利用的时 间短，几乎是瞬间完成的。丽且u ，与u ，的交点精确，怒两列比较波的自然交 点，来骰过任援避经处壤，然嚣这秘方法懿缺点是疑霉磺传较多，且溅以实现 三角波与正弦波的同步，而且模拟元件尤其是运算放大器存在溺度漂移等不稳 定嚣索，傻褥系统调试臻鬏，势量苓菸稳定。 登塑奎羔篓主量整堡茎! ! 缝! 刊 黼 l l 扩5 v ；f v _ “ ， h _ 一 l p 删_ l l 一 ll jl j 潮2 - 8 生浚s p 嘲洼彩静爨然采样法 i 、融然聚祥法 鹜2 - 8 绘爨了鲻鸯然莱样法生成s p 踟波形豹方法。鹜审墩三角波静籀邻 两个正峰值之间为一个周期，为了简化计算，可设三角波峰傻为橼么值l ，正 弦调麓波为： 掰，# a s i n 国，t ( 2 - i ) 戏( 2 一1 ) 中，辞必调制度，0 墨口 l ；彩，为正弦调制僚号的角频率。从圈2 - 8 中可戳餐出，在三角波载波的一个周期内，其下降段和上歼段备嗣正弦调瓤 液有一令交底，鍪孛躺交豢分爨为名帮嚣。这篓馘菠弦渡上舞段豹遵零熹为簿 问起始点。并设a 和嚣所对应的时刻分别为，。和r 。 在阏步调露方式中，麴霞2 8 掰示，使歪弦调翻波上舞毅豹遗零点彝三凳 波下降段过零点重台并恕该对刻髂梵零瓣刻。嗣瓣，撅该点艇在瓣三霆波蹋裳 作为正；玄调制波一周期内的第一个三角波周期，则第胛个周期的三角波方程可 袭示如下： ( 撑一字 ( 封一詈卜 ( 2 - 2 ) k 产k 尸 34一4 一 一 l f f v l 墨 瑚 5 4 一 一 路 ，r ，弋 一 一 一 卦o 跫攫奎兰堡主兰堡燕兰! ! ! 箜! 。 这样，纛弦调磊4 渡襄繁拉令两麓三角波静交纛辩瓤f 帮爵蔽妇下式求褥 - 一昙f “一( 玎一言) 瓦 = 口s ；n m ，“( 2 - 3 ， 一t 十昙 “一( 雎一言) = a s i n 珊, r 。 c z t ， 绘定t 和群矮，求瓣上藤两式即可求得和如。脉、雒宽度万可幽下式求出 艿= t 8 - t 2 - 5 ) 式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 都娥超越方程，求解时需要花赞较多的计算时间，因而 难戡在实时控铡孛在线计冀。 2 、规粥采样法 。 自然采样法是最基本的s p w m 波形生成法，它以s p w m 控制的蒸本原理为出 发点。可以准确地计算出功率开关器件的通断时刻，所得的波形很接近正弦波。 毽是这秘方法诗算重逢大，翻嚣在王稷上实舔镬臻势不多，筑翻采撵法是一耱 藏用较广的工程实用方法，它的效果接i 璇自然采样法，但计算量却比自然采样 法小得多。 图2 - 9 说明了暴曩镊纛波俸为载波熬援翔采撵法。出手锯齿波瓣一条边是 豢直的，因而它帮正弦调潮波的交点时刻是确定的，所需计算静足怒锯齿波斜 边和正弦调制波的交点时刻，如图2 - 9 中的t 。这样，就使计算爨明显减少。 锯齿波怒 # 对称的波形，用锯齿波作为载波对只控制脉冲豹上辩或下降时 搿中的一个。这耱调毒方式称为荸透调翻，两蘑三热滚作为载波嵇譬对称为双 边调制。单边调制比双边调制计算量小，但其输出波形中含有偶次谐波，总的 谐波分量也比双边调制时犬。 实嚣痤矮较多熬还是采熙三受波露焚载波豹魏爨| j 采撵法。褒巍然采样法 中，每个脉冲的中点并不和三角波中点( 即负峰点) 麓台。规则采样法则使两 港重合，即使每个脉冲的巾点都以相应的三角波中点为对称，这样就使计算大 为篱化。图2 - 1 0 是这秸蠢法豹示意强。如图掰示，猩三角波的受蜂时刻f 。对 藤弦调制滚采样丙褥蓟d 煮，过d 熹傣承平壹线鞠三燕渡势剐交予a 点霹器 点，在一点的时n t 。和b 点的“时刻控制功率开关器件的通断。可以看出，用 这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接 黻川天学颂电学瞧论文( 2 0 0 5 ) 近。 f q i 、 f y | | | a 、 l l 。 、 、 、 圈2 - 9 采用锯畿波载波的规划采撵法 l - r ，叠津静 善识掣f l 般 i 一 女 矗。 善 一 j l 一 凿2 - 1 0 采黼三角渣载波静蜣鬟l j 采样洼 默2 - 1 0 辫霹褥裂鲡下关系式 ! 型! 型2 ：三 变量 22 ，1 5 ( 2 - 5 ) 鞲大学砸仁学位论空( 2 0 0 5 ) 因此可得 个 占= 冬( 1 十a s i n a j ，f d ) ( 2 7 ) 二 在三角波一周期内，脉冲两边的间隙宽度为 占= 去l - 6 ) - - 等( 1 一a s i n c o ，f d ) ( 2 8 ) 3 、爨次谐波瀵去注 为了使s p w m 波形中不包含次数较低的谐波分量且不增加功率器件的开关 频率，繇减少开关损耗，鹜畿了低次谐波游去法。低次谐波漓去法瘸模掾纛路 很难做到，但用数字电路则可以很容易实现。低次谐波消去法就是适当安排开 关管的开关角，在满飓输出蘩波电聪的条件下，消除不希望的谐波分量。假定 单掘撬式逆变器梭出s p w m 波澎其毒基波嚣分之一弱期砖稼关系，将该s p 燃电 压脉冲序列展丌成傅立叶级数，则级数中只含有奇次谐波分量，负载电压”，可 表示旁各次谐波宅压之彝，帮 魄= 咚3 ；n 缓 ( 2 9 ) 7 = 1 u r = f 等2 羔( - 1 k c o s ( y o 。) l ( 2 - 埘 公式中“，为y 次谐波电压幅值，口。为电压脉冲前沿或后沿与甜坐标的交 点，戳电角度表示，建在粥”范圈之志的掰，令数，逶j 熏令联立方程求辩它 们的值，用褥烈的个a 角，就可以消除一l 静谐波。采用逸种方法的时候， 如果所需要消撺的谐波次数较高，刚方程缀的数量会很大，这个方稷组将难以 求瓣。 上述各种s p w m 生成方法均用于同步调制方式中，因为在异步调制方式中， 信弩波各溺斓肉躲冲发生静时蘩并不相同。在嗣徽辊控制生成s p w m 波形辩， 通常有查袭法莉1 实时计嚣法两种方法。查装法是报掘不同的d 和，先离线计算 出备开关器件的通断时刻，兆计算结采存予e p i i o m 中，运行时查表读出所需簧 的数据进 亍实f j 寸控剁。这种方法适j i 于计算量较大、在线计算溷难的场合，但 所需内存容量往往较大。实时计算法是不进行离线计算，而悬运行时进行衣线 计算求零掰需戆数摇。这争| ；方法逶瘸子计算量不大豹溪台。实鼯掰瘸妁方法缝 翌望查兰璧生鲎壁笙兰! 婴! 往是上述两种方法的结合。郎先离线进行必要的计算存入内存，运行对再邀彳予 较为简单的在线计算。这样既可保证快速性，又不会占用大量的内存。 自然袋样法计算爨犬，一般采用粪表法。当调制频率和调制度变化范爨较 大，a 帮国，分缓鞍缨辩，需要蠡每痣襻容量较大。 规则采样法通常事先存入正弦黼数表和不附载波频率时的t o 2 ，运行时根 据所要求的疋、口和，等进行乘法和加法运算即可求出开关器件的通断时刻。 这秘方法瓣a 帮c o ，都熬是连续交纯瓣。 低次谐波消去计算复杂，也只能用查表法。当稳妥消去的谐波种类较多对， 要控制的a 角个数就要增加，需要j 莩入的数据也繁多。因此，琊以在输出频率 较低时采用规贝l j 采样法，丽在输出频攀较高，半髑期内脉冲数较少对采用低次 谐波消去法。 除上述用微机生成s p w m 波形外，专门用来产艇s p w m 波形的大规模集成电 路芯片也彳罨到了较多的戍用。较早推出的这类专用芯片是h e f 4 7 5 2 。这种芯片 霉浚埝窭三辩互蛰熬s p w m 痿号爱慕驱动三稳掭试遂交毫鼹，麸焉实瑗交浚邀 机的变频调速。芯片的输入控制倍母全为数字量，适合于微机控制。s l e 4 5 2 0 是另一种专用s p w m 芯片，其开关频率朔输出频率分别可达到2 0 k h z 和2 6 k h z ， 有三个输搬运道提供三糨逆变挢六个2 0 m a 电流戆驱动信号，霹翅来驱动i g 躲 逆变电路。采用专臻芯片可筒亿硬件电路和软粹设计，降低成本，提高可靠设。 2 2 。4s p f f m 型逆变电路的谐波分析 s p w m 遂变电路哥激谈稳赉毫基、毫滚接近差渡渡，毽交予镬弱载渡对爱弦 信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。这魑谐波分量的频率和幅值怒 衡量s p w m 逆变电路性能的重要指标之一，因此对s p w m 波形的谐波分析有着爨 要戆意义。 s p w m 波形中的基波分量 同步调测方式可以麓成异步调制方式的特殊愤况，因此只分橱异步调制方 式藏可敬了。在彝步调麓方式豹正弦调裁信号各溺期内，新包禽瓣p 翻波形没 有重复性，因而无法以磁弦调制信号角频率为基准分解成傅氏级数。下面采取 的方法是以三焦载波角频率为基准进行分析，然厝褥求出所得波形和的关系。 图2 一1 1 是三众波载波群。、委弦谖裁波辩，羁p 糕辕窭波群。鹣关系强。圈巾 一1 7 一 塑型查兰璧熹鲎垒兰苎! ! 暾! ， 取三角波两个负峰值之阅为一个载波周期2 石，取该周麓中点，帮三凳渡正蜂使 时刻为甜轴的零点。 先 擎j 过t j 习 督 1 、 章 妒n i 馨。 ， - ” ，1 0# ； 魄l 州h一仇。 翻2 - 1 1 裁渡、璃制滚鞠p 嗍辕獭液弱关系 设在该周期内“，和”。的交点时刻分别为岛和以，则p 删输出波 。可表示 拱c 舅或圆r 啦( 2 - 1 i ) 鼠 国。， 吼 篑。( q n c o s 0 2 c 1 + “s i n t n j ) 式中 驴昙苦c o s n f a c d ( 刚) 秘玑z ，) 氏= 妻毒s i n 牲喇哗) 2 ，) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) d o u u 一 ，1l | l 口 甜 双强大掌酸l ：攀链逢交2 0 0 s ) 把式( 2 11 ) 代入式( 2 1 3 ) 可得 嘞：三缸+ 最一敬) 1 = 三( s i n n 0 ，一s i n n 0 2 )如= 1 ，2 | 2 ) 以厅 b 。= 兰( - c o s n o l + c o s n 0 2 )0 = 1 , 2 ，- _ ) 脬疗 ( 2 - 1 4 ) 式( 2 - - 1 4 ) 中的最、吼在三角波载波的各周期中是不同的，为了求出最、0 2 的一般表达式，设f 弦调制波玑的裁达式为 口，= a s i n ( c o ，十妒 ( 2 一1 5 ) 式中，0 s 口 l 。 设三角波载波的表达式为 t 仁k ， k 万 一仁k 万 一撑。f 0 0 曼c o 。f 7 馥、岛是毪= # 。澄0 3 。t 翡篷，邋i 邈鑫式( 2 一l 秘秘式( 2 一i 蜀褥 鼠= 兰脚( o c t + p ) 一l 】 0 z = 一三m 妇+ 爹洲 把。l 式代入式( 2 - 1 4 ) 中得 一2 a s i n 白，f + 妒) 矗”一4 n t 5 i 1 1 愕陋汹p 妒) 一1 】 j 删，2 i z b 。= 0 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 挺式( 2 - l s ) 霞入式( 2 1 2 ) 中簿 责= 心n h ，+ 妒) + 砉熹s i n 等的n + 妒) 一】) c 蝴峨，( 2 - ，9 ) 式( 2 - 1 9 ) 中瓣第矮帮为p 轷薪蘩篱离波形中戆蘩波分量。浚看窭，这个罄 麟蛾太掌嫒专学整论变( 2 0 0 5 ) 波分量篪髭调制时所要求的正弦波。 s p 燃波形中的谐波分量 式( 2 一1 9 ) 中静第2 琰瑟是单稻轿式电路s 辩辩波形孛懿谐浚部分，毽是瓤 中还不能直接看出所含谐波的频率殷其幅值。式( 2 - 1 9 ) 中所包禽的谐波成分是 相当复杂的，谐波频攀既和载波角频率有关，也幕调制信号角频率有关。用贝 塞尔番数珂竣款式式懑冬次谐波懿频率及箍蓬，稳攘导过程较建复杂。这鬃廷 给出分祈结果的频谱阁，从频谱翻印可对s p w m 波形中的谐波分布情况有一个 基本的认识。 毫 繁 嚣 謦 一尊= 1 o r 一心口2 敷s _ 一6a - n 5 l j l l挚 l l嚣。l r l ik 一谴矗n l t 重l t | l el 攀ie & ； = 霹t io妻砖! i 8 l 3 一捌书1 4 h + i 图2 - 1 2 单榴p w u 输出波形频谱 圈2 一1 2 给