第4章_DC_AC变换电路(4.2)

载波比N等于常数，多大合适？
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当逆变电路输出频率很低时， fc也很低， fc过低时由调制带
来的谐波不易滤除
当逆变电路输出频率很高时， 同步调制时的载波频率fc会过 高，使开关器件难以承受
当逆变器输出频率范围很宽时，如何确定载波比？
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3. 分段同步调制
同步式调制和异步式调制的结合
把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段， 每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同
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2） 软件生成法
软件生成法直接根据面积等效原理或模拟 硬件调制法生成SPWM波形
主要算法有 面积等效法、自然采样法
和规则采样法,特定谐波消去法.
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（1） 面积等效法
根据正弦波频率、幅值和半 周期脉冲数，准确计算PWM波 各脉冲宽度和间隔，据此控制 逆变电路开关器件的通断，就 可得到所需PWM波形. 优点：此方法可以准确地计算出各开关器件的通 断时刻，其所得的波形很接近正弦波 缺点：计算繁琐，占用内存大
双极性调制：在调制信号 的正半周或负半周内，对 应的SPWM波形有正负两 种极性的脉冲
Q:若增大SPWM逆变器的输出电压基波 频率，改变fr或fc的频率？
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先讨论单极性调制方法的实现
（单相桥式SPWM电压型逆变电路） 如何控制4个开关管在 输出端得到SPWM波形?
图4-11 单相桥式PWM逆变电路
在 fr 高的频段采用较低的 N ，使载波频率不致 过高，能在功率开关器件所允许的频率范围内
在 fr 低的频段采用较高的 N ，使载波频率不致 过低而对负载产生不利影响
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2)单极性与双极性正弦脉宽调制
单极性调制：在调制信号 的正半周或负半周内，对 应的SPWM波形也只有相 应的正极性或负极性脉冲 表示uo的基波分量
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
冲量 窄脉冲的面积 环节的输出响应波形基本相同
效果基本相同
如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频 段非常接近，仅在高频段略有差异
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如将脉冲序列用相同数量的 将图4-10a）的正弦波分成N
等幅不等宽的矩形脉冲代替， 个比此相连的脉冲序列所组成 使矩形脉冲的中点和相应的正 的波形，这些脉冲宽度相等， 弦波部分的中点重合，且使矩 为π /N，但幅值不等，各脉 形脉冲和相应的正弦波部分面
Ud
+ V2
+
VD1 R uo VD 2
V3 L
VD3
- V4
VD4
调制 电路
图V 6-4 当ur >uc时，控制 1和V4通，V2和V3断
• 如io>0，则V1和V4通， • 如io<0，VD1和VD4通，
• 不管哪种情况uo=Ud
当ur<uc时，控制V2和V3通，V1和V4断 • 如io<0，V2和V3通
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正弦脉宽调制方法的分类
正弦脉宽调制的方法很多，但没有统一的 分类方法。比较常见的分类方法如下:
根据载波信号和调制信号的频率之 间的关系：同步调制和异步调制
根椐调制脉冲的极性：单极性和双 极性
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1) 异步调制和同步调制
载波比
载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 载波和信号波是否同步 及载波比的变化情况
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（3 ） 规则采样法
规则采样法
工程实用方法，是对自然采样法的 改进，效果接近自然采样法，计算 量比自然采样法小得多
取三角波两个正峰值之间为一 个采样周期Tc 使脉冲中点 和三角波一周期 的中点（即负峰点）重合，每个 脉冲的中点都以相应的三角波中 点为对称，使计算大为简化
优点：计算简单，便于在线实时运算
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4） 特定谐波消去法
又称低次谐波消去法，是一种较有代表性的计算方法。
● 在输出电压半周期内，器 件通、断各3次（不包括0和 π），共6个开关时刻可控
●首先，为消除偶次谐波， 使波形正负两半周期镜对称， 即
图4-16 特定谐波消去法的输出PWM波形
优点: 可以很好地消除所指定的低次谐波。 缺点: 剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相 当大；计算复杂。
（2）专用模拟集成脉宽调制器如SG3524、SG3526、TL494 等；
微处理器的速度和精度不断提高，数字化SPWM方法 发展迅速。
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4.2.4 电压型逆变电路的应用
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4.2.4 电压型逆变电路的应用
电压型逆变电路的应用十分广泛，本节介 绍两个电压型逆变电路的应用实例: 开关电源原理与设计 变频器
使用载波对正弦信号波调制，也产生和载波 有关的谐波分量
谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的
重要指标之一
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包含的谐波角频率为
式中 n=1,3,5,…时，k=0,2,4, … n=2,4,6,…时，k=1,3,5, …
PWM波中不含低次谐波， 只含wc及其附近的谐波以 及 2wc、3wc等及其附近的 谐波
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（2） 自然采样法
按照SPWM控制的基本原理， 在正弦波和三角波的自然交点时刻 控制功率开关的通断 正弦调制信号波式中， ur M sin wr t M称为调制系数，0≤M<1； 则第n个脉冲宽度为
优点：所得SPWM波形接近正弦波 缺点：脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐；难以在 实时控制中在线计算，工程应用不多
图4-13 双极性PWM控制方式波形
• 如io>0，VD2和VD3通，
• 不管哪种情况uo=-Ud
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2 三相桥式SPWM逆变电路
双极性PWM控制方式 （三相桥逆变）
U、V和W三相的 PWM控制通常共用三 角波载波uc，三相的调 制信号urU、urV和urW依 次相差120° 当urU>uc时，给V1导 通信号，给V4关断信号， 则uUN’=Ud/2 当urU<uc时，给V4导 通信号，给V1关断信号， 则uUN’=-Ud/2
4.2 电压型逆变电路
4.2.1 单相电压型逆变电路
4.2.2 三相电压型逆变电路
4.2.3 SPWM控制技术
4.2.4 电压型逆变电路的应用
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4.2.3 SPWM控制技术
SPWM法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的 PWM法。它有如下主要优点：
PWM实现起来比较方便，可以模拟或用数字来实现；
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线性电源:
调整管工作在线性放大状态
调整管损耗大
工频变压器体积大,重量大
优点：精度高，性能稳定，电压纹波小 缺点：效率低，功耗大，体积大，大功率时需散热片
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开关电源:
泛指电路中有电力电子器件工作在高频开 关状态的直流电源. 电力电子器件工作在开关状态,损耗小. 隔离和电压变换的变压器T是高频变压器,体积大大缩 小,重量大大减低.
冲幅值按正弦规律变化 积相等，得图4-10b）脉冲序 列，即PWM波形
图4-10 用PWM波代替正弦半波 4
SPWM波形
脉冲的宽度按正弦规律变化而 和正弦波等效的PWM波形 等幅PWM（直流电源产生）
u
O
ω t
>
SPWM波形
不等幅PWM（交流电源产生）
u
o
ωt
直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形， SPWM波得到的是等效正弦波
可以大大降低输出谐波含量，尤其是低频纹波，它
的谐波主要集中在载波频率的K倍的位置，谐波频率较高， 因此滤波器设计容易，实现成本较低； 对于多电平变换器，调制比可以在所有的工作范围内变化； 在载波中注入合适零序列，可以较好地平衡中点电位。
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1. SPWM的基本原理
采样控制理论中一个重要结论
(4-30)
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4 SPWM的数字控制
目前，实现产生SPWM波形的电路有：
（1）分立元件和集成运放构成的模拟控制电路；
（3）与八位或十六位单片微机配套使用的专用SPWM数字信号 发生器，如英国的HEF4752、荷兰的MKII、日本的MB63H110 以及西门子公司的SLE4520 等； （4）用单片机、数字信号处理器等微处理器产生的数字SPWM 电路。
V3 L V4
VD3
VD4
调制 电路 图6-4
在 ur 的 一 个 周 期 内 ， 输出的PWM波有±Ud两 种电平 同 样 在 调 制 信 号 ur 和
图4-13 双极性PWM控制方式波形
载波信号 uc 的交点时刻
控制各开关器件的通断
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V1
双极性PWM控制方式 电流流向
信号波 载波 ur uc
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2. 同步调制
载波比N等于常数，在变频时使
载波与信号波保持同步的调制方式
同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内 输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的
正负半周的脉冲对称，没有偶次谐波，而且半个周期 脉冲排列其左右也是对称的，输出波形等效正弦波。 同步调制方式效果比异步调制方式好，在实际中较多 应用同步调制方式
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图4-14 三相桥式PWM型逆变电路
逆变器输出线电压
PWM波由±Ud和0三种 电平构成
负载相电压PWM波由
(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和 0共5种电平组成 线电压 相电压
图4-15 三相桥式PWM逆变电路波形
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5 SPWM逆变电路的谐波分析
输出电压 输出电流
PWM逆变电路使
接近正弦波
图4-22 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图
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3 SPWM的实现方法
实现SPWM的方法主要：
硬件调制法 软件生成法 特定谐波消去法
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1） 硬件调制法
其实现方法简单，可以用模拟电路构成 三角波载波和正弦调制波发生电路，用 比较器来确定它们的交点，在交点时刻 控制开关器件的通断，以生成 SPWM 波。 模拟电路难以实现精确的控制