鉅大LARGE | 點擊量:1895次 | 2020年02月09日
PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用
研究了pWM控制技術(shù)在單相橋式逆變電路中的應(yīng)用,首先詳細地闡述了pWM控制技術(shù)的基本原理,簡要地介紹了單相橋式逆變電路的工作原理,然后將pWM控制技術(shù)應(yīng)用到單相橋式逆變電路中,最后通過仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。
1引言
在電力電子技術(shù)發(fā)展史上,逆變電路占據(jù)非常重要的一環(huán),而pWM控制技術(shù)在逆變電路又處于核心地位,如何將pWM控制技術(shù)應(yīng)用到逆變電路當中是擺在廣大科技工作者面前一大難題。針對這個問題,本文首先闡述了pWM控制技術(shù)的基本原理,然后詳細地研究了單極性SpWM和雙極性SpWM實現(xiàn)方法,最后將pWM控制技術(shù)和單相橋式逆變電路結(jié)合起來分析并應(yīng)用,并通過仿真實驗驗證了pWM控制技術(shù)在逆變電路的成功應(yīng)用。
2pWM控制技術(shù)的基本原理及實現(xiàn)方法
2.1pWM控制技術(shù)的基本原理介紹
根據(jù)信號與系統(tǒng)知識可知,沖量相同而形狀不一樣的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時,其輸出作用相同。如圖1(a)、(b)和(c)所示的三個波形分別為矩形波脈沖、三角波形脈沖以及正弦波形脈沖,顯然它們的形狀完全不同,但是面積完全相同,如果把它們分別加在具有同一個慣性的環(huán)節(jié)上時,其輸出作用完全相同。
(a)矩形波脈沖(b)三角波脈沖(c)正弦半波脈沖
分別將如圖1所示(a)、(b)和(c)所示波形施加在同一個一階慣性環(huán)節(jié)上,其電路圖和輸出電流i(t)輸出分別如圖2(a)和(b)所示。從2(b)可以看出,在i(t)的上升段,i(t)的形狀也稍微有點不同,但其下降段則完全相同。值得說明的是脈沖越窄,各i(t)輸出波形的差異可以忽略不計。這種原理被稱為面積等效原理,它是實現(xiàn)pWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。
如果用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波,也就是說把正弦半波分成N等份,然后被把它看成N個首尾相連的脈沖序列,而這些被平分的波形寬度完全相等,但幅值卻不相等。然后用矩形脈沖代替這些被平分的N份波形,矩形脈沖同樣被要求幅度相等,而寬度不相同,但是要保證它們的中點完全重合,面積與N份波形相同,這樣就可以得到脈沖序列,如圖3所示。根據(jù)上述分析,pWM波形和正弦半波是等效的。
2.2單極性和雙極性SpWM的實現(xiàn)
將輸出波形作調(diào)制信號,進行調(diào)制可以得到想要的pWM波;一般都采用等腰三角波作為載波,原因在于其任一點水平寬度和高度成線性關(guān)系,而且左右對稱。此外,與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交,在交點控制器件通斷,就得寬度正比于信號波幅值的脈沖,符合pWM的要求。當調(diào)制信號波為正弦波時,得到的就是SpWM波。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內(nèi),叫做單極性控制方式,如圖4所示。
與單極性pWM控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方式,如圖5所示,采用雙極性方式時,在Ur的半個周期內(nèi),三角波載波不再是單極性的,而是有正有負,所得的pWM波也是有正有負。在Ur的一個周期內(nèi),輸出的pWM波只有±Ud兩種電平,而不像單極性控制時還有零電平,雙極性SpWM控制方式仍然在調(diào)制信號和載波信號的交點時刻控制各開關(guān)器件的通斷。
3pWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用
3.1單相橋式逆變電路中的工作原理介紹
圖6為采用全控器件IGBT作為開關(guān)的單相橋式逆變電路,設(shè)負載為阻感性負載。現(xiàn)在本文結(jié)合圖4的所示單極性SpWM控制電路對器工作原理進行闡述。圖6所示的電路VT1和VT2互補導通,同樣VT3和VT4也互補導通。Uo在正半周工作時,VT1開通,VT2關(guān)斷,VT3和VT4交替通斷,由于是電感性負載,電流比電壓滯后,所以在電壓Uo正半周,電流有一段為正,一段為負,而負載電流為正區(qū)間。當VT1和VT4都導通時,Uo等于Ud,VT4關(guān)斷時,負載電流通過VT1和UD3續(xù)流,Uo=0,負載電流為負區(qū)間,io為負,實際上從VD1和VD4流過,此時負載兩端電壓仍有Uo=Ud,VT4斷,VT3通后,io從VT4和VD1續(xù)流,Uo=0,Uo總可得到Ud和零兩種電平。同理可分析Uo在負半周時,讓VT2保持導通,VT1保持關(guān)斷,VT3和VT4交替通斷Uo可得到-Ud和零兩種電平。
3.2pWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用
控制VT3和T4通斷的方法既可以用圖4單極性SpWM控制方式,也可以用圖6所示的雙極式控制方式。比如調(diào)制信號Ur為正弦波,載波Uc在Ur的正半周為正極性的三角波,在Ur的負半周為負極性的三角波。在Ur和Uc的交點時刻控制IGBT的通斷,Ur正半周,VT1保持通,VT2保持斷,當Ur》Uc時使VT4通,VT2斷,Uo=Ud,當UrUc時使VT3斷,VT4通,Uo=0,虛線Uof表示Uo的基波分量。實現(xiàn)VT3和VT4通斷的區(qū)別只是在于加在其柵極的驅(qū)動電平不同而已,一個為單極性,另外一個為雙極性。
4仿真驗證
為了驗證pWM控制技術(shù)在單相橋式逆變電路中的應(yīng)用正確性,本文給出了其仿真結(jié)果如圖7和圖8所示,其中圖7為單極性SpWM控制橋式逆變電路的仿真波形,圖7中上面波形為負載兩端輸出電壓仿真波形,下面波形為負載輸出電流仿真波形,跟圖4理論分析完全一致。圖8為雙極性SpWM控制橋式逆變電路的仿真波形,圖8中上面波形為負載兩端輸出電壓仿真波形,下面波形為負載輸出電流仿真波形,跟圖5理論分析完全一致,仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。
5結(jié)論
通過以上分析,將pWM控制技術(shù)與逆變電路結(jié)合起來使用,不僅能夠逆變電路工作穩(wěn)定可靠,更重要的是很容易改變pWM的占空比,從而實現(xiàn)逆變電路輸出電壓有效值的改變,為逆變電路在各個行業(yè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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