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器升压为320V/50K的高频交流电.图3-2逆变I电路原理方框图
逆变电路Ⅱ的框图如图3-3所示.此电路的主要功能是将320V直流电转换为220V/50Hz的交流电.
图3-3逆变II电路原理方框图
电路工作原理:在逆变电路II中320V/50HZ的高压交流电经过整流桥的整流滤波整流成为320V的高压直流电.该高压加在由四个场效应管结成的全桥电路两端,场效应管的导通或截止由栅极的状态控制.为了使逆变电源输出准正弦波,本设计采用正弦波脉冲调制(SPWM),脉冲波的产生主要由脉冲调宽芯片SG3525A来完成.根据芯片SG3525A的使用原理,先由集成函数发生芯片ICL8038产生50HZ的正弦波信号,该正弦波分两路输出.因为SG3525A内部的锯齿波幅度位于1V至3.3V之间,因而产生的正弦波一路经相应的处理后将其幅值调整至1V至3V之间,然后输入以SG3525A,在芯片内部通过与锯齿波比较产生高频的正弦波调宽脉冲.锯齿波的频率由芯片外接的震荡电阻和震荡电容决定,通常设置为几十千赫兹.而另一路正弦波则经过处理转化为50HZ的方波作为基准信号,该基准信号与SG3525A产生的高频正弦波调宽脉冲输入与门芯片,最后将与门的输出信号输入两片场效应管专用驱动芯片IR2110,再由IR2110输出高频的调宽脉冲以控制四个场效应管的交替导通,输出的电压在经过LC工频滤波后便可输出稳定的准正弦波供负载使用[5].
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3.2脉宽调制技术及其原理
3.2.1PWM控制的基本原理
在采样控制理论中有这样一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上,其效果相同.冲量即指窄脉冲的面积.这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同.如果把各输出波形用傅立叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有差异.如图3-1a,b,c所示的三个窄脉冲形状不同,其中3-1a为矩形脉冲,图3-1b为三角形脉冲,3-1c为正弦半波脉冲,但他们的面积都等于1,那么,当它们分别加在具有惯性的同一环节上时,其输出响应基本相同.当窄脉冲变为3-1d的单位脉冲函数(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过度函数.
图3-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图3-2a的电路是一个具体的例子.图中u(t)为电压窄脉冲,其形状和面积分别如图3-1a,b,c,d所示,为电路的输入.该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上,设其电流i(t)为电路的输出.图3-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形.从波形可以看出,在i(t)的上升段,脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同,但其下降段则几乎完全相同.脉冲越窄,各i(t)波形的差异也越小.如果周期性地施加上上述脉冲,则响应i(t)也是周期性的.用傅立叶级数分解后将可看出,各i(t)在低频段特性将非常接近,仅在高频段有所不同.上述原理可以称为面积等效原理,它是PWM控制技术的重要理论基础.现在我们来介绍下PWM波形和SPWM波形.
图3-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
PWM波形:如图3-3a的正弦半波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N个劈刺相连的脉冲序列所组成的波形.这些脉冲宽度相等,都等于/N,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化.如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等,就得到图3-3b所示的脉冲序列.这就是PWM波形.可以看出,各脉冲的幅值相等,而宽度是按正弦规律变化的.根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的.同样对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形.
SPWM波形:脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,称为SPWM(SinusoidalPWM)波形.
PWM波形可以分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种.
图3-3用PWM波代替正弦半波
3.2.2PWM逆变电路
PWM逆变电路可以分成电压型和电流型两种,但目前的实际应用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路,下面我们主要分析电压型PWM逆变电路的控制方法.
计算法:根据PWM控制的基本原理,如果给出了逆变电路的正弦波输出频率,幅值和半个周期内的脉冲数,PWM波形中各脉冲的宽度间隔就可以准确的计算出来.按照计算结果控制电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形.这种方法称之为计算法.
调制法:即把希望输出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波和锯齿波作为载波,其中等腰三角波应用最多.当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.
在实际中应用的主要是调制法,下面结合一些具体的电路对这种方法作进一步说明.
图3-4是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路.设负载为阻感负载,工作时V1和V2的通断状态互补,V3和V4的通断状态也互补.具体的控制规律如下:在输出电压的正半周,让V1保持通态,V2保持断态,V3和V4交替通断.由于负载电流比电压滞后,因此在电压正半周,电流有一段区间为正,一段区间为负.在负载电流为正的区,V1和V4导通时,负载电压等于支流电压,V4关断时,负载电流通过V1和VD3续流,等于0.在负载电流为负的区间,仍为V1和V4导通时,因为负,故实际上从VD1和VD4流过,仍有等于,V4关断,从V3和VD1续流,等于0.这样,总可以得到和零两种电平.同样,在的负半周,让V2保持通态,V1保持断态,V3和V4交替通断,负载电压可以得到-和零两种电平.
图3-4单相桥式PWM逆变电路
控制V3和V4通断的方法如图3-5所示.调制信号为正弦波,载波在的正半周为正极性的三角波,在的负半周为负极性的三角波.在和的交点时刻控制IGBT的通断.在的正半周,V1保持通态,V2保持断态,当>,时使V4导通,V3关断,等于,当<,时使V4关断,V3导通,等于0.在的负半周,V1保持断态,V2保持通态,当<,时使V3导通,V4关断,等于-,当>,时使V3关断,V4导通,等于0.这样,就得到了SPWM波形.图中的虚线表示中的基波分量.像这种在的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化,所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方法方式称为单极性PWM控制方法.
图3-5单极性PWM控制方式波形
和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式.图3-4的单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图3-6所示.采用双极性方式时,在的半个周期内,三角形载波不再是单极性的,而是有正有负,所得到的PWM波也是有正有负.在的一个周期内,输出的PWM波只有正负两种电平,而不象单极性控制时还有零电平.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.在的正负半周,对各开关器件的控制规律相同.即当>,时,给V1和V4以导通信号,给V2和V
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