SPWM的數(shù)學(xué)計算(調(diào)制比,載波比)-文檔資料

1、1第三節(jié)逆變器的PWM控制2為何采用PWM控制？3為何采用PWM控制？原理圖常規(guī)交直交變頻器傳統(tǒng)變頻器采用可控整流橋變壓，逆變器用來變頻，變壓和變頻在兩個獨(dú)立的變換器中去實現(xiàn)，相互的配合在動態(tài)過程中就會顯得不協(xié)調(diào)，給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來一系列影響。4為何采用PWM控制？主電路有兩個可控的功率環(huán)節(jié)，需兩套控制系統(tǒng)，相對來說比較復(fù)雜；由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性元件存在，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢；可控整流器使供電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出的頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電流。逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，含有較多高次諧波，產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的穩(wěn)定工作。5為何采用PWM控制？象限

2、脈沖整流器電力機(jī)車整流部分為四圖交直交變頻器原理PWM將通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)引入交流變頻領(lǐng)域，采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，可在逆變器上同時實現(xiàn)變壓和變頻，對非正弦供電電機(jī)來說，PWM可消除或消弱有害高次諧波。6為何采用PWM控制？主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；使用了不可控整流器，可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)；逆變器在調(diào)頻的同時實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的性能。7PWM基本原理l把一個正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲線

3、和橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。8PWM基本原理l由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。l上頁圖中一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出PWM波形。l由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，符合逆變器的電能直交變換模式。9SPWM原理l以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)

4、制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。10SPWM原理vSPWM的原理為在控制電路中調(diào)制，在主電路中輸出。在控制電路中，一個頻率為fr幅值為Ur的參考正弦波Wsin（調(diào)制信號）加載于頻率為fc幅值為Uc的三角波W（載波）后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波的高低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動逆變器的主開關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相似的SPWM電壓波形，SPWM輸入輸出原理框圖如下頁所示：11SPWM原理）輸入、輸出原理圖正弦脈寬調(diào)制（SPWMl在控制電路中，一個頻率為fr幅值為Ur的參考正弦波Wsin（調(diào)制信號）加載于頻率為

5、ft幅值為Ut的三角波W（載波）后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波的高低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動逆變器的主開關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相似的SPWM電壓波形；12SPWM中的基本名詞定義l調(diào)制度M：為正弦調(diào)制波參考信號幅值Urm與三角載波幅值Ucm之比，用公式表示為：l載波比N：為三角載波頻率fc與正弦調(diào)制波參考信號頻率fr之比，用公式表示為：cmrmUUM rcffN 13l從調(diào)制脈沖的極性上 單極性脈寬調(diào)制：單極性脈寬調(diào)制：如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍

6、內(nèi) 雙極性脈寬調(diào)制：雙極性脈寬調(diào)制：如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化SPWM分類14l從載頻信號和參考信號的頻率關(guān)系 異步調(diào)制異步調(diào)制：載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。同步調(diào)制同步調(diào)制： N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制：把 fr 范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同；SPWM分類15單極性SPWM波形倒向信號單極性脈寬調(diào)制波形16單極性SPWM波形l當(dāng)參考電壓高于三角波電壓時，相應(yīng)輸出電壓為正電平，反之則產(chǎn)生零電平。l負(fù)半軸是用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。l調(diào)制結(jié)果是產(chǎn)

7、生等幅、不等寬的脈沖列。l逆變器主電路能對電機(jī)繞組的進(jìn)線端提供三個不同的電位值 （參考點(diǎn)可任選?。ヾdUU、 017雙極性SPWM波形逆變器三相輸出波形雙極性SPWMl雙極性SPWM調(diào)制方法和單極性相同；l雙極性控制時逆變器同一橋臂上下兩個器件交替通斷，處于互補(bǔ)的工作方式。主電路提供 兩個電位值。2dU18雙極性SPWM波形19雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析v雙極性SPWM波形電壓表達(dá)式為v寫成傅立葉級數(shù)形式為時）（時crdcrdAuuUuuUu2)(210)sincos(2kkkkwtbkwtaau20v記作式中 10)sin(kkkmkwtUUu20cos21kwtdwtuak20sin21k

8、wtdwtubk0spwm210200UuudwtU波形上、下對稱，的直流分量，次諧波幅值的k22UbaUkkkm次諧波相位角的kUbaarctgkkk雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析21v依據(jù)上頁理論基礎(chǔ)，可計算不同調(diào)制比M時的基波及主要高次諧波的相對值。v定義 通過同樣的多次計算，在載波比N足夠大，調(diào)制系數(shù) 時，可以得到以下結(jié)論：雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析2/*dkmkmUUU1M22a）基波分量與調(diào)制系數(shù)成正比，即說明只要改變參考正弦波的幅值，就可以改變輸出spwm波形中基波分量幅值，且該幅值與調(diào)制系數(shù)成正比，這就為準(zhǔn)確控制輸出電壓的基波值打下了基礎(chǔ)。b）小于（N2）次的諧波電壓全部為零，消除

9、了（N2）次以下全部較低次數(shù)的高次諧波。雙極性SPWM波形數(shù)學(xué)分析23雙極性SPWM諧波分析高次諧波分量波形的基波分量及主要時雙極性SPWM15N24雙極性SPWM諧波分析25雙極性SPWM諧波分析26SPWM脈寬調(diào)制方法l同步調(diào)制基本同步調(diào)制方式，fr 變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；三相電路中公用一個三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱27SPWM脈寬調(diào)制方法l同步調(diào)制（續(xù)）為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)；fr 很低時，fc 也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除；fr 很高時，fc 會過高，使開關(guān)器件難以承受。28l異步調(diào)制整個輸出頻率范圍內(nèi)載波比N不為

10、常數(shù)，一般是保持載波頻率始終不變，這樣可使低頻時載波比增大，輸出半周期內(nèi)脈沖數(shù)增加，解決了較低次數(shù)的高次諧波問題；不能在整個輸出頻率范圍內(nèi)滿足N為3的倍數(shù)的要求，會使輸出電壓波形相位隨時變化，難以保證正、負(fù)半波以及三相之間的對稱性，會引起偶次諧波等其他問題。 SPWM脈寬調(diào)制方法29l異步調(diào)制（續(xù)）通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時，載波比 N 是變化的；在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱；SPWM脈寬調(diào)制方法30l異步調(diào)制（續(xù)）當(dāng) fr 較低時，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響

11、都較??；當(dāng) fr 增高時，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大。SPWM脈寬調(diào)制方法31l分段同步調(diào)制是將同步、異步調(diào)制相結(jié)合的一種調(diào)制方法，它把整個變頻運(yùn)行范圍劃分為若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比N為恒定，對不同頻段取不同的N值。 這樣既保持了同步調(diào)制下波形對稱、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，又解決了低頻運(yùn)行時諧波增大的弊病。SPWM脈寬調(diào)制方法32l分段同步調(diào)制（續(xù)）把 fr 范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同；在 fr 高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在 fr 低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低；SPWM脈寬調(diào)制方法33l右圖為分

12、段同步調(diào)制時，載波頻率fc與調(diào)制頻率fr關(guān)系，低頻時采用異步調(diào)制，然后為分段同步調(diào)制，基頻以上時進(jìn)入方波工況。SPWM脈寬調(diào)制方法34SPWM波形的生成l自然采樣自然采樣：將三相正弦波與三角波比較，在波形相交點(diǎn)自然地確定脈沖的采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)。即采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)重合。l優(yōu)點(diǎn)：1、基波幅值與調(diào)制度M成正比，利于調(diào)壓；2、高次諧波隨著載波比N與調(diào)制度M的增大而減小，有利于波形正弦化。l缺點(diǎn)：1、實時控制時難以計算脈沖寬度；2、離線計算，利用查表法輸出PWM波，占有內(nèi)存過大，不符合微機(jī)等采樣周期的控制要求。35v規(guī)則采樣在載波三角波的固定點(diǎn)對正弦波進(jìn)行采樣，以確定脈沖的前沿和后沿時刻，而并不管此時是否發(fā)

13、生正弦調(diào)制波與載波三角波相交。也就是說采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)不重合，采樣點(diǎn)是固定的，開關(guān)點(diǎn)是變化的。開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻可以利用簡單的三角函數(shù)在線地計算出來，滿足了微機(jī)全數(shù)字控制的需要。SPWM波形的生成36 自然采樣對稱規(guī)則采樣不對稱規(guī)則采樣平均對稱規(guī)則采樣SPWM波形的生成37v對稱規(guī)則采樣中生成的PWM脈寬較實際的正弦波與三角波自然相交的脈寬偏小，使變頻電源的輸出電壓較低；而在不規(guī)則采樣中，雖能更真實地反映自然采樣，但由于在一個載波周期中需要采樣兩次，極大地增加了數(shù)據(jù)的處理量。因此，在實際采樣中我們采用的是平均對稱規(guī)則采樣。采樣時刻設(shè)在三角載波的谷底處，以此刻的正弦波數(shù)值為中心，確定PWM脈沖的前后沿。 SPWM波形的生成38SPWM脈寬調(diào)制方法39q三相380V理想電源供電時電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形404142圖6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud43444546 實驗一v第十周為實驗課v使用工具matlab/simulink/simPowerSystems仿真一個三相電壓源型逆變器，控制方式采用SPWM，負(fù)載可選三相對稱負(fù)載或異步電機(jī)。v實驗報告上請說明電路參數(shù)選擇、控制實現(xiàn)方式，仿真結(jié)果分析過程等。47vSPWM的實現(xiàn)方式有兩種：一、脈沖波形的寬度可通過計算方法得到。二、引