1、5第二章 现代逆变系统的研究2.1 SPWM 型全桥逆变基本原理2.1.1 理论基础 逆变器的传统方式是六脉冲方波逆变器，但随着自关断器件的逐步成熟，PWM 型逆变器的应用日益广泛。在采样控制理论有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节输入时，其输出效果基本相同。这里冲量是指窄脉冲的面积；效果基本相同是指输出响应的波形基本相同，把输出波形进行傅立叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段有差异。这个理论是 PWM 控制的理论基础。如果把一个正弦半波分成 N 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积用与它等面积的等高不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的
2、中点重合。这样的一系列的矩形脉冲就是所期望的 SPWM 波。2.1.2 基本术语由于各种教材以及文献上对术语的定义很混乱,为了便于在本文说明问题,首先定义几个重要的术语。1 开关频率 。 为三角载波的频率，它决定了逆变器中的开关sf动作频率，也称为载波频率。 2 基波频率 。控制信号 Vc 的频率决定了输出电压的基波频率1f， 也称为调制频率。1f3 载波比 Mf。Mf 定义为：（1-1）4 调制深度 Ma。Ma 定义为：（1-2）其中 Vcmax 为调制波峰值；Vtmax 为三角载波峰值。1fMsmaxtcV62.1.3 脉宽控制方式为了得到一系列的矩形脉冲，可以应用空间矢量法计算各脉冲的宽
3、度，也即每个开关管的导通时间，这种方法适用于较大功率要求开关频率不高的情况下；或者可以引用通讯技术中的调制方法，以期望的正弦波作为调制波，以等腰三角形为载波。调制波与载波的交点时刻决定开关器件的通断。调制波与载波的不同比较方式决定了不同的脉宽控制方式，常有以下几种：1 单极性控制采用单极性控制时,在正弦波的每半个周期内每个桥臂只有一个开关管开通和关断。图（2-1）表示这种控制方式。当调制波高于载波时逆变器输出“正”；当调制波低于载波时逆变器输出“零”。负半周期用同样的方法调制后再倒相而成。图 2-1 单极性控制方式2 双电压极性切换 PWM 控制方式全桥逆变器采用双电压极性切换 PWM 控制方
4、式时，图（2-2）所示桥臂 A、B 间的输出电压波形如图（2-3-a）所示，用于产生开关元件的控制信号的调制波和三角载波如图（2-3-b）所示。从图中可以看出，输出电压总是在正负极性间跳变，因此称为双电压极性切换 PWM 逆变器。对于这种控制方式有以下几点说明：调制深度 Ma1 时，逆变器输出电压的基波分量 按正弦规律变化，且与1)(aov调制波同相；7图 2-2 全桥逆变图图 2-3 a-输出电压波形 b-调制波和三角载波波形应用仿真软件对这种 SPWM 波进行分析，发现逆变器输出电压波形中的谐波表现为边带，集中在开关频率及其倍频附近，即表现为主要谐波在 、2 、3 附近。sfsf这种现象与
5、调制波的频率以及载波比无关。图（2-4）为输出波形的各次谐波分量与基波幅值的比，其中调制波频率为 50Hz，载波比为 100。从图中可以看出谐波主要集中在5KHz、 10KHz、15KHz 附近。8图 2-4 双电压极性切换 PWM 控制方式输出波形傅立叶分析.当载波比为奇数时，输出电压关于原点对称，输出波形只含有奇次谐波而不含偶次谐波，在其傅立叶展开式中，只有正弦相的系数。3 单电压极性切换 PWM 控制方式在单电压极性切换 PWM 逆变器中，每半个基波周期内加在负载上的电压方向不变，极性在“零”和“正”之间跳变。具体波形如图（2-5 ）所示，其中 Mf=10。从图中可以看到 和 在一个基波
6、周期内有 10 个矩形脉冲，Uo 在一个基ANuB波周期内有 20 个脉冲。 与双电压极性切换 PWM 逆变器相比，它能够开关频率不变的情况下，使一个周期内正弦波包含的矩形脉冲数“加倍”，从而有利于减小谐波。若选择载波比为偶数，则最低次谐波将出现在 2 的边带上。这是因为两个桥臂的输出电压 、sf ANu的相位角相差 180 度；Mf 为偶数时， 和 在开关频率处的谐波分BNuANuB量相位相同，于是输出电压 在开关频率处的谐波可以相互抵o消，开关频率处的边带随之消失。图（2-6）为输出波形的谐波分析（其中调制波频率为 50Hz，载波比为 100），与图（2-4）比较可以发现谐波减小许多。9图 2-5 单电压极性切换逆变器的输出波形（Mf=10）图 2-6 输出波形的傅立叶分析（Mf=100）
