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正弦脉宽调制(SPWM)技术及逆变电路

浏览:9748  来源:通信人在线  日期:2019-07-13

UPS中的核心部件是逆变器。对输出电压波形为正弦波的UPS而言,逆变器的任务是把直流电逆变成频率稳定、输出电压稳定、波形失真小的50 Hz正弦波交流电供给负载。逆变器应可靠性高,变换效率高,动态特性好,对负载适应性强。

目前在输出正弦波的UPS中广泛采用正弦脉宽调制(SPWMSine Pulse Width Modulation)逆变器。脉冲频率10~20kHz,脉冲宽度则按50Hz正弦规律变化,这样易于滤除电压中的谐波分量而获得纯净的50Hz正弦波输出电压;逆变器可以做到体积小、质量轻、效率高;逆变器中的功率开关管大多采用门极绝缘双极晶体管或称绝缘门极晶体管(IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor)。

1SPWM的基本原理

正弦脉宽调制器的电路方框图及波形图如下图1所示。高频方波发生器的输出电压经三角波形成器(积分电路)后,变为高频等腰三角波电压us,它加到比较器的反相输入端;50Hz正弦波发生器输出的正弦波电压uc加到比较器的同相输入端。当正弦波电压瞬时值uc大于三角波电压瞬时值us时,比较器输出高电平;当正弦波电压瞬时值uc小于三角波电压瞬时值us时,比较器输出零电平。因此,比较器输出脉冲的宽度等于50Hz正弦波电压大于三角波电压的时间,输出脉冲的重复周期等于三角波的周期Ts =1/fs。由于三角波电压的幅值和周期均固定不变,因此比较器输出脉冲的宽度按正弦规律变化,例如在50Hz正弦波ωt=90°时,脉宽最宽;ωt=270°时,脉宽最窄。由上所述,可知50Hz正弦波电压uc是用来调制脉宽的,或者说用来调制脉冲的占空比。

1:正弦脉宽调制器的方框图与波形图

比较器输出正弦脉宽调制(SPWM)信号uaSPWM信号经过“非”门,输出与其相位相反的信号ub。于是脉宽调制器在uc>us时,输出ua矩形脉冲列;而当uc<us时,输出ub矩形脉冲列。uaub通过驱动电路分别去驱动逆变器中应轮流导通的功率开关管(IGBT),功率开关管的开关频率等于三角波频率fs。为了防止轮流导通的功率开关管出现共同导通现象,在实际电路中应使uaub的每一相邻脉冲之间都有一个死区时间,即uaub都为零的短暂时间。

加到比较器上的高频等腰三角波us称为载波,其频率fs称为载波频率,应保持稳定;其振幅Usm应保持不变。加到比较器上的正弦波uc称为调制波,其频率称为调制频率,用f1表示,调制频率必须与要求逆变器输出的频率相同,故f1=50Hz;其振幅Ucm的大小可以调节。在讨论SPWM逆变器工作原理时,会用到幅度调制比ma和频率调制比mf等参数,它们的定义如下。

幅度调制比ma定义为:ma = Ucm / Usmma的变化范围是0~1,不得超过1

    频率调制比mf定义为:mf = fs/ f1mf必须是整数。

由于SPWM是用高频等腰三角波与50Hz正弦波的交点来确定逆变器中功率开关管的开关转换时刻,因此SPWM法又称为三角波法。

SPWM信号可由单片机来产生,还可由数字信号处理器(DSP)作为主控单元,通过其外设库中独特的事件管理器模块来产生。采用全数字控制,能避免模拟控制所固有的硬件参数漂移等缺陷。

2、逆变电路

在交流UPS的逆变器,通常采用正弦脉宽调制(SPWM)技术组成逆变电路,分为SPWM单相全桥逆变器和三相全桥逆变器,其电路图分别详见下图2-1和图2-2。在图2-1中,输出变压器T的初级绕组接在四壁桥的中间,初级绕组的脉冲电压等于输入直流电压。在图2-2中,输出变压器T的初级接成三角形,次级接成星形,以获得三相焦磊电压。

2-1SPWM单相全桥逆变器电路

2-2SPWM三相全桥逆变器电路

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附录
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