关键字 |
| PWM技术，正弦PWM(SPWM)，滞回电流控制器，谐波分析 |
介绍 |
| 近二十年来，各种PWM技术得到了发展。PWM技术的主要目的是获得各种基本分量最大、谐波最小的输出。基于载波的PWM方法是最早开发出来的，并在大多数应用中得到广泛应用。基于载波的PWM技术中最早、最简单的是正弦PWM (SPWM)技术。传统的正弦PWM技术的利用率仅为直流母线电压的78.5%。 |
| 另一种被广泛应用的技术是磁滞带电流控制器，因为它简单。该方法利用了电流回路的快速响应。另一个优点是它不需要任何负载参数的知识。但它有开关频率不规则的缺点。本文采用带低通滤波器的正弦带滞电流控制器。低通滤波器用于最小化纹波，从而减少高阶谐波。在MATLAB环境下进行了仿真研究。 |
正弦脉宽调制 |
| A.单相双极正弦脉宽调制 |
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| 为了理解单相正弦脉宽调制(双极)，考虑上图1单相H桥逆变器。首先生成一个期望频率的三角波，并与正弦命令或调制电压波进行比较，如下图2所示。 |
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| 当调制波幅值高于载波波幅值时，设备对Q1、Q3开启。同样，当调制波幅值小于载波幅值时，设备对Q2和Q4开启。由此产生的PWM输出如下图所示。这种技术被称为双极，因为一对器件，每个极一个，一起开关产生双极电压波。可以看到，基频输出与调制频率相同，输出PWM电压幅值与调制波幅值呈线性变化，直至调制波峰值与载波峰值相等。 |
| B.单相单极正弦PWM |
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| 在单相单极正弦脉宽调制中，单相H桥逆变器与单相双极正弦脉宽调制技术相似。这里的不同之处在于H桥逆变器的两条腿分别是开关。将左腿的调制信号v*ao与三角形载波进行比较，得到(b)部分所示的实际Vao波。该波与图2.1中的Vab具有相同的形状，只是其振幅相对于直流中心点有+/-0.5Vd的变化。右腿的调制信号V*bo与V*ao相角为180°，实际的Vbo波如(c)所示，输出电压为Vab = Vao - Vbo，如(d)所示。由于PWM的正半周期输出电压在o ~ + Vd之间变化，负半周期输出电压在o ~ - Vd之间变化，因此称为单极方案。 |
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| 单相单极正弦PWM的原理可以应用到三相正弦PWM技术中。这里的调制波形相互180度位移，原理与单相单极脉宽调制技术相似。由图4可知，调制波V*ao, V*bo, V*co位移180度。三相逆变器的每支腿分别为开关。对于第一段，如果调制波V*ao的幅度大于载波，则打开上开关，否则小于下开关则打开。类似的概念用于V*bo和V*co三相逆变器的其他腿。与三相逆变器相关的术语解释如下: |
| a.调频比(Mf):可以定义为PWM频率(载波频率)与基频(调制波频率)的比值。 |
| 如果调频不是整数，那么在输出电压处可能存在次谐波。如果频率调制不是奇数，那么直流分量可能存在，甚至谐波可能出现在输出。为抑制奇3倍谐波和偶3倍谐波，频率调制应保持3倍。 |
| b.调制指数(M):定义为调制波形幅值与载波波形幅值之比。 |
| 如果M<1，这意味着PWM逆变器工作在欠调制，如果M>1，这意味着PWM逆变器工作在过调制。一般PWM逆变器工作在调制下。如果在过调制状态下工作，则调制波与输出电压之间的线性关系将不再存在。 |
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| 最简单的电流控制PWM技术之一是图5所示的滞后带(HB)控制。它基本上是一种瞬时反馈电流控制方法，实际电流在预先指定的迟滞带内连续跟踪命令电流。如图5所示，如果实际电流超过HB，则半桥的上器件断开，下器件接通。当电流衰减并穿过较低的频带时，较低的器件被关闭，而较高的器件被打开。如果降低HB，波的谐波质量将得到改善，但开关频率将增加，这将导致更高的开关损耗。 |
| 同样的逻辑也适用于三相波形。在三个三相参考信号中使用120相移，并与负载电流进行比较，从而得到所需的输出。这种方法的优点和缺点如下所示。 |
| 优点: |
| 1.优良的动态响应。 |
| 2.成本低，易于实施。 |
| 缺点: |
| 一、稳态电流纹波大。 |
| 2开关频率的变化。 |
| 3三相磁滞控制器之间没有相互通信，因此没有产生零电压矢量的策略。因此，只要零矢量打开，信号就会离开磁滞带。 |
| 四、调制过程产生次谐波分量。 |
仿真结果 |
| 利用MATLAB/Simulink软件实现了SPWM，磁滞带PWM。Simulink模型建立在前面的方法中相应的基础上。输出端需要LC滤波器，以便滤除PWM波形并将基本结果可视化。本项目中所采用的各种PWM技术在不同负载下的谐波分析比较如下所示。 |
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结论 |
| 比较不同PWM技术的一些主要问题: |
| •良好的直流电源利用率即交付更高 |
| •相同直流电源输出电压。 |
| •低开关损耗。 |
| 良好的电压或电流控制线性度。 |
| •输出电压和(或)电流中的谐波含量低，特别是在低频区域。 |
| 不同的电压控制技术在输出电压上产生一定范围的谐波。从我的仿真结果中，我观察到正弦PWM与具有低开关损耗的磁滞带PWM相比，在降低低阶谐波方面更有效。 |
鸣谢 |
| 作者感谢Jivanadhar Joshi，助理教授，CHARUSAT, Changa，因为这项工作是由他指导的。 |
参考文献 |
- N. Mohan, W. P. Robbin和T. Undeland，电力电子:转换器，应用和设计，第二版，纽约:Wiley, 1995。
- B. K. Bose，电力电子与变频驱动:技术与应用。IEEE出版社，1997年。
- P. S. Bhimra博士，电力电子
- 电力电子脉冲宽度调制由D. Grahame zholmes和Thomas A. Lipo (IEEE出版社)。
- MohamayeeMohapatra, B.ChittiBabu，“带LC滤波器的PWM电压源逆变器的固定和正弦带迟滞电流控制器”IEEE学生技术研讨会2010年,IIT Kharagpur，03-04 / 4月/ 2010。
- J.T. Boys和S.J. Walton教授，“损耗最小化的正弦PWM逆变器”，IEE诉讼,1985年9月，第132卷b页第5期。
- MadhuMangal和G.De，“新型正弦PWM逆变器控制策略，â '  'Ãⅱ '  ' IEEE工业电子汇刊，第IA-23卷第3号，1987年5月/ 6月。
- Thomas F. Lowery和David W. Petro，“PWM逆变器馈电低压感应电动机的应用考虑因素”，IEEE工业应用汇刊，1994年3月至4月，第30卷第2期。
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