电力电子技术chapter4-2.ppt

电力电子技术,PowerElectronics,第4章DC－AC变换器,,,,,1,2,3,4,基本内容,电压型方波逆变器以及电压型阶梯波逆变器当需要改变输出电压幅值时，一般常采用脉冲幅值调制（PAM）或单脉冲调制（SPM）。这类逆变器应用于大功率场合具有开关损耗低，运行可靠等优点，但也存在动态响应慢、谐波含量大（方波逆变器）、结构复杂（阶梯波逆变器）等一系列不足。例如，当利用电压型逆变器驱动交流电动机时，需进行变频变压（VVVF）控制，此时若采用PAM方式，则必须采用两套功率调节电路与控制即输出电压的调整依赖于可控整流电路及其控制而输出频率的调整则由逆变器及其控制。,,,4.2.3电压型正弦波逆变器,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,这不仅使电路结构和控制复杂化，而且因电压与频率的不同控制响应将导致系统响应变慢，这主要是由于直流侧的储能惯性会使可控整流电路的输出电压响应远慢于逆变器的输出频率响应。对于要求输出正弦波电压的电压型PWM逆变器，常称为电压型正弦波逆变器。这种电压型正弦波逆变器一般应具备以下特点即逆变器的直流电压可采用结构简单的不控整流电路；利用单一的功率电路及其控制，可同时调整输出频率和输出电压，动态响应快；由于输出电压的谐波频率主要分布在开关频率及其以上频段，因而输出谐波含量低。,,,4.2.3电压型正弦波逆变器,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,电压型正弦波逆变器的基本原理从图4-24a中容易看出在频率恒定的一个正弦波周期中，斩控脉冲的占空比和斩控周期一定，而斩控脉冲的幅值则按正弦函数变化，当要改变斩控波形的基波幅值时，若被斩控正弦波的幅值不变，则只需要控制斩控占空比即可。显然，当斩控频率足够高时，其斩控波形的谐波含量会足够低。由于被斩控正弦波的频率恒定，因此，该方案适用于交流变压恒频控制，属于AC-AC变换中的交流斩波变换，其优点就是可以直接对频率一定的输入（如50HZ交流电）进行斩控，以调节交流斩波输出的基波幅值。,,,4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,图4-24正弦波的斩波与脉宽调制a正弦波斩波波形,然而，针对实际广泛应用的交流变频器，其主要采用交流变压变频（VVVF）控制策略，即在改变交流输出幅值的同时，还需改变其交流输出频率。如何利用DC-AC变换来实现基于正弦波斩控的VVVF控制输出呢在交流斩波变换的基础上，考虑将斩波变换的交流输入变成直流输入。进一步观察图4-24a所示的正弦波斩控波形，当斩控频率足够高时，占空比和斩控周期固定而幅值按正弦函数变化的斩波脉冲的面积也近似按正弦函数变化。利用一低通滤波器对斩控脉冲进行滤波就可以输出正弦波。,,,4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,图4-24正弦波的斩波与脉宽调制a正弦波斩波波形,针对直流电压一定的电压型逆变器，可以考虑另一种能使脉冲面积按正弦函数变化的脉冲斩控方案即在足够高的斩控频率条件下，保持斩控脉冲的幅值不变，只改变脉冲的宽度，并使脉冲的宽度按正弦函数变化。这同样能使斩波脉冲的面积按正弦函数变化，同时改变其正弦函数的幅值和频率即可同时改变变换器输出基波的幅值和频率。利用恒定直流输入的DC-AC变换器完全可以实现基于正弦波斩控的VVVF控制输出。,,,4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,图4-24正弦波的斩波与脉宽调制a正弦波斩波波形,这种保持脉冲幅值不变而改变脉冲宽度的波形调制方式称为脉冲宽度调制，简称为PWM，而对于脉冲宽度按正弦函数变化的PWM则称为正弦脉冲宽度调制，简称为SPWM。采用SPWM的脉冲调制波形如图4-24b所示。实际上，PWM的基本原理可以由冲量等效原理进行描述即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其惯性环节的输出基本相同。,,,4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,图4-24正弦波的斩波与脉宽调制a正弦波斩波波形,,b正弦脉宽调制波形,4.2.3.1电压型正弦波逆变器的基本原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其惯性环节的输出基本相同这里所谓的“冲量”是指窄脉冲的面积而“惯性环节的输出基本相同”是指输出波形的频谱中，低频段基本相同，仅在高频段略有差异。图4-25依次表示了四种冲量相等而形状不同的脉冲波形，即矩形脉冲、三角波脉冲、正弦半波脉冲以及单位脉冲。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,图4-25冲量相等而形状不同的四种脉冲波形a矩形脉冲波b三角脉冲波c正弦脉冲波d单位脉冲波,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,如何实现SPWM及其波形发生呢1963年，F.G.Turnbll首次提出了特定谐波消除法，即通过特定谐波为零的约束条件直接确定PWM脉冲的上升、下降沿时刻，然而由于超越方程在线运算的困难，因而该方法没能推广。1964年，德国学者A.Schnoung和H.Stemmler首次将通讯系统的调制技术应用到交流传动中的变频器控制中，诞生了SPWM技术，后来由英国Bristol大学的S.R.Bowes于1975年进行了推广与应用，使这种基于通讯调制技术的SPWM技术得到广泛的接受并成为脉宽调制研究的热点。此后，随着微处理器技术的发展，Bowes又相继提出了规则采样数字化SPWM方案和能提高直流电压利用率的准优化SPWM方案，使SPWM技术日趋成熟，但其基本的调制规则并没有改变。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,基于载波的对称调制与非对称调制随着SPWM技术发展，已研究出多种特性各异的SPWM控制方案，但大多数SPWM控制方案仍采用了基于通讯调制技术的PWM基本调制规则。这种基本调制规则是以正弦参考波作为“调制波”（modulatingwave），并以N倍调制波频率的具有分段线性特性的三角波或锯齿波为“载波”（carrierwave），将载波与调制波对称相交，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于正弦调制波函数的方波脉冲序列。利用这一方波脉冲序列，并通过相应的驱动逻辑单元驱动逆变器的功率开关，便可以实现逆变器的SPWM控制。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,基于载波的对称调制与非对称调制采用三角载波和锯齿载波的SPWM脉冲序列如图4-27所示。令调制波频率为fr，载波频率为fc，则称N＝fc/fr为载波比；令调制波幅值为Urm，载波幅值为Ucm，则称M＝Urm/Ucm为调制度。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,图4-27三角载波和锯齿载波的SPWM及其脉冲序列a三角载波SPWM及其脉冲序列b锯齿载波SPWM及其脉冲序列,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,基于载波的对称调制与非对称调制采用三角载波的SPWM脉冲序列由于三角载波的对称特性，因而属于对称载波调制（当采用阶梯调制波拟合正弦调制波时，其调制脉冲将关于载波中心线对称，参见“规则采样法”）；而采用锯齿载波的SPWM脉冲序列由于锯齿载波的非对称特性，因而属于非对称载波调制。相比之下，锯齿载波的SPWM实现较为简单，即使采用拟合正弦调制波的阶梯调制波调制时，由于锯齿载波固有的非对称特性，因而输出波形中含有偶次谐波。而在相同的开关频率以及调制波条件下，三角载波的SPWM其输出波形的谐波含量相对较低。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,异步调制对于任意的调制波频率fr，载波频率fc恒定的脉宽调制称为异步调制。在异步调制方式中，由于fc保持一定，因而当fr变化时，调制波信号与载波信号不能保持同步，即载波比N与调制波频率fr成反比，因此，异步调制具有以下特点由于fc固定，因而逆变器具有固定的开关频率。当fr变化时，载波比N与fr成反比。例如当fr变高时，载波比N变小，即一个调制波周期中的脉冲数变少；而当fr变低时，载波比N变大，即一个调制波周期中的脉冲数变多。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,异步调制当fr固定时，一个调制波正、负半个周期中的脉冲数不固定，起始和终止脉冲的相位角也不固定。换言之，一个调制波正、负半个周期以及每半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形不具有对称性。不同fr时的异步调制SPWM波形如图4-28所示。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,图4-28不同调制波频率frfr1﹥fr2时的异步调制SPWM波形,afr＝fr1,bfr＝fr2,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,异步调制由于异步调制时的开关频率固定，所以对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为容易。由于一个调制波周期中脉冲波形的不对称性，将导致基波相位的跳动。对于三相正弦波逆变器，这种基波相位的跳动会使三相输出不对称。当fr较低时，由于一个调制波周期中的脉冲数较多，脉冲波形的不对称性所造成的基波相位跳动的相角相对较小；而当fr较高时，由于一个调制波周期中的脉冲数较少，脉冲波形的不对称性所造成的基波相位跳动的相角相对变大。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,同步调制因此采用异步调制时，SPWM的低频性能好，而高频性能较差。因此应尽量提高SPWM的fc。但会导致开关损耗增加。对于任意的调制波频率fr，载波比N保持恒定的脉宽调制称为同步调制。在同步调制方式中，由于载波比N保持恒定，因而当fr变化时，调制波信号与载波信号应保持同步，即fc与fr成正比，因此，同步调制具有以下特点由于fc与fr成正比，因而当fr变化时，fc也相应变化，这就使逆变器的开关频率不固定。例如当fr变高时，fc同步变高，从而使开关频率变高；而当fr变低时，fc同步变低，从而使开关频率变低。由于载波比N保持一定，当fr变化时，一个调制波周期中的脉冲数将固定不变。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,同步调制当载波比N为奇数时，一个调制波正、负半个周期以及半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,图4-29不同调制波频率frfr1﹥fr2时的同步调制SPWM波形afr＝fr1bfr＝fr2,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,同步调制当载波比N为奇数时，由于SPWM波形的对称性，无论fr高低，都不会导致基波相位的跳动。由于同步调制时的开关频率随fr的变化而变化，所以对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为困难。当fr变高时，fc变高，从而使开关频率变高，输出谐波减小；当fr变低时，fc变低，从而使开关频率变低，输出谐波增大。因此采用同步调制时，SPWM的高频性能好，而低频性能较差。为了克服这一不足，同步调制时，应尽量提高SPWM的载波比N，但较高的载波比设计会使调制波频率变大时逆变器的开关频率增加，从而导致开关损耗增加。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,分段同步调制对比同步与异步调制发现两者具有互补的性能特点，但是对于各自不足的改进，都是通过提高开关频率来实现，而提高开关频率会导致开关损耗增加。是否可将同步与异步调制相结合，构成一种新的调制方案呢分段同步调制上是在结合异步调制优点（低频特性好）基础上，并克服了同步调制的不足（低频特性差）而产生的。分段同步调制，就是首先将fr的变化范围划分为若干个频段区域，在每个频段区域中，采用同步调制（载波比N为奇数且恒定）。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,分段同步调制为克服同步调制低频特性差的这一不足，可以结合异步调制时其载波比N与fr成反比的特点，使不同频段区域中的载波比N发生变化例如当调制波频率由fr1下降到fr2时，载波比也由N1突变增大到N2，此时fc由fc2突变增大到fc21，从而有效地克服了同步调制时fc与fr成正比变化的不足。可见，采用分段同步调制时，随着fr的变化，fc由于载波比N的切换，使fc的变化被限制在某两个频率点范围内。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,分段同步调制为了防止fc在切换频率点上的振荡，可在各频率切换点切换时，依据fr的不同变化方向加入切换滞环。调制波频率fr变化时，基于滞环特性的分段同步调制载波频率切换如图4-30所示。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,图4-30调制波频率fr变化时基于滞环特性的分段同步调制载波频率切换,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成SPWM脉冲信号的生成是指通过模拟或数字电路对载波信号和调制波信号进行适当的比较运算处理，从而生成与调制波信号相对应的脉宽调制信号，以此驱动正弦波逆变器的功率开关。SPWM脉冲信号的生成主要包括模拟生成法和数字生成法。1模拟生成法模拟比较法是将载波信号（如三角波信号）和调制波信号（如正弦波信号）通过模拟比较器进行比较运算，从而输出SPWM脉冲信号。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,图4-31SPWM脉冲信号模拟比较法生成的原理电路,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成2数字生成法1自然采样法是通过联立三角载波信号和正弦调制波信号的函数方程并求解出三角载波信号和正弦调制波信号交点的时间值，从而求出相应的脉宽和脉冲间隙时间以生成SPWM脉冲信号。自然采样法实际上就是模拟比较法的数字实现，其原理如图4-32所示。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,,图4-32SPWM脉冲信号自然采样法生成原理,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成2数字生成法1自然采样法若令三角载波幅值Ucm＝1，调制度为M，正弦调制波角频率为ωr，则正弦调制波的瞬时值为由图4-32，并根据相似三角形的几何关系可得自然采样法SPWM脉宽t2的表达式为,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,图4-32SPWM脉冲信号自然采样法生成原理,4-30,,4-31,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成3数字生成法1规则采样法是将自然采样法中的正弦调制波以阶梯调制波进行拟合后一种简化的SPWM脉冲信号发生方法，其原理如图4-33所示。每个载波周期中，原正弦调制波与三角载波周期中心线的交点就是阶梯波水平线段的中点。这样，三角载波与阶梯波水平线段的交点A、B两点就分别落在正弦调制波的上下两边，从而减少了以阶梯波调制的误差。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,,,图4-33SPWM脉冲信号规则采样法生成原理,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成3数字生成法1规则采样法由图4-33，并根据相似三角形的几何关系容易得出规则采样法SPWM脉宽t2以及脉冲间隙时间t1、t3的表达式分别为由于te、Tc、M均为已知量，因此，规则采样法SPWM脉宽t2的计算较为简便，适合基于微处理器的数字SPWM控制。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,,,图4-33SPWM脉冲信号规则采样法生成原理,,4-32,4-33,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成4数字生成法2特定谐波消除法利用PWM波形的傅立叶级数分解，通过数个特定谐波幅值为零以及基波幅值控制方程式的联立，求解出PWM波形脉冲沿的转换角，从而实现SPWM脉冲信号的发生。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,,,图4-34SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成4数字生成法2特定谐波消除法为了减小谐波和简化波形发生，首先考虑消除偶次谐波，为此PWM脉冲波形的正、负半周应对称与零点，即f（ωt）－f（πωt）；另外，为了消除谐波中的余弦项，则必须使PWM脉冲波形奇对称，即f（ωt）－f（π－ωt）,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,图4-34SPWM脉冲信号特定谐波消除法生成的PWM脉冲波形,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成4数字生成法2特定谐波消除法为说明谐波消除的算法原理，令半个调制波周期中脉冲沿的转换角αi（i1，2，3，K）满足如下条件根据傅立叶级数分解，上述PWM脉冲波形的谐波和基波幅值分别为由于有K个转换角αi（i1，2，3，K）需要求解，上述基波和谐波幅值方程只有K个自由度。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,0≤α1≤α2≤α3≤≤αK≤π/24-34,4-35,4-36,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成4数字生成法2特定谐波消除法为了使基波幅值可控（占一个自由度），则必然只能使（K－1）个谐波幅值为零（占K－1个自由度），因此在上述PWM脉冲波形中，只能消除指定的（K－1）种谐波。由式（4-36可令其中的（K－1）种谐波幅值为零，即,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成跟踪型两态调制法两态调制（TSM－Two-StateModulation）是美国的A.G.Bose于1966年提出的。所谓跟踪型两态调制是指利用一个闭环控制中的误差滞环比较器，直接产生一个只有两态（高电平、低电平）的PWM控制信号，以使某一输出量能自动跟踪控制指令。当将两态调制运用于逆变器的控制时，若控制指令为正弦波时，通过误差滞环比较器的输出就可以实现SPWM脉冲信号发生。这种跟踪型两态调制法既可以利用模拟生成法实现也可以利用数字生成法实现。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的基本问题,SPWM脉冲信号的生成跟踪型两态调制法图4-35a表示了一个电压型半桥逆变器的电流跟踪型两态调制结构，其PWM及其电流跟踪波形如图4-35b所示。基本规律当VT1或VD1导通时，输出电流i增大；而当VT2或VD2导通时，输出电流I减小。可以将逆变器的输出电流控制在i*－ΔI和i*＋ΔI的范围内。一种基于滞环比较器的闭环调制PWM脉冲信号方式。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,图4-35电流跟踪型两态调制结构及其PWM电流跟踪波形,电压型半桥逆变器电路,PWM电流跟踪波形,4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制,单相电压型正弦波逆变器原理电路如图4-36所示。对于单相电压型正弦波逆变器，可采用三种SPWM控制方案，即单极性SPWM控制、双极性SPWM控制以及倍频单极性SPWM控制。以下分别进行讨论。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,图4-36单相电压型正弦波逆变器原理电路,4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制,单极性SPWM控制所谓单极性SPWM控制是指逆变器的输出脉冲具有单极性特征。即当输出正半周时，输出脉冲全为正极性脉冲；而当输出负半周时，输出脉冲全为负极性脉冲。为此，必须采用使三角载波极性与正弦调制波极性相同的所谓单极性三角载波调制。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,,图4-37单极性SPWM控制时的调制波形与驱动信号生成,4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制,根据单相电压型正弦波逆变器电路桥臂控制功能的不同，可将其分为周期控制桥臂以及调制桥臂。功率管驱动信号生成原理电路如图4-37b所示，比较器A用于驱动周期控制桥臂，B用于驱动调制桥臂。在正弦调制波正半周，由于三角载波的极性为正，则比较器B的输出极性为正，此时VT4导通有效而VT3关断有效。比较器A则根据调制波与载波的调制而输出SPWM信号。显然，正弦调制波正半周时，逆变器输出正极性的SPWM电压脉冲。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,VT3（VD3）、VT4（VD4）作为周期控制桥臂,,,VT1（VD1）、VT2（VD2）则作为调制桥臂,4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制,双极性SPWM控制是指逆变器的输出脉冲具有双极性特征。即无论输出正、负半周，输出脉冲全为正、负极性跳变的双极性脉冲。当采用基于三角载波调制的双极性SPWM控制时，只须采用正、负对称的双极性三角载波即可。为实现双极性SPWM控制，需对逆变器的功率管进行互补控制。双极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路如图4-38b所示。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,,双极性SPWM控制时的调制波形,相应的驱动信号生成电路,4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制,双极性SPWM控制当正弦调制波信号瞬时值大于三角载波信号瞬时值时，比较器的输出极性为正，VT1、VT4导通有效，而VT2、VT3关断有效，逆变器输出为正极性的SPWM电压脉冲。同理，当正弦调制波信号瞬时值小于三角载波信号瞬时值时，比较器的输出极性为负，VT2、VT3导通有效，而VT1、VT4关断有效，逆变器输出为负极性的SPWM电压脉冲。双极性SPWM控制由于采用了正、负对称的双极性三角载波，从而使简化了SPWM控制信号的发生。,,,4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器,,4.2.3.3单相电压型正弦波逆变器的PWM控制,倍频单极性SPWM控制逆变器输出脉冲的调制频率是载波频率的两倍，并且输出脉冲具有单极性特征。倍频单极性SPWM控制有调制波反相和载波反