第三章 PWM脉宽调制式逆变器

RPWM是波形调制式PWM逆变器中 最简单的一种。当逆变器的转换次 数限制在30次以内时，RPWM调制 波是最好的。 单脉冲RPWM逆变器 多脉冲RPWM逆变器 三相RPWM逆变器
uL uL
n 1, 3, 51 T
U


m( n)
sin nt
T3
Uc Us
4E n n 1, 3, 5

Uc Us
调制波起始点在三角波的正负峰值处时， 输出电压中含有正弦项和余弦项；而调制 波起始点在三角波起始点在三角波上升或 下降沿零点处时，输出电压中只含正弦项， 波形对称于原点。 所以，就输出波形而论，正弦调制波起始 点取在三角波的上升或者下降沿零点处为 好，它可以得到对称于原点的奇函数波形， 这一点在N值较小的同步应用时是很重要的。
为了得到较好的输出波形，必须做到以下三 点： 1）SPWM中的调制波与载波必须同步工作， 即N=正整数。 2）N必须取奇整倍数，以保输出波形为奇 谐波函数，既对称于原点，又对称于横轴。 3）正弦调制波起始点的位置必须在三角波 的下降沿零点处，在N值很小时这一点尤为 重要。
所谓过调制。即调制度M>1的调制。 在M=0～1区间内，基波幅值随着M的增大 而线性地增加； 在M= 1～3.24区间内，基波幅值随着M的 增大而呈非线性增加； 在M>3.24时曲线呈饱和状态，基波幅值不 再随M的增大而增加。

两个相位相反的二阶SPWM波相减，就得 到了一个N=2N’的三阶SPWM波，而两个 二阶SPWM中的载波、载波的奇次谐波， 以及它们的上下边频都被消除掉了。
u AB
4E
3 2
ME cos
T1
J n mM A 2 m
T3 2 s 6
m n B 2

T5

sinm N n
载波用三角波的三阶SPWM波形的谐波含 量比载波用全波三角波的二阶SPWM波形 的谐波含量要小。
u L ME sin s t 2E
J 0 m M sinm N n s t n m
m 1, 2 , n 1, 2,


cosm
逆变电源技术
逆变器的脉宽调制技术PWM(Pulse Width 脉宽调制技术与多重叠加法相比较，有以下 脉冲宽 调制相 载波波 载波比 Modulation)是用一种参考波(通常是正弦波，有时 显著的优点： 度 数 形 也用阶梯波或方波等)为“调制波”(modulating 1）电路简单，只用一个功率控制级就可以调 waves)，而以N倍于调制波频率的正三角波(有时也 节电压输出，又可以调节输出频率。 同步 等脉宽调 用锯齿波)为“载波”(carrier wave)。由于正三角 两相调制 非对称 2）可以使用不可控整流桥，使系统对电网的 制 波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它 功率因素与逆变器输出电压值无关。 与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽 非同步 3）可以同时进行调频、调压，与中间直流环 度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调 不等脉宽 节的元件参数无关，系统的动态响应速度快。 制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关 三相调制 对称 同步-非 调制 管的通断控制，把直流电变成交流电，这一种技术 4）可以获得更好的波形改善效果。 同步交替 就叫做脉宽调制技术。

u Ao
2k (1 M sin Y ) tc 2 2 E 2 X mM E m J 0 2 1 cosmtc 2kNst (1 M sin Y ) sin m 2 2 m 1, 3, u AO 2k (1 M sin Y ) tc 2 2 E 2 cosm n 1sin mt cosm N n t mM X E 2 m J n 2 c 2k (1 M sin Y ) s m 1, 3, n 2 , 4 , 2 2 E 2 m J n mM cosm n 11 cosmtc cosm N n s t 2


tc sin ns t

2E m m 2 , 4 ,


J
mM 0 2

sin m
mM n 2
tc 2
cosm Ns t
tc 2
2E m m 1, 3, n 2 , 4 , 2E m m 2 , 4 , n 1, 3,




就输出波形而言，N=奇数为好，它可以使输出电 压中的谐波全为奇次谐波，所得到的波形既对称于 原点，又对称于纵轴（镜对称），所以是奇次谐波 函数。 当N=奇数时，比较正弦波起始点位置在下降沿零 点处和在上升沿零点处两种波形可知，上升沿零点 处，所得波形的第一个脉冲是负脉冲，而且当N值 很小时波形很差，不如起始点在下降沿零点处。 所以在选择调制波起始点的位置和选择N等于奇数 或偶数时，应选取起始点在下降沿零点处，N=奇 数为最好。
2 4
E
E
T1
T3
T5
a
THD b
T6
U n
U1
2
100%
c
滤 波 器
负 载
T4
T2
Uc Us
uab U abm ( n ) sin ns t
u ao
U abm ( n )
u bo u ab
4E


3 2

3 2
cos15M 1 sin 15M 2

Uc Us
uab U abm ( n ) sin ns t

u Ao
t 2E sin s t m2J 0 mM cos m M csin Y m Ncs t k 2 2 (1 2 sin ) t2 2 E 2 X1,3, m tc 2k 2 2 (1 M sin Y ) 2 u 2 E tc AO mM 2k 2 2 (1 M n Y 2 m J n 2 cos m 2 sin m N sin )s t tc E X m 1, 3, n 2 , 4 , 2 tc 2k 2t 2 (1 M sin Y ) 2 2E m J n mM cos m 2 c sin m N n s t 2 ME 2 m 2 , 4 , n 1, 3,
2k M sin Y u L ME sin s t X 2E cos 0 2sin Ym m n 1, 2k 1, 2, M , uL J 0 m M E X 2k M sin Y sinm N n s t n m 2k M sin Y
4E
J n mM 2 m m 2 , 4 , n 1, 3,

虽然N都等于9（是奇数），但调制波起始点位置不同，所得到的波形 也就不同。比较线电压的波形与谐波分析结果，得出以下结论： 调制波起始点位置在三角波下降沿零点处的波形较好，它既对称于原 点，又对称于横轴。
当N的数值较高时，调制波起始点位置与N取奇数 还是偶数对波形的影响很小，可以随便选取，调制 波与载波可以同步工作，也可以非同步工作； 当N的数值取得较小时，例如N<22时，为了避免 基波与变频谐波频率接近而发生跳动，并得到较好 的三相脉宽调制波形，必须做到以下三点： 1）调制波与载波必须同步工作； 2）N必须取3的奇整倍数； 3）正弦调制波起始点的位置必须在三角波的下降 沿零点处。
T4 T6
sin
sin
s
mNC n 2
6

2 n 6 T2 2

n
O’
u AB
4E
3 2
ME cos s 26

J n mM 2 m m 1, 3, n 2 , 4 ,


sin mN n 2 cosm N n s 26 6 sin mN n 2 cosm N n s 26 6




与M<=1的线性区比较，在过调制区将出现更多的 边频谐波围绕在N及其倍数的谐波频率中心。在线 性区内出现的一些主要谐波幅值过大的现象在过调 制区不再存在。 M过大时，SPWM演变到方波区，输出电压的幅值 不能再通过SPWM调制方法改变。 过调制的优点是直流电源电压的利用率高，缺点是 输出波形较差，基波电压幅值与M值的增大不成比 例。
u ao
U abm ( n )
u bo u ab
4E


3 2

3 2
cos30M 3 sin 30M 2

SPWM正弦波脉宽调制法（Sinusoidal PWM）是调制波为正弦波、载波为三角波 或锯齿波的一种脉宽调制法。 二阶式与三阶式脉宽调制方法。所谓阶是 指PWM式逆变器输出电压的电平数。二阶 式的PWM波形有正、负两个电平（双极性 调制），三阶式的PWM波形有正、负和零 三种（单极性调制）。
对于SPWM三相半桥式逆变器，由于所用开关管固 引起实际输出电压波形畸变的因素有三个： 有存储时间的影响，开通时间往往小于关断时间， 1）死区与死区的设置方式； 因此很容易发生桥臂两只开关管同时导通的短路故 2）感性负载时反馈二极管的续流； 障，为了避免这种故障，通常要设置开关时滞，也 可以成为死区。 3）负载功率因素。 死区的设置方式有两种： 其中死区和二极管续流是实际波形发生畸变 一种是提前一半死区时间关断，延滞一半死区时间 的根本原因。 开通，称为双边对称设置； 设置方式和负载功率因素的影响只是改变误 另一种是按时关断，延滞死区时间开通，称为单边 差波的脉冲分布状态。 不对称设置。