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1、毕业设计(论文)开题报告题目： 脉宽PWM控制型变频器研究与设计课 题 类 别： 设计 论文学 生 姓 名： 学 号： 班 级： 专业全称： 电子信息工程指 导 教 师： 2021年 4 月一、本课题设计研究的目的：PWM 变频器在交流变频调速系统、UPS、交流稳压电源、中频电源及其他各种电力电子装置中得到了越来越广泛的应用,它所产生的谐波对外界的危害亦日益严重。本次设计在综述了用于变频器的各种PWM 技术抑制谐波效果的根底上,设计一种PWM控制型变频器。二、课题任务要求： 此题目要求要求对各种PWM的各种关键技术的简要说明，设计目的在于了解PWM怎样实现与变频，了解变频器，掌握PWM在变频器
2、的应用。总体来说脉宽PWM控制型变频器是由整流电路、中间直流电路、逆变电路、吸收电路、采样电路、驱动电路、控制电路以及采样处理与保护等电路组成。小功率采用单相220V电源，大功率采用三相380V电源，逆变器采用PWM控制方式，中间直流电路是电压源，滤波采用大容量电解电容(注意极性)除去干扰。通过空调来进行验证其运转与节能效果，以及CPU控制电机运转情况所到达的各项指标。具体要求如下：1、脉宽PWM控制型变频器的整体设计图。2、通过对此模块的论述，到达对PWM与变频技术的深刻理解。 3、要求详细表达周遍接口，及其控制与文字说明。4、按要求编写课程设计报告书，正确、完整的阐述设计和实验结果。5、在
3、报告中应该有完整的数学论证。三、本课题设计(研究)的意义：通过本次课程设计，综合运用PWM技术课程和其他有关先修课程的理论和生产实际知识去分析和解决具体问题，并使所学知识得到进一步稳固、深化和开展。初步培养学生对工程设计的独立工作能力，学习设计的一般方法。通过课程设计树立正确的设计思想，提高学生分析问题、解决问题的能力。进行设计根本技能的训练，如查阅设计资料和手册、程序的设计、调试等。四、设计研究现状和开展趋势文献综述：PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。
4、从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比拟，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。 PWM控制的根本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件开展水平的制约，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开展，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开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开展。到目前为止，已
5、出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。 1 相电压控制PWM 1.1 等脉宽PWM法1 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAMPulse Amplitude Modulation控制技术来实现的，其逆变器局部只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点开展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于P
6、AM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。 1.2 随机PWM 在上世纪70年代开始至上世纪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在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的，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。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PW
7、M仍然有其特殊的价值；另一方面那么说明了消除机械和电磁噪音的最正确方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。 1.3 SPWM法 SPWMSinusoidal PWM法是一种比拟成熟的、目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本相同。SPWM法就是以该结论为理论根底，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM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，通过改变调制波的频率和幅值那么可调节逆变电
8、路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。 1.3.1 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，以到达预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的根本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。 1.3.2 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，其原理就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
9、波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比拟器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。1.3.3 软件生成法 由于微机技术的开展使得用软件生成SPWM波形变得比拟容易，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，其有两种根本算法，即自然采样法和规那么采样法。 1.3.3.1 自然采样法2 以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比拟，在两个波形的自然
10、交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 1.3.3.2 规那么采样法3 规那么采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点或底点位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期即采样周期内的位置是对称的，这种方法称为对称规那么采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对
11、正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期此时为采样周期的两倍内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规那么采样。 规那么采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规那么采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中。 1.3.4 低次谐波消去法2 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ut，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
12、可以消去两个频率的谐波。 该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。 1.4 梯形波与三角波比拟法2 前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而无视了直流电压的利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86.6。因此，为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法梯形波与三角波比拟法。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。 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅
13、值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波，所以输出波形中含有5次、7次等低次谐波。 2 线电压控制PWM 前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制的，使其输出接近正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样的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，主要有以下两种方法。 2.1 马鞍形波与三角波比拟法 马鞍形波与三角波比拟法也就是谐波注入PWM方式HIPWM，其原理是在正弦波中参加一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不
14、超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波4。 除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压。这是因为，经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。 2.2 单元脉宽调制法5 因为，三相对称线电压有UuvUvwUwu=0的关系，所以，某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和。现在把一个周期等分为6个区间，每区间60，对于
15、某一线电压例如Uuv，半个周期两边60区间用Uuv本身表示，中间60区间用(UvwUwu)表示，当将Uvw和Uwu作同样处理时，就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60区间的两种波形形状，并且有正有负。把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号，载波仍用三角波，并把各区间的曲线用直线近似实践说明，这样做引起的误差不大，完全可行，就可以得到线电压的脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强，负半周是正半周相应脉冲列的反相，因此，只要半个周期两边60区间的脉冲列一经确定，线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了。这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号，但由于三相线电压的脉冲工作模式，就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 该方法不仅能抑制较多的低次谐波，还可减小开关损耗和加宽线性控制区，同时还能带来用微机控制的方便，但该方法只适用于异步电动机，应用范围较小。 3 电流控制PWM 电流控制PWM的根本思想是把希望输出的电流波形作为指
