基于pwm技术的逆变器输出波形分析

基于pwm技术的逆变器输出波形分析

1u3000功率开关器件性能评价随着能源电子技术和微型计算机控制技术的发展，脉宽调制（pm）技术在交流速度等领域得到广泛应用，成为电气传动和自动控制技术的热点之一。评价PWM技术主要有三项指标:直流电压利用率、输出波形中的谐波分量以及功率开关器件的损耗。虽然正弦脉宽调制(SPWM)是一种常用的PWM技术,但从上述评价PWM技术的指标来看,梯形波脉宽调制(TPWM)技术优于SPWM技术。变流器采用TPWM技术后,其输出功率得以提高,功率器件的开关损耗得以减小,并且还减小了变流器输出波形中的谐波分量。本文根据TPWM技术的机理,提出采用Intel8XC196MC的波形发生器产生TP-WM波形的方法,并进行了相关的实验分析研究。2tpwm技术的波形调制波理论分析将梯形波和三角载波相比较可产生TPWM输出波形,通过波形优化运算确定梯形调制波的参数,可提高TPWM输出波形的性能指标。梯形调制波信号es是由三角波est在±Es之间限幅后得到的,如图1所示。图中Est是est的幅值,Eb是三角载波的幅值(图中未画出高频三角波)。梯形波与三角波幅值之比σ称作“三角形系数”,可表示为:由图1可以得出σ与之间的关系为:梯形调制波的数学表达式为:将TPWM用傅立叶级数展开,可以得出采用TPWM技术的逆变器输出线电压的基波幅值V1和各次谐波分量的幅值Vn,以及逆变器输出波形的畸变系数δ。其表达式分别为:因为是的函数,故V1、Vn、Vn/V1以及δ皆为σ的函数。理论分析表明:根据增大基波幅值以减小低次谐波幅值的原则,最佳梯形调制波是σ=2/5。在此情况下,输出波形中不含5次谐波,而7次谐波幅值的最大值也只有基波幅值的3.2%,11、13次等谐波的分量的幅值更小,而基波分量幅值为1.03Ed,远大于以正弦波作为调制信号时的0.87Ed。因此可以说TPWM是一种优于SPWM的脉宽调制技术。3tm波形脉冲宽度tpwm的实现若用模拟的方法产生梯形调制波并实现TP-WM技术比较困难,而Intel公司的8XC196MC单片机,其内部波形发生器(WG)特别适用于PWM技术,可充分利用其硬件功能强、软件编程灵活、控制方便的特点,实现各种复杂的PWM波形。在双极性PWM控制方式下,8XC196MC的波形发生器输出TPWM波形脉冲宽度的计算公式表示为:将式(8)按载波比离散后存入EPROM,8XC196MC结合查表与实时计算,求出每个输出脉冲的宽度,由P6口送给变流器的驱动电路。指出的是,脉冲宽度计算公式不是唯一的,不同的软件编制方法有不同的计算公式。4结果分析4.1逆变电路参数实验电路采用交-直-交电压型变流器结构,其中整流电路选用三相整流模块,型号为SKD160。逆变电路功率开关器件选用IGBT模块,型号SKM75GB123。驱动电路选用型号为IR2132的高性能六输出驱动器。整个系统由8XC196MC芯片集中控制,系统框图如图2所示。4.2实验条件相同时为了便于分析比较,在载波比为21,载波频率为1050Hz,m=1,Mt=1/σ=2.5,且实验条件相同时,利用图2所示的实验电路分别输出TPWM波形和SPWM波形。图3给出了采用TPWM时变流器输出线电压和线电流波形。实验结果分析如下:(1)spwm和tpwm变流器输出的线电压有效值比较变流器的直流电压利用率定义为变流器输出线电压的基波幅值与变流器直流电压之比。在其直流电压为141V时,采用SPWM和TPWM变流器输出的线电压有效值各为90.37V和111.7V,后者较前者增加23.6%。由式(4)知,采用TPWM技术时变流器输出线电压的基波分量为146.9V,直流电压利用率为104%,比采用SPWM技术时高19%。(2)开关频率的选择在其它条件不变的情况下,变流器的功率开关器件的开关损耗正比于开关频率。对于TPWM技术,其实际的开关频率损耗比载波频率低40%左右,对比实验表明,在相同的输出功率条件下,TP-WM的功率开关器件损耗仅为SPWM的1/3左右,如图4所示。(3)基波分量的影响变流器输出线电压的频谱分析如图5所示。与SPWM相比,TPWM波形的基波分量增大8.5%,1kHz左右的谐波幅值略有增加,而2.5kHz左右的谐波幅值则明显减小。5变流器与tpwm技术比较通过理论分析和对比实验可以看出,TPWM明显优于SPWM技术。与SPWM相比,采用T