技能实训11 正弦波逆变器原理试验

一、实验目的 二、实验设备 三、实验原理 四、实验步骤 五、实验要求及注意事项 六、问题思考

一、实验目的 1、了解正弦波逆变器基本结构 2、了解SPWM波

二、实验设备 光伏逆变原理与检修实验箱一台、双通道示波器一台

三、实验原理 1、SPWM SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，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，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，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则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

WM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。 所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。

该方法的实现有以下几种方案。 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.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,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.

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，用比较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。

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. 自然采样法 以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然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。

规则采样法 规则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则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻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(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则采样。

当三角波既在其顶点又在底点时刻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(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则采样。 规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则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。

梯形波与三角波比较法 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，从而忽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。 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。

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。 2、推挽直流升压 推挽电路如下图所示。

推挽电路就是两不同极性晶体管连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的功率BJT 管或MOSFET 管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。

如果输出级的有两个三极管，始终处于一个导通、一个截止的状态，也就是两个三级管推挽相连，这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱（Totem-pole）输出电路。当输出低电平时，也就是下级负载门输入低电平时，输出端的电流将是下级门灌入T4；当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经 T3、D1 拉出。这样一来，输出高低电平时，T3 一路和 T4 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使 RC 常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。要实现线与需要用 OC（open collector）门电路。 推挽电路适用于低电压大电流的场合，广泛应用于功放电路和开关电源中。 3、桥式整流 桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。整流桥如下图所示。

桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

4、H桥逆变 逆变桥如下图所示。

在V1、V3MOSFET的触发脚给如信号波，即SPWM波，在V2、V4MOSFET的触发脚给入载波，即PWM波。因为SPWM与正弦波波形冲量相等，所以经过逆变桥输出波形为正弦波。

四、实验步骤 1、连接实验线 将蓄电池正极128端口连在逆变器输入130端口，负极129端口连在131端口，切勿接反。 2、波形观察 打开实验箱电源开关，蓄电池开关。用示波器观察逆变器的直流升压模块的信号输入132、133端口，示波器测试线的负极接DC/DC信号地134或135端口。观察其输入的PWM方波信号，读出PWM方波的频率和占空比，记录并保存波形。

观察逆变器的H桥输出逆变信号。用示波器观察信号波138端口波形、示波器测试线负极接逆变信号地136或137端口。观察SPWM波的波形，记录并保存波形。再用示波器观察载波139端口波形，观察PWM方波波形，记录并保存其波形。最后观察逆变器输出波形，用示波器观察，观察输出波形为50HZ、220V的正弦波交流电，注意安全。

3、负载实验 打开交流电机，可以观察其转动，说明逆变器已经工作。从插座接小于200w的负载，观察现象，可串入电流变和并入电压表。

五、实验要求及注意事项 1、对SPWM波进行观察，并与资料对比，是否无误。 2、注意用电安全，确保接线无误，再进行实验。

六、问题思考 1、有几种实现SPWM的方法？请列举出来 2、为什么正弦波比方波更适合感性负载？