脉冲序列控制逆变器

脉冲序列控制逆变器

       PWM逆变电路的控制手段主要分为两种：计算法和调制法。调制法分为异步调制和同步调制两种。PWM逆变技术的优势在于能够精确控制输出电压，实现简单的结构设计，并在充电过程中对电流进行精确控制。PWM技术通过调节脉冲宽度来控制输出电压，同时通过改变脉冲的调制周期来调整输出频率。随着电子技术的进步，出现了多种PWM技术，包括相电压控制PWM、脉宽PWM、随机PWM、SPWM、线电压控制PWM等。本文主要介绍的是在镍氢电池智能充电器中应用的脉宽PWM法。这种方法通过等宽脉冲序列实现PWM波形，通过调整脉冲序列的周期来调节频率，通过改变脉冲宽度或占空比来调节电压。适当的控制策略可以使电压和频率同步变化。通过调整PWM周期和占空比，可以实现充电电流的精确控制。这种方法能够协调调压和调频的作用，与中间直流环节无关，从而提高调节速度和动态性能。由于输出为等幅脉冲，只需恒定直流电源供电，因此可以使用不可控整流器替代相控整流器，显著提高电网侧的功率因数。PWM逆变器能够有效抑制或消除低频次谐波，同时由于使用了自关断器件，开关频率大幅提高，输出波形可以非常接近正弦波。

深挖细节，如何理解逆变器的工作原理？

       探索逆变器的奥秘：逻辑解析与细节剖析

       深入理解逆变器的工作原理并非易事，但逻辑的引导和细致的解析可以揭示其内在的逻辑。首先，我们来看一下面积等效原理，它揭示了窄脉冲在阻感负载电流中的关键作用——尽管形状各异，但通过冲量相等原则，确保了电流影响的实质相同。

       从脉冲到正弦：面积等效的魔法

       逆变器的魔法在于将脉冲电压源转化为纯净的正弦电压。这一步骤巧妙地运用了面积等效原理，通过精心设计的脉冲序列，实现了电流与正弦波的完美对应。

       SPWM与SVPWM的较量：效率之战

       SPWM和SVPWM是脉宽调制技术的两大分支。SVPWM凭借其占空比的正弦变化，显著提升了直流母线的电压利用率，使其在市场中独占鳌头。它的魅力在于，即使在100%的利用率下，仍能保持电流的无失真输出，相比之下，SPWM的效率仅能达到1.1547倍。

       PWM调制的艺术：双极性与等效电压

       在单相逆变器中，PWM调制技术如双极性SPWM，通过精确控制MOSFET的开关，创造出与正弦电压等效的脉冲序列。三角载波与正弦波的巧妙结合，决定了桥臂电压VAG的动态变化，从而生成了所需的电流波形。

       SVPWM的革新：谐波注入与效率提升

       SVPWM的创新在于通过注入特定谐波，创造出新的调制信号，从而在保持电流质量的同时，显著提升了直流母线的电压利用率。这使得SVPWM在众多逆变器技术中脱颖而出，因为它能够在不失真输出的同时，实现更高的电压利用效率。

       图1.11-1.13生动地展示了SPWM与SVPWM调制信号的差异，揭示了SVPWM如何通过微调实现更高的性能。

       总的来说，逆变器的世界充满了细致入微的技巧和创新。理解这些原理，不仅需要逻辑的连接，更需要对每个细节的深入挖掘。无论是SPWM还是SVPWM，它们都是工程师们精心设计的杰作，以确保我们日常生活中电器设备的高效运行。

逆变电源逆变分类和达成

       源逆变技术中，分为有源逆变和无源逆变。无源逆变通过简单的单相H型晶闸管桥实现，通过开通和关断晶闸管，得到正负相隔的输出电压和电流。然而，这种基本型方波逆变电源虽然电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，THD（电流谐波畸变率）也过大。移相多重叠加逆变电源输出电压波形的谐波含量小，THD小，但电路较复杂。而PWM脉宽调制式逆变电源既简化了电路，又使输出电压波形得到优化，因此得到广泛应用。

       PWM脉宽调制技术（Pulse Width Modulation, PWM)是一种用于转换直流电为交流电的技术。它通过将参考波与载波进行比较，产生一组幅值相等、宽度正比于调制波的矩形脉冲序列。这种技术通过控制逆变电源开关管的通断，实现了对输出电压波形的调整。载波三角波或锯齿波的上下宽度线性变化，使得PWM技术具备了线性特性。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术称为正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM)技术。

       逆变电源常见问题及其解决方法包括：

       1. **干扰问题**：逆变器可能会因使用场合中存在强电磁波干扰，如附近的马达、功率变频器、强磁场等。解决方法是尽量远离这些设备。

       2. **无反应问题**：检查电池与逆变器的连接是否正确，电池极性是否接反，以及保险丝是否熔断。正确的连接和更换保险丝即可解决。

       3. **输出电压低**：可能原因是过载、输入电压过低或负载电流超过标称电流。关闭部分负载重新启动或确保输入电压在标称电压范围内。

       4. **低电压报警**：可能是因为电池电量不足或接触不良。充电电池或检查、清理电池端子即可。

       5. **无输出**：问题可能在于电池电压过低、负载电流太高、过温保护、启动失败、端子连接错误或保险丝熔断。解决方法包括充电电池、关闭部分负载、让逆变器降温、更换保险丝等。

       6. **不工作**：检查电源开关、保险丝和电池连接线。若无直流输入，则需确认电池正负极与逆变器正确连接。

       7. **输入输出保险丝熔断**：更换保险丝即可解决。

       8. **蓄电池电压异常**：若高于额定直流输入电压20%，需更换电池组或逆变器以避免损坏设备。若低于15%，只需给蓄电池组充电即可。

       9. **负载功率过大**：调整负载功率或增大逆变器功率以满足需求。

SVPWMSVPWM与PWM、SPWM的比较

       PWM，即脉冲宽度调制，其工作原理是晶闸管在开关状态下，当晶闸管导通时，电源电压直接作用于电动机；而导通后断开时，电动机与直流电源分离。通过调节晶闸管的导通时间（调占空比ton），可以控制电机电压，进而实现调速功能。

       与之相比，SVPWM（同步电压模式脉宽调制）的产生原理与PWM并不相同，虽然表面上看起来相似。SVPWM并非直接基于PWM，而是有其独特的数学背景。它通过三角波载波信号与一组正弦参考电压信号的比较，生成三相对称的SPWM脉冲序列，这些脉冲驱动逆变器的开关器件。逆变器的输出电压具有基本的正弦波特性，通过调整正弦波参考信号的幅值和频率，可以调整输出电压的特性。

       尽管SVPWM与SPWM的起源和原理不同，但它们在实际应用中都实现了电压和频率的精确控制。SPWM以三角波和正弦波为基础，而SVPWM则涉及三角波与包含一定三次谐波的正弦基波调制，这一点可以从数学理论中得以证实。两者虽然路径各异，但都达到了控制电力系统的目的。

常用的交流PWM有3种控制方式,分别为SPWM,CFPWM和SVPWM,论述它们的基本特征,各自的优缺点。

       SPWM、CFPWM和SVPWM是常用的交流PWM控制方式，它们各自具有不同的基本特征和优缺点。

       SPWM的基本特征是以频率与期望输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。它的优点是普通SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，通过计算各脉冲起始与终了相位的方法，可以消除指定次数的谐波。缺点是输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，需采用特殊方法。

       CFPWM的基本特征是在原主回路基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，从而获得更好的性能。它的优点是精度高、响应快，且易于实现。缺点是功率开关器件的开关频率不定。

       SVPWM的基本特征是把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的。它的优点是计算简便，与一般的SPWM相比，SVPWM控制方式的输出电压最多可提高15%。缺点是8个基本输出矢量，6个有效工作矢量和2个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1次，生成正6边形的旋转磁链，谐波分量大，导致转矩脉动。

       扩展而言，用相邻的2个有效工作矢量，合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率将提高。用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。

PWM的逆变原理是什么

       1. PWM（脉宽调制）技术通过调节脉冲宽度来控制输出电压，同时通过改变周期来调节输出频率。

       2. 在PWM逆变器中，调压与调频协同工作，且与中间直流环节无关，这提高了调节速度和动态性能。

       3. PWM逆变器使用不可控整流器，改善了电网侧的功率因数，并能够减少低次谐波。

       4. 结合自关断器件，PWM逆变器能够显著提高开关频率，使输出波形接近正弦波。

       5. PWM变频电路的特点包括：输出电压接近正弦波、功率因数接近1、电路结构简单，以及动态响应速度快。

       6. 现代通用变频器普遍采用PWM控制方式，因此了解PWM控制原理是必要的。

       7. PWM控制通过对逆变电路开关器件的通断进行控制，生成一系列代替正弦波或所需波形的脉冲。

       8. 通过调节脉冲宽度，PWM逆变器可以改变输出电压和频率。

       9. 采样控制理论表明，不同形状但面积相等的窄脉冲对系统的效果是等效的。

       10. 利用这一理论，可以用不同宽度的矩形波来模拟正弦波，从而控制输出不同频率的正弦波。

       11. PWM波形的生成涉及将正弦波分成等份，用等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，保持面积（冲量）相等。

       12. 这样得到的PWM波形与正弦波等效，各脉冲宽度按正弦规律变化。

       13. 要改变输出正弦波的幅值，只需按比例系数改变脉冲宽度，而整流电路可以采用不可控二极管。

       14. 一旦给出了正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形的脉冲宽度和间隔就可以准确计算。

       15. 按照这些计算结果控制开关器件的通断，就可以生成所需的PWM波形。

班长带你学变频器：PWM控制方式详解

       PWM控制技术，应用于中小功率变频电路中，主要分为电压型和电流型两种。其核心在于通过精确计算正弦波的频率、幅值和半周期脉冲数，以此来确定PWM波各脉冲宽度和间隔。以此方式控制变频电路中的开关器件通断，最终生成所需PWM波形。当输出正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，PWM波形随之相应变化。

       一、PWM控制技术概述

       PWM（脉冲宽度调制）技术是一种通过调整脉冲宽度来等效生成所需波形的方法。其理论基础是面积等效原理。SPWM（正弦脉宽调制）波形是一个典型代表，其特点在于脉冲宽度按照正弦规律变化。PWM波形通过数字编码实现，通过高分辨率计数器，以方波的占空比调整来编码模拟信号电平。此方法允许在给定时间内，直流供电完全开启（ON）或完全关闭（OFF），通过重复脉冲序列将电压或电流源施加至模拟负载，以此实现模拟值的编码。

       二、PWM变频控制的基本原理和方法

       为了获得理想的三相正弦波驱动交流异步电机，通常将期望的正弦波半波分为N等分，并用等幅的矩形脉冲来等效替代，以近似正弦波输出电压。通过增加N的值，输出电压将更接近正弦波。逆变器的输出脉冲序列显示了该方法的实施。逆变器采用恒定的直流电源供电，通过不可控整流器实现，输出脉冲的幅值即为整流器的输出电压。理想状态下，控制开关元件的信号应与SPWM波形相似。

       理论上，控制脉冲波形宽度可通过计算获得，作为驱动逆变器中开关元件通断的依据。然而，实际应用中，通过调制技术以期望的正弦波作为调制波，利用等腰三角波作为载波信号，以实现各分段矩形脉冲宽度的调整，形成SPWM波形。此方法在驱动脉冲宽度与正弦波函数值之间建立了线性关系，从而生成一系列宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。

       三、PWM控制技术的特点

       PWM技术的优势在于信号传输过程中的数字形式，降低了噪声影响，并增强了抗噪能力，特别适用于通信领域。PWM技术同时实现变频变压、抑制谐波，广泛应用于交流传动和能量变换系统。PWM技术主要分为三类：正弦PWM、正弦PWM优化和优化PWM，其中优化PWM旨在最小化电流谐波畸变率、提高电压利用率、实现最优效率和最小化转矩脉动，以满足特定优化目标。

如何增加spwm逆变器的输出电压基波频率

       为了提高SPWM逆变器的输出电压基波频率，可以采取以下措施：

       1. 增加正弦调制波的频率。

       2. SPWM技术是在PWM技术基础上发展起来的，它通过将期望的正弦电压波形分割成一系列等宽不等幅的片段，并用等幅不等宽的脉冲宽度调制（PWM）脉冲序列来代替，从而在滤波器输出端得到近似正弦波形的电压。

       3. 理论和实践都表明，SPWM调制产生的脉冲电压包含了与理想正弦电压相对应的基波分量。通过提高SPWM调制频率，可以使得最低次谐波的频率接近SPWM的开关频率（即每个基波周期内的脉冲数）。

       4. 当开关频率足够高时，可以使用较小的滤波器滤除大部分谐波，从而实现更高的输出电压基波频率。

       5. 通过调整SPWM脉冲宽度，可以实现输出电压基波幅值的精确控制。

       6. 采用SPWM技术的逆变器，即全桥型SPWM逆变器，在波形质量和控制性能上相较于方波逆变器有显著提升。

       通过这些方法，可以在不改变原意的前提下，提高SPWM逆变器的输出电压基波频率，同时保持输出的波形质量和控制性能。

PWM技术的几种PWM控制方法

       采样控制理论中有一个重要结论：当冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是基于这个结论，通过控制半导体开关器件的导通和关断，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需的波形。通过按一定规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。

       PWM控制的基本原理很早就已经提出，但由于电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展，以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，主要有以下方法。

       1. 随机PWM方法：在上世纪70年代至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

       2. SPWM（Sinusoidal PWM）法：这是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。其原理是利用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变局旦培调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

       3. 等面积法：该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。

       4. 硬件调制法：硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。

       5. 软件生成法：由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。

       6. 低次谐波消去法：是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u(ωt)=ansinnωt，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1、a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。

       7. 梯形波与三角波比较法：该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。

       8. 线电压控制PWM：对于三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了线电压控制PWM，主要有马鞍形波与三角波比较法和单元脉宽调制法。

       9. 电流控制PWM：基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有滞环比较法、三角波比较法和预测电流控制法。

       10. 空间电压矢量控制PWM（SVPWM）：也叫磁通正弦PWM。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。

       11. 矢量控制：也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib及Ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。

       12. 直接转矩控制：与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度。

       13. 单周控制法：又称积分复位控制（Integration Reset Control，简称IRC），是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。

       14. 谐振软开关PWM：在常规PWM变换器拓扑的基础上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成。开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响PWM技术的实现。

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