基于pwm技術(shù)的逆變器輸出波形分析

1u3000功率開關(guān)器件性能評價隨著能源電子技術(shù)和微型計算機控制技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制（pm）技術(shù)在交流速度等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為電氣傳動和自動控制技術(shù)的熱點之一。評價PWM技術(shù)主要有三項指標:直流電壓利用率、輸出波形中的諧波分量以及功率開關(guān)器件的損耗。雖然正弦脈寬調(diào)制(SPWM)是一種常用的PWM技術(shù),但從上述評價PWM技術(shù)的指標來看,梯形波脈寬調(diào)制(TPWM)技術(shù)優(yōu)于SPWM技術(shù)。變流器采用TPWM技術(shù)后,其輸出功率得以提高,功率器件的開關(guān)損耗得以減小,并且還減小了變流器輸出波形中的諧波分量。本文根據(jù)TPWM技術(shù)的機理,提出采用Intel8XC196MC的波形發(fā)生器產(chǎn)生TP-WM波形的方法,并進行了相關(guān)的實驗分析研究。2tpwm技術(shù)的波形調(diào)制波理論分析將梯形波和三角載波相比較可產(chǎn)生TPWM輸出波形,通過波形優(yōu)化運算確定梯形調(diào)制波的參數(shù),可提高TPWM輸出波形的性能指標。梯形調(diào)制波信號es是由三角波est在±Es之間限幅后得到的,如圖1所示。圖中Est是est的幅值,Eb是三角載波的幅值(圖中未畫出高頻三角波)。梯形波與三角波幅值之比σ稱作“三角形系數(shù)”,可表示為:由圖1可以得出σ與之間的關(guān)系為:梯形調(diào)制波的數(shù)學表達式為:將TPWM用傅立葉級數(shù)展開,可以得出采用TPWM技術(shù)的逆變器輸出線電壓的基波幅值V1和各次諧波分量的幅值Vn,以及逆變器輸出波形的畸變系數(shù)δ。其表達式分別為:因為是的函數(shù),故V1、Vn、Vn/V1以及δ皆為σ的函數(shù)。理論分析表明:根據(jù)增大基波幅值以減小低次諧波幅值的原則,最佳梯形調(diào)制波是σ=2/5。在此情況下,輸出波形中不含5次諧波,而7次諧波幅值的最大值也只有基波幅值的3.2%,11、13次等諧波的分量的幅值更小,而基波分量幅值為1.03Ed,遠大于以正弦波作為調(diào)制信號時的0.87Ed。因此可以說TPWM是一種優(yōu)于SPWM的脈寬調(diào)制技術(shù)。3tm波形脈沖寬度tpwm的實現(xiàn)若用模擬的方法產(chǎn)生梯形調(diào)制波并實現(xiàn)TP-WM技術(shù)比較困難,而Intel公司的8XC196MC單片機,其內(nèi)部波形發(fā)生器(WG)特別適用于PWM技術(shù),可充分利用其硬件功能強、軟件編程靈活、控制方便的特點,實現(xiàn)各種復(fù)雜的PWM波形。在雙極性PWM控制方式下,8XC196MC的波形發(fā)生器輸出TPWM波形脈沖寬度的計算公式表示為:將式(8)按載波比離散后存入EPROM,8XC196MC結(jié)合查表與實時計算,求出每個輸出脈沖的寬度,由P6口送給變流器的驅(qū)動電路。指出的是,脈沖寬度計算公式不是唯一的,不同的軟件編制方法有不同的計算公式。4結(jié)果分析4.1逆變電路參數(shù)實驗電路采用交-直-交電壓型變流器結(jié)構(gòu),其中整流電路選用三相整流模塊,型號為SKD160。逆變電路功率開關(guān)器件選用IGBT模塊,型號SKM75GB123。驅(qū)動電路選用型號為IR2132的高性能六輸出驅(qū)動器。整個系統(tǒng)由8XC196MC芯片集中控制,系統(tǒng)框圖如圖2所示。4.2實驗條件相同時為了便于分析比較,在載波比為21,載波頻率為1050Hz,m=1,Mt=1/σ=2.5,且實驗條件相同時,利用圖2所示的實驗電路分別輸出TPWM波形和SPWM波形。圖3給出了采用TPWM時變流器輸出線電壓和線電流波形。實驗結(jié)果分析如下:(1)spwm和tpwm變流器輸出的線電壓有效值比較變流器的直流電壓利用率定義為變流器輸出線電壓的基波幅值與變流器直流電壓之比。在其直流電壓為141V時,采用SPWM和TPWM變流器輸出的線電壓有效值各為90.37V和111.7V,后者較前者增加23.6%。由式(4)知,采用TPWM技術(shù)時變流器輸出線電壓的基波分量為146.9V,直流電壓利用率為104%,比采用SPWM技術(shù)時高19%。(2)開關(guān)頻率的選擇在其它條件不變的情況下,變流器的功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗正比于開關(guān)頻率。對于TPWM技術(shù),其實際的開關(guān)頻率損耗比載波頻率低40%左右,對比實驗表明,在相同的輸出功率條件下,TP-WM的功率開關(guān)器件損耗僅為SPWM的1/3左右,如圖4所示。(3)基波分量的影響變流器輸出線電壓的頻譜分析如圖5所示。與SPWM相比,TPWM波形的基波分量增大8.5%,1kHz左右的諧波幅值略有增加,而2.5kHz左右的諧波幅值則明顯減小。5變流器與tpwm技術(shù)比較通過理論分析和對比實驗可以看出,TPWM明顯優(yōu)于SPWM技術(shù)。與SPWM相比,采用T