PWM控制技术在逆变电路中的应用

来源: 作者:2018年02月08日 20:16

研究了PWM控制技术在单相桥式逆变电路中的应用,首先详细地阐述了PWM控制技术的基本原理,简要地介绍了单相桥式逆变电路的工作原理,然后将PWM控制技术应用到单相桥式逆变电路中,最后通过仿真结果验证了理论分析的正确性。

1 引言

在电力电子技术发展史上,逆变电路占据非常重要的一环,而PWM控制技术在逆变电路又处于核心地位,如何将PWM控制技术应用到逆变电路当中是摆在广大科技工作者面前一大难题。针对这个问题,本文首先阐述了PWM控制技术的基本原理,然后详细地研究了单极性SPWM和双极性SPWM实现方法,最后将PWM控制技术和单相桥式逆变电路结合起来分析并应用,并通过仿真实验验证了PWM控制技术在逆变电路的成功应用。

2 PWM控制技术的基本原理及实现方法

2.1 PWM控制技术的基本原理介绍

根据信号与系统知识可知,冲量相同而形状不一样的窄脉冲加在惯性环节上时,其输出作用相同。如图1(a)、(b)和(c)所示的三个波形分别为矩形波脉冲、三角波形脉冲以及正弦波形脉冲,显然它们的形状完全不同,但是面积完全相同,如果把它们分别加在具有同一个惯性的环节上时,其输出作用完全相同。

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(a)矩形波脉冲 (b)三角波脉冲 (c)正弦半波脉冲

分别将如图1所示(a)、(b)和(c)所示波形施加在同一个一阶惯性环节上,其电路图和输出电流i(t)输出分别如图2(a)和(b)所示。从2(b) 可以看出,在i(t)的上升段,i(t)的形状也稍微有点不同,但其下降段则完全相同。值得说明的是脉冲越窄,各i(t)输出波形的差异可以忽略不计。这种原理被称为面积等效原理,它是实现PWM控制技术的理论基础。

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如果用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,也就是说把正弦半波分成N等份,然后被把它看成N个首尾相连的脉冲序列,而这些被平分的波形宽度完全相等,但幅值却不相等。然后用矩形脉冲代替这些被平分的N份波形,矩形脉冲同样被要求幅度相等,而宽度不相同,但是要保证它们的中点完全重合,面积与N份波形相同,这样就可以得到脉冲序列,如图3所示。根据上述分析,PWM波形和正弦半波是等效的。

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2.2 单极性和双极性SPWM的实现

将输出波形作调制信号,进行调制可以得到想要的PWM波;一般都采用等腰三角波作为载波,原因在于其任一点水平宽度和高度成线性关系,而且左右对称。此外,与任一平缓变化的调制信号波相交,在交点控制器件通断,就得宽度正比于信号波幅值的脉冲,符合PWM的要求。当调制信号波为正弦波时,得到的就是SPWM波。如果在正弦调制波的半个周期内,三角载波只在正或负的一种极性范围内变化,所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内,叫做单极性控制方式,如图4所示。

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与单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式,如图5所示,采用双极性方式时,在Ur的半个周期内,三角波载波不再是单极性的,而是有正有负,所得的 PWM波也是有正有负。在Ur的一个周期内,输出的PWM波只有±Ud两种电平,而不像单极性控制时还有零电平,双极性SPWM控制方式仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。

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3 PWM控制技术在逆变电路中的应用

3.1 单相桥式逆变电路中的工作原理介绍

图6为采用全控器件IGBT作为开关的单相桥式逆变电路,设负载为阻感性负载。现在本文结合图4的所示单极性SPWM控制电路对器工作原理进行阐述。图6所示的电路VT1和VT2互补导通,同样VT3和VT4也互补导通。Uo在正半周工作时,VT1开通,VT2关断,VT3和VT4交替通断,由于是电感性负载,电流比电压滞后,所以在电压Uo正半周,电流有一段为正,一段为负,而负载电流为正区间。当VT1和VT4都导通时,Uo等于 Ud,VT4关断时,负载电流通过VT1和UD3续流,Uo=0,负载电流为负区间,io为负,实际上从VD1和VD4流过,此时负载两端电压仍有 Uo=Ud,VT4断,VT3通后,io从VT4和VD1续流,Uo=0,Uo总可得到Ud和零两种电平。同理可分析Uo在负半周时,让VT2保持导通,VT1保持关断,VT3和VT4交替通断 Uo可得到-Ud和零两种电平。

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3.2 PWM控制技术在逆变电路中的应用

控制VT3和T4通断的方法既可以用图4单极性SPWM控制方式,也可以用图6所示的双极式控制方式。比如调制信号Ur为正弦波,载波 Uc在Ur的正半周为正极性的三角波,在Ur的负半周为负极性的三角波。在Ur和Uc的交点时刻控制IGBT的通断,Ur正半周,VT1保持通,VT2保持断,当Ur》Uc时使VT4通,VT2断,Uo=Ud,当UrUc时使VT3断,VT4 通,Uo=0,虚线Uof表示Uo的基波分量。实现VT3和VT4通断的区别只是在于加在其栅极的驱动电平不同而已,一个为单极性,另外一个为双极性。

4 仿真验证

为了验证PWM控制技术在单相桥式逆变电路中的应用正确性,本文给出了其仿真结果如图7和图8所示,其中图7为单极性SPWM控制桥式逆变电路的仿真波形,图7中上面波形为负载两端输出电压仿真波形,下面波形为负载输出电流仿真波形,跟图4理论分析完全一致。图8为双极性SPWM控制桥式逆变电路的仿真波形,图8中上面波形为负载两端输出电压仿真波形,下面波形为负载输出电流仿真波形,跟图5理论分析完全一致,仿真结果验证了理论分析的正确性。

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5 结论

通过以上分析,将PWM控制技术与逆变电路结合起来使用,不仅能够逆变电路工作稳定可靠,更重要的是很容易改变PWM的占空比,从而实现逆变电路输出电压有效值的改变,为逆变电路在各个行业的应用奠定了基础。

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