SPWM的数学计算(调制比,载波比)公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

第三节

逆变器

PWM控制为何采取PWM控制？为何采取PWM控制？传统变频器采取可控整流桥变压，逆变器用来变频，变压和变频在两个独立变换器中去实现，相互配合在动态过程中就会显得不协调，给系统运行带来一系列影响。为何采取PWM控制？主电路有两个可控功率步骤，需两套控制系统，相对来说比较复杂；因为中间直流步骤有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统动态响应迟缓；可控整流器使供电电源功率因数随变频装置输出频率降低而变差，并产生高次谐波电流。逆变器输出为六拍阶梯波交变电压，含有较多高次谐波，产生较大脉动转矩，影响电机稳定工作。为何采取PWM控制？将通讯系统中调制技术引入交流变频领域，采取脉宽调制（PWM）技术，可在逆变器上同时实现变压和变频，对非正弦供电电机来说，PWM可消除或消弱有害高次谐波。为何采取PWM控制？主电路只有一个可控功率步骤，简化了结构；使用了不可控整流器，可提升电网功率因数；逆变器在调频同时实现调压，而与中间直流步骤元件参数无关，加紧了系统动态响应；可取得比常规六拍阶梯波更加好输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近似正弦波交变电压下运行，转矩脉动小，提升了系统性能。PWM基本原理把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分正弦曲线和横轴所包围面积都用一个与此面积相等等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲中点与正弦波每一等分中点重合。PWM基本原理由N个等幅而不等宽矩形脉冲所组成波形就与正弦半周等效。上页图中一系列脉冲波形就是所期望逆变器输出PWM波形。因为各脉冲幅值相等，所以逆变器可由恒定直流电源供电，符合逆变器电能直交变换模式。SPWM原理以正弦波作为逆变器输出期望波形，以频率比期望波高得多等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们交点确定逆变器开关器件通断时刻，从而取得在正弦调制波半个周期内呈两边窄中间宽一系列等幅不等宽矩形波。SPWM原理SPWM原理为在控制电路中调制，在主电路中输出。在控制电路中，一个频率为fr幅值为Ur参考正弦波Wsin（调制信号）加载于频率为fc幅值为Uc三角波WΔ（载波）后，得到一个脉冲宽度改变SPWM波Wspwm（已调制波），用已调制波高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波Wspwm相同SPWM电压波形，SPWM输入输出原理框图以下页所表示：SPWM原理在控制电路中，一个频率为fr幅值为Ur参考正弦波Wsin（调制信号）加载于频率为ft幅值为Ut三角波WΔ（载波）后，得到一个脉冲宽度改变SPWM波Wspwm（已调制波），用已调制波高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波Wspwm相同SPWM电压波形；SPWM中基本名词定义调制度M：为正弦调制波参考信号幅值Urm与三角载波幅值Ucm之比，用公式表示为：载波比N：为三角载波频率fc与正弦调制波参考信号频率fr之比，用公式表示为：从调制脉冲极性上

单极性脉宽调制：假如在正弦调制波半个周期内，三角载波只在正或负一个极性范围内改变，所得到SPWM波也只处于一个极性范围内

双极性脉宽调制：假如在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续改变，则SPWM波也是在正负之间改变SPWM分类从载频信号和参考信号频率关系

异步调制：载波信号和调制信号不一样时调制方式。

同时调制：

N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同时。

分段同时调制：把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不一样频段N不一样；SPWM分类单极性SPWM波形单极性SPWM波形当参考电压高于三角波电压时，对应输出电压为正电平，反之则产生零电平。负半轴是用一样方法调制后再倒相而成。调制结果是产生等幅、不等宽脉冲列。逆变器主电路能对电机绕组进线端提供三个不一样电位值（参考点可任选取）

双极性SPWM波形双极性SPWM调制方法和单极性相同；双极性控制时逆变器同一桥臂上下两个器件交替通断，处于互补工作方式。主电路提供两个电位值。双极性SPWM波形双极性SPWM波形数学分析双极性SPWM波形电压表示式为写成傅立叶级数形式为记作式中

双极性SPWM波形数学分析依据上页理论基础，可计算不一样调制比M时基涉及主要高次谐波相对值。定义经过一样屡次计算，在载波比N足够大，调制系数时，能够得到以下结论：双极性SPWM波形数学分析a）基波分量与调制系数成正比，即 说明只要改变参考正弦波幅值，就能够改变输出spwm波形中基波分量幅值，且该幅值与调制系数成正比，这就为准确控制输出电压基波值打下了基础。b）小于（N－2）次谐波电压全部为零，消除了（N－2）次以下全部较低次数高次谐波。双极性SPWM波形数学分析双极性SPWM谐波分析双极性SPWM谐波分析双极性SPWM谐波分析SPWM脉宽调制方法同时调制

基本同时调制方式，fr改变时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3整数倍，使三相输出对称SPWM脉宽调制方法同时调制（续）为使一相PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr很低时，fc也很低，由调制带来谐波不易滤除；fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。异步调制整个输出频率范围内载波比N不为常数，普通是保持载波频率一直不变，这么可使低频时载波比增大，输出半周期内脉冲数增加，处理了较低次数高次谐波问题；不能在整个输出频率范围内满足N为3倍数要求，会使输出电压波形相位随时改变，难以确保正、负半波以及三相之间对称性，会引发偶次谐波等其它问题。

SPWM脉宽调制方法异步调制（续）

通常保持fc固定不变，当fr改变时，载波比N是改变；在信号波半周期内，PWM波脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期脉冲不对称，半周期内前后1/4周期脉冲也不对称；SPWM脉宽调制方法异步调制（续）

当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内脉冲数降低，PWM脉冲不对称影响就变大。SPWM脉宽调制方法分段同时调制是将同时、异步调制相结合一个调制方法，它把整个变频运行范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比N为恒定，对不一样频段取不一样N值。这么既保持了同时调制下波形对称、运行稳定优点，又处理了低频运行时谐波增大弊病。SPWM脉宽调制方法分段同时调制（续）把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不一样频段N不一样；在fr高频段采取较低N，使载波频率不致过高；在fr低频段采取较高N，使载波频率不致过低；SPWM脉宽调制方法右图为分段同时调制时，载波频率fc与调制频率fr关系，低频时采取异步调制，然后为分段同时调制，基频以上时进入方波工况。SPWM脉宽调制方法SPWM波形生成自然采样：将三相正弦波与三角波比较，在波形相交点自然地确定脉冲采样点和开关点。即采样点和开关点重合。优点：1、基波幅值与调制度M成正比，利于调压；2、高次谐波伴随载波比N与调制度M增大而减小，有利于波形正弦化。

缺点：1、实时控制时难以计算脉冲宽度；2、离线计算，利用查表法输出PWM波，占有内存过大，不符合微机等采样周期控制要求。规则采样 在载波三角波固定点对正弦波进行采样，以确定脉冲前沿和后沿时刻，而并不论此时是否发生正弦调制波与载波三角波相交。也就是说采样点和开关点不重合，采样点是固定，开关点是改变。开关转换时刻能够利用简单三角函数在线地计算出来，满足了微机全数字控制需要。SPWM波形生成

SPWM波形生成对称规则采样中生成PWM脉宽较实际正弦波与三角波自然相交脉宽偏小，使变频电源输出电压较低；而在不规则采样中，虽能更真实地反应自然采样，但因为在一个载波周期中需要采样两次，极大地增加了数据处理量。所以，在实际采样中我们采取是平均对称规则采样。采样时刻设在三角载波谷底处，以此刻正弦波数值为中心，确定PWM脉冲前后沿。

SPWM波形生成SPWM脉宽调制方法三相380V理想电源供电时电机转速与转矩波形试验一第十周为试验课使用工具matlab/simulink/simPowerSystems仿真一个三相电压源型逆变器，控制方式采取SPWM，负载可选三相对称负载或异步电机。试验汇报上请说明电路参数选择、控制实现方式，仿真结果分析过程等。SPWM实现方式有两种：一、脉冲波形宽度可经过计算方法得到。二、引入通讯技术中调制概念。