【文章內(nèi)容簡介】 不等寬的，寬度按照正弦規(guī)律變化，故輸出電壓的波形接近正弦波。 單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制 根據(jù)調(diào)制脈沖的極型， PWM 可分為單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制兩大類，如圖所示：當(dāng)正弦波的正半周 時(shí)，如果正弦波的幅值大于三角波的幅值時(shí)，比較器輸出正電平，如果正弦波小于三角波幅值時(shí)，比較器輸出 0 電平。當(dāng)在正弦波的負(fù)半周時(shí)，如果正弦波幅值大于三角波時(shí)，輸出為負(fù)電平。正弦波幅值小于三角波時(shí)則輸出 0 電平。所以有正、 0、負(fù)三種電平 ，像這種在控制信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)三角波只在一種極性的變化，稱之為單極性調(diào)制。 圖 6urucuO? tO? tuouofuoUd Ud 雙極性 SPWM 控制方式 與單極性調(diào)制對(duì)應(yīng)的是雙極性調(diào)制。為了得到 SPWM 波形，可以利用一個(gè)控制信號(hào)（正弦波，也稱調(diào)制波）與一個(gè)較高頻率的等腰三角波（載波）相比較以產(chǎn)生開關(guān)通斷的控制信號(hào)。當(dāng)正弦波信號(hào)幅值大于三角波幅值時(shí)，比較器輸出+Ud/2，反之輸出 Ud/2。這樣得到雙極性的脈沖序列，脈沖寬度和控制信號(hào)的高度成正比。這樣得到的只有正、負(fù)兩種電平的 PWM 信號(hào)，這稱為雙極性脈寬調(diào)制。將此脈沖列作傅立葉級(jí)數(shù)分解，可知是放 大了的控制信號(hào)和一系列的高次諧波。濾掉高次諧波，就得到了被放大了的控制信號(hào)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁 共 45 頁 圖6 6urucuO? tO? tuouofuoUd Ud 三相 SPWM 控制公用 uc,三相的調(diào)制信號(hào) urU、 urV和 urW依次相差 120176。 當(dāng) urUuc時(shí)，給 V1導(dǎo)通信號(hào)，給 V4關(guān)斷信號(hào)， uUN’ =Ud/2,當(dāng) urUuc時(shí)，給 V4導(dǎo)通信號(hào)，給 V1關(guān)斷信號(hào)， uUN’ =Ud/2,當(dāng)給 V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是 V1(V4)導(dǎo)通，也可能是 VD1(VD4)導(dǎo)通 ,uUN’ 、 uVN’ 和 uWN’ 的 PWM 波形只有177。 Ud/2 兩種電平 ,uUV波形可由 uUN’ uVN’ 得出，當(dāng) 1 和 6 通時(shí)， uUV=Ud，當(dāng) 3 和 4 通時(shí)， uUV=－ Ud，當(dāng) 1和 3 或 4和 6通時(shí)， uUV=0 輸出線電壓 SPWM 波由177。 Ud 和 0 三種電平構(gòu)成 ,負(fù)載相電壓 SPWM 波由 (177。2/3)Ud、 (177。 1/3)Ud和 0 共 5種電平組成 圖6 7調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN39。C+C+urUurVurW2Ud2Ud 在 圖 中 繪出了三相 SPWM 逆變器工作在雙極式控制方式時(shí)的輸出電壓波形。其調(diào)制方法和單極式相同，輸出基波電壓的大小和頻率也是通過改變正弦參考信號(hào)的幅值和頻率而改變的，只是功率開關(guān)器件通斷的情況不一樣。雙極式控制時(shí)逆變器同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件交替通斷，處于互補(bǔ)的工作方式。例如圖 6b中， uA0＝ f（ t）是在 + US/2 和 － US/2之間跳變的脈沖波形，當(dāng) ura＞ uT時(shí)， VT1 導(dǎo)桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁 共 45 頁 通， uA0＝ + US/2；當(dāng) ura＜ uT時(shí)， VT4 導(dǎo)通， uA0＝－ US/2 同理， uB0波形是 VT VT6交替導(dǎo)通得到的； uC0波形是 VT VT2 交替導(dǎo)通得到的。 由 uA0 減 uB0得到逆變器輸出的線電壓波形 uAB=f（ t），脈沖幅值為＋ US和－ US。 一個(gè)逆變電路，是采用單極性還是雙極性調(diào)制，完全取決于主電路本身的結(jié)構(gòu)。某些電路，如單相橋式逆變電路，既可用單極性 PWM 控制方案，也可用雙極性 PWM調(diào)制信號(hào)去控制。而三相橋式逆變電路則采用雙極性 PWM調(diào)制信號(hào)去控制。在同等情況下，單極性 PWM 調(diào)制波比雙極性 PWM 調(diào)制波的諧波分量要小些。 通常三角波的幅值與頻率固定，只是正弦波信號(hào)的幅值與頻率進(jìn)行改變。正弦波信號(hào)的幅值與三角波幅值的比稱為調(diào)制比，用 M 表示。 將脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)要受到逆變器功率器件開關(guān)頻率和調(diào)制度的制約。逆變器各功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗限制了脈寬調(diào)制逆變器的每秒脈沖數(shù)（即逆變器每個(gè)開關(guān)器件的每秒動(dòng)作次數(shù)）。同時(shí)，為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使 所調(diào)制的脈沖波有個(gè)最小脈 寬與最小間隙的限制，以保證脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間。定義調(diào)制度， 一般 M在 0～ 1之間變化，逆變器輸出的基波分量與 M成線性關(guān)系。如果大于 1，那么正弦波輸出特性將被破壞，這種情況叫做過調(diào)制。將三角波和正弦波頻率的比值叫做載波比，用 N表示 。 因此，載波不變得情況下，改變正弦波的幅值即可改變輸出基波的幅值， 改變正弦波的頻率即可改變輸出基波的頻率 。 u c u rU u rV u rW u u UN39。 u VN39。 O t t t t O O O u WN39。 2 U d ? 2 U d 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁 共 45 頁 異步調(diào)制與同步調(diào)制 三角波與正弦波之間沒有確定的頻率調(diào)制比，稱之為異步調(diào)制。一般三角波的頻率是不變的，因此，改變正弦波頻率時(shí)，調(diào)制比 N是變化的，可 能不是一個(gè)整數(shù)，那么輸出波形將不對(duì)稱， N 較大時(shí)影響較小。反之，波形的不對(duì)稱度將 變得很大。 如果調(diào)制比在變頻過程中保持為常數(shù) ，這種同步關(guān)系得調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。因此，在變頻過程中三角波的頻率必須與正弦波頻率同步變化。在三相系統(tǒng)中， N應(yīng)為 3的整數(shù)倍，同時(shí)要為奇數(shù)，以使波形正負(fù)對(duì)稱與鏡像對(duì)稱。 為了克服高頻工作時(shí)的缺點(diǎn)，可采用分段同步調(diào)制： 在異步調(diào)制中，在逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比不為常數(shù)。同步調(diào)制和異步調(diào)制各有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了揚(yáng)長避短，可將兩種調(diào)制方式結(jié)合起來，成為分段同步調(diào)制方式。在一定頻率范圍內(nèi)，采用 同步調(diào)制，保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)頻率降低較多是，使載波比分段有級(jí)地增加，又采納了異步調(diào)制地長處，減少負(fù)載電機(jī)地轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲。載波比值的選定與逆變器的輸出頻率、功率開關(guān)器件的允許工作頻率以及所用的控制手段都有關(guān)系。為了使逆變器的輸出盡量接近正弦波，應(yīng)盡可能增大載波比，但若從逆變器本身看，載波比不能太大， 逆變器各功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗限制了脈寬調(diào)制逆變器的每秒脈沖數(shù)（即逆變器每個(gè)開關(guān)器件的每秒動(dòng)作次數(shù)）。同時(shí)，為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須時(shí)所調(diào)制的脈沖波有個(gè)最小脈寬與最小間隙的限制，以保證脈沖寬度 大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間 分段調(diào)制如圖示 。脈寬調(diào)制 應(yīng)受到下述關(guān)系式的限制即 ： N≤ 信號(hào)頻率頻段內(nèi)最高的正弦參考 允許開關(guān)頻率逆變器功率開關(guān)器件的 ， 010 20 30 40 50 60 70 80201147996 9 4 5 3 32 1圖 6 1fr /H zf c /kHz SPWM 波形的生成 根據(jù) SPWM 逆變器的工作原理，三角載波變化一個(gè)周期之間，它與正弦波 相交兩次，相應(yīng)的逆變器功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷一次。要準(zhǔn)確地生成 SPWM 波形，桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁 共 45 頁 就得盡量精確地計(jì)算功率器件的導(dǎo)通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻。根據(jù)采樣時(shí)刻的選擇方式不同，可以分為自然采樣法、規(guī)則采樣法和等面積采樣法。 （ 1） 自然采樣法 自然采樣法是由高 頻三角載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)來自然的確定脈沖的采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)，即自然采樣法的采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)重合，采樣點(diǎn)不能預(yù)先選定。 自然采樣法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)： ① 基波幅值與調(diào)制度 M成正比，有利于調(diào)壓。 ② 高次諧波隨著載波比 N 與調(diào)制度 M 的 增大而減小有利于波形正弦化，適合于 N〉 11 的場合，當(dāng) N〈 11時(shí)，諧波成分增大，使鄰近的頻譜瓣之間發(fā)生重疊，導(dǎo)致不同頻譜瓣諧波分量疊加。 自然采樣法雖然對(duì)輸出電壓波形有利但 需要解超越方程，求解費(fèi)時(shí)較長，實(shí)時(shí)性差，工程應(yīng)用中常采用規(guī)則采 樣法。 （ 2）規(guī)則采樣法原理 為了尋求適用于 工程實(shí)用方法， 20 世紀(jì) 70 年代英國的 Bristol 大學(xué)的 教授提出了效果接近自然采樣法的規(guī)則采樣法 。 規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般 采用三角波作為載波。其原理就是用三角波 的固定點(diǎn) 對(duì)正弦波進(jìn)行 采樣 ， 以確定脈沖的前沿和后沿時(shí)刻，而并不管此時(shí)是否正弦波與三角波相交 ， 采樣點(diǎn)是固定的，開關(guān)點(diǎn)是變化的， 從而實(shí)現(xiàn) 規(guī)則采樣 SPWM 法。當(dāng) 規(guī)則采樣可以對(duì)三角波正峰值和負(fù)峰值時(shí)刻采樣，對(duì)正峰值采樣，脈沖寬度明顯偏小控制誤差大，因而人們普遍采用負(fù)峰值采樣。如 下 圖 所示 ，在三角波負(fù)峰值時(shí)刻 t D 對(duì)正弦波采樣，以該時(shí)刻的采樣值過 D 點(diǎn)做一水平線，水平線與三角波的交點(diǎn)分別為 A 和 B，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為 t A 和 t B ，在 t A、 t B 時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，可以得到這種規(guī)則調(diào)制下的脈沖。這種調(diào)制得到的脈沖同自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近，時(shí)間上略有差異。 在規(guī)則采樣法中，第一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)刻， 可以在第一個(gè)采樣周期的前半個(gè)周期中任意選定，輸出電壓的基波分量不在與調(diào)制度 M 和 )cos( ?? ?s 的乘積成正比而桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 14 頁 共 45 頁 變成了與調(diào)制度 M 和載波比 N 成非線性關(guān)系 。當(dāng) N增大時(shí)，基波分量趨于正弦，當(dāng) N 較小、 M較大時(shí)，采樣點(diǎn) P無論取在第一個(gè)周期的起點(diǎn)還是其它位置，規(guī)則采樣法輸出的電壓頻譜，都明顯劣于自然采樣法。 規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控 制范圍較小。以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。 3） 等面積法 實(shí)際上就是 SPWM 法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成 PWM 信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以 SPWM 控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。 SPWM 法的思路是使每一載波周期內(nèi)逆變器輸出脈沖面積和在同一載波周期內(nèi)希望 得到的正弦波面積相等 ,也稱面積相等法 。 它不像模擬方法需要有正弦參考波與三角載波的比較才能產(chǎn)生 SPWM 波形 ,這里不需要三角載波 ,只需要定出載波周期。對(duì)一個(gè)給定的電壓期望值 ,可以將一個(gè)周期的正弦交流電劃分為若干個(gè)相等的時(shí)間間隔 ,正弦波每一小區(qū)間的面積可以由具有一定寬度和幅值的脈沖波來等效 ,這就是等面積法產(chǎn)生 SPWM 波的原理等面 積算法具有計(jì)算量小、精度高、輸出電壓波形接近正弦波、諧波損耗小等優(yōu)點(diǎn) ,其方法把半個(gè)周期的正弦波分成 N 等份 ,如圖 1 所示 , 然后把每一份正弦曲線段與橫軸所包圍的面積都用與之相等面積的等高矩形脈沖來代替 ,即相對(duì)應(yīng)的同一時(shí)間段內(nèi)矩形脈沖波面積的代數(shù)和與正弦波和橫軸所包圍的面積相等 。 同樣正弦波的負(fù)半周也可用該方法來等效 。 N 的多少就意味著 SPWM 信號(hào)的調(diào)制頻率高低 ,調(diào)制頻率越高正弦波的波形越好 ,但頻率的選擇又受元件頻率特性的限制。 逆變器輸出電壓與脈寬的關(guān)系 在 變頻調(diào)速系統(tǒng)中，負(fù)載電機(jī)接受逆變器的輸出電壓而運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)來說，有用的只是基波電壓，所以要分析逆變器的輸出電壓波形。就圖 4 所示的單極桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 15 頁 共 45 頁 式 SPWM 輸出波形而言，其脈沖幅值為 US/2。在半個(gè)周期內(nèi)有 N 個(gè)脈沖，各脈沖不等寬，但中心間距是一樣的，為π /N（ rad），等于三角載波的周期。 令第 i 個(gè)矩形脈沖的寬度為δ i（見圖 5），其中心點(diǎn)相位角為θ i，由于從原點(diǎn)開始只有半個(gè)三角波，從圖上可以看出，θ i角可寫作： θ i＝Nπi－21 Nπ＝Ni212?π （ 1） 因輸出電壓波形 u（ t）正、負(fù)半波及其左、又均對(duì)稱，它是一個(gè)奇次周期函數(shù)，按傅氏級(jí)數(shù)展開可表示為 u（ t）＝ ??1k＝Ukmsinkw1t, k= 5… 其中 Ukm＝π2 )1(1sintu0 twtdkw）（π? 要把 N 個(gè)矩形脈沖所代表的 u（ t）代入上式， 必須先求得每個(gè)脈沖的起始與終止相位角。設(shè)所需逆變器輸出的正弦波電壓幅值為 Um，則報(bào)據(jù)矩形脈沖的面積應(yīng)與該區(qū)段正弦曲線下面積相等的原則，可近似寫成 δ i 2Us ≈ Nπ Umsinθ i 故第 i個(gè)矩形脈沖的寬度δ i