【文章內(nèi)容簡介】 開 關(guān) 時 間 的 限 制 ， 若 仍 采 用 普 通 晶 閘 管 ， 開 關(guān) 的 頻 率 并 不 能 有 效 的 提 高 ，只 有 采 用 全 控 型 器 件 ， 開 關(guān) 頻 率 才 能 得 以 大 大 提 高 ， 可 以 得 到 非 常 逼 真 的 正 弦波 輸 出 波 形 ， 因 而 又 稱 為 正 弦 波 脈 寬 調(diào) 制 (SPWM)變 頻 器 ， 該 變 頻 器 將 變 頻 和調(diào) 壓 的 功 能 集 于 一 身 ， 主 電 路 不 用 附 加 其 他 裝 置 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 性 能 優(yōu) 良 ， 已 成為 當 前 最 有 發(fā) 展 前 途 。 變 頻 器 的 原 理交 直 交 變 頻 器 的 工 作 原 理 是 把 工 頻 交 流 電 通 過 整 流 器 變 成 平 滑 直 流 ， 然后 利 用 半 導 體 器 件 （ GTO門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 、 GTR電 力 晶 體 管 或 IGBT絕 緣 柵 雙 極 性 晶 體 管 ） 組 成 的 三 相 逆 變 器 ， 將 直 流 電 變 成 可 變 頻 率 的 交 流 電 ，由 于 采 用 微 處 理 器 的 正 弦 脈 寬 調(diào) 制 （ SPWM） 方 法 ， 使 輸 出 波 形 近 似 正 弦 波 ，用 于 驅(qū) 動 異 步 電 機 ， 實 現(xiàn) 無 級 調(diào) 速 ， 利 用 變 頻 器 可 以 根 據(jù) 電 機 負 載 的 變 化 實 現(xiàn)自 動 、 平 滑 的 增 速 或 減 速 ， 基 本 保 持 異 步 電 機 固 有 特 性 轉(zhuǎn) 差 率 小 的 特 點 ， 具 有效 率 高 、 范 圍 寬 、 精 度 高 且 能 無 級 變 速 的 優(yōu) 點 。南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）12第 四 章 脈 寬 調(diào) 制 控 制 技 術(shù)所謂正弦脈寬調(diào)制就是把一個正弦波分成 N 個等幅而不等寬的方波脈沖，每一個方波的寬帶與其所對應的正弦波的值成正比，這樣就產(chǎn)生了與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波，由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，逆變器輸出脈沖的幅值就等于整流器的輸出電壓值。當逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應開關(guān)器件的信號也應與逆變器的輸出電壓波形相似。 正 弦 脈 寬 調(diào) 制 (SPWM)變 頻 調(diào) 速 原 理SPWM 變 頻 調(diào) 速 是 交 流 調(diào) 速 系 統(tǒng) 中 較 為 常 用 且 較 為 有 效 的 一 種 調(diào) 速 方 式 。根 據(jù) 采 樣 控 制 理 論 中 沖 量 相 等 而 形 狀 不 同 的 窄 脈 沖 加 在 具 有 慣 性 的 環(huán) 節(jié) 上 時 ，其 效 果 基 本 相 同 。 其 中 ， 沖 量 是 指 窄 脈 沖 的 面 積 。 將 如 圖 52（ a） 所 示 正 弦半 波 分 成 N 等 份 ， 就 可 把 正 弦 半 波 看 成 N 個 彼 此 相 連 的 脈 沖 所 組 成 的 波 形 。這 些 脈 沖 寬 度 相 等 ， 都 等 于 π /N， 但 幅 值 不 等 ， 且 脈 沖 頂 部 不 是 水 平 直 線 ， 而是 曲 線 ， 各 脈 沖 的 幅 值 按 正 弦 規(guī) 律 變 換 。 如 果 把 上 述 脈 沖 序 列 用 同 樣 數(shù) 量 的 等幅 而 不 是 等 寬 的 矩 形 脈 沖 序 列 和 相 應 正 弦 部 分 面 積 （ 沖 量 ） 相 等 ， 就 可 得 到 圖 52（ b） 所 示 的 脈 沖 序 列 。 這 就 是 PWM 波 形 。 可 以 看 出 ， 各 脈 沖 的 寬 度 是 按 正弦 規(guī) 律 變 化 的 。 根 據(jù) 沖 量 相 等 效 果 相 同 的 原 理 ， PWM 波 形 和 正 弦 半 波 是 等 效的 。 對 于 正 弦 半 波 的 負 半 周 ， 也 可 以 用 同 樣 的 方 法 得 到 PWM 波 形 。 南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）13圖 52 PWM 控 制 基 本 原 理 示 意 圖這 一 系 列 脈 沖 波 形 的 寬 度 可 以 嚴 格 地 用 計 算 方 法 求 得 ， 作 為 控 制 逆 變 器 中 各功 率 開 關(guān) 器 件 通 斷 的 依 據(jù) 。 但 經(jīng) 常 使 用 的 方 法 是 采 用 “調(diào) 制 ”的 方 法 。 以 所希 望 的 波 形 （ 在 這 里 是 正 弦 波 ） 作 為 調(diào) 制 波 ， 而 受 它 調(diào) 制 的 信 號 成 為 載 波 。 在SPWM 中 常 用 等 腰 三 角 波 作 為 載 波 ， 因 為 等 腰 三 角 形 是 上 下 寬 度 線 性 對 稱 的 波形 ， 當 它 與 一 個 正 弦 波 曲 線 相 交 時 ， 在 交 點 的 時 刻 產(chǎn) 生 控 制 信 號 ， 控 制 功 率 開關(guān) 器 件 的 通 斷 ， 就 可 以 得 到 一 組 等 幅 而 脈 沖 寬 度 正 比 于 對 應 區(qū) 間 正 弦 波 曲 線 函數(shù) 值 的 矩 形 脈 沖 。正 弦 波 脈 寬 調(diào) 制 (SPWM)產(chǎn) 生 的 脈 寬 調(diào) 制 波 是 等 幅 而 不 等 寬 的 脈 沖 序 列 ， 脈寬 調(diào) 制 的 方 法 很 多 ， 從 脈 寬 調(diào) 制 的 極 性 上 看 ， 有 單 極 性 和 雙 極 性 之 分 。從 載 波和 調(diào) 制 波 的 頻 率 之 間 的 關(guān) 系 來 看 ， 又 有 同 步 調(diào) 制 、 異 步 調(diào) 制 和 分 段 同 步 調(diào) 制 。在 實 行 SPWM 脈 寬 調(diào) 制 時 ， 同 步 調(diào) 制 和 異 步 調(diào) 制 優(yōu) 缺 點 如 下 : 同 步 調(diào) 制 在 同 步 調(diào) 制 方 式 中 ， 載 波 比 N 等 于 常 數(shù) ， 變 頻 時 三 角 載 波的 頻 率 與 正 弦 調(diào) 制 波 的 頻 率 同 步 改 變 ， 因 而 逆 變 器 輸 出 電 壓 半 波 內(nèi) 的 矩 形 脈 沖數(shù) 是 固 定 不 變 的 。 如 果 取 N 為 3 的 倍 數(shù) ， 則 同 步 調(diào) 制 能 保 證 輸 出 波 形 的 正 、 負半 波 始 終 保 持 對 稱 ， 并 能 嚴 格 保 證 三 相 輸 出 波 形 間 具 有 互 差 120。 的 對 稱 關(guān) 系 。當 輸 出 頻 率 很 低 時 ， 由 于 相 鄰 兩 脈 沖 間 的 間 距 增 大 ， 諧 波 會 顯 著 增 加 ， 使 電 機產(chǎn) 生 較 大 的 脈 動 轉(zhuǎn) 矩 和 較 強 的 噪 聲 。 異 步 調(diào) 制 異 步 調(diào) 制 是 逆 變 器 的 整 個 變 頻 范 圍 內(nèi) ， 載 波 比 N 不 等 于 常數(shù) 。 一 般 在 改 變 調(diào) 制 信 號 頻 率 時 保 持 三 角 載 波 頻 率 不 變 ， 因 而 提 高 了 低 頻 時 的載 波 比 。 這 樣 輸 出 電 壓 半 波 內(nèi) 的 矩 形 脈 沖 可 隨 輸 出 頻 率 的 降 低 而 增 加 ， 相 應 的可 減 少 電 機 的 轉(zhuǎn) 矩 脈 動 與 噪 聲 ， 改 善 了 系 統(tǒng) 的 低 頻 工 作 性 能 。異 步 調(diào) 制 方 式 的 缺 點 是 當 載 波 比 N 隨 著 輸 出 頻 率 的 降 低 而 連 續(xù) 變 化 時 ， 它不 可 能 總 是 3 的 倍 數(shù) ， 勢 必 使 輸 出 電 壓 波 形 及 其 相 位 都 發(fā) 生 變 化 ， 難 以 保 持 三相 輸 出 的 對 稱 性 ， 因 而 引 起 電 機 工 作 不 平 穩(wěn) 。 分 段 同 步 調(diào) 制南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）14分 段 同 步 調(diào) 制 綜 合 了 上 面 兩 種 方 法 的 優(yōu) 點 ， 把 整 個 變 頻 范 圍 劃 分 為 若 干 頻 段 ，在 每 個 頻 段 內(nèi) 都 維 持 載 波 比 N 恒 定 ， 而 對 不 同 的 頻 段 取 不 同 的 N 值 ， 頻 率 低時 ， N 取 大 些 ， 一 般 大 致 按 等 比 級 數(shù) 安 排 。 SPWM 的 數(shù) 字 控 制數(shù) 字 控 制 是 SPWM 目 前 常 用 的 方 法 。 可 以 采 用 微 機 存 儲 預 先 計 算 好 的SPWM 數(shù) 據(jù) 表 格 ， 控 制 時 根 據(jù) 指 令 查 表 得 到 數(shù) 據(jù) 進 行 運 算 ?；?者 通 過 軟 件 實 時生 成 SPWM 波 形 。也 可 以 采 用 大 規(guī) 模 集 成 電 路 專 用 芯 片 產(chǎn) 生 SPWM 信 號 。 下面 介 紹 兩 種 常 用 SPWM 波 形 的 軟 件 生 成 方 法 ： 自 然 采 樣 法自 然 采 樣 法 以正弦波為調(diào)制 波, 等腰三角波為載波 進行比較,按 照 它 們 的 交 點進 行 脈 沖 寬 度 與 間歇 時 間 的 采 樣 ， 在兩個波形的自 然交點時刻控制開關(guān) 器件的通斷, 其優(yōu)點 是所得SPWM 波形 最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制。 如 圖 42 所 示 ， 圖 中 截 取 了 任意 一 段 正 弦 調(diào) 制 波 與 三 角 載 波 一 個 周 期 的 相 交 情 況 。 交 點 A 是 發(fā) 生 脈 沖 的 時刻 ， B 點 是 結(jié) 束 脈 沖 的 時 刻 。 Tc 為三角載波的周期。 t1 和 t3 是間歇時間。 t2 為AB 之間的脈寬時間。T c= t1+ t2+ t3南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）15圖 42 生 成 SPWM 波 形 的 自 然 采 樣 法 若 以 單 位 量 1 表 示 三 角 載 波 的 幅 值 Ulm，則正弦調(diào)制波的幅值就是調(diào)制M，正弦波可寫作 uM=M sin 1t （41 ）?式 中 ， 1 是調(diào)制波頻率，即逆變器輸出頻率。? 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法,理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷,從而實現(xiàn) SPWM (或底點)位置對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的,時刻對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對稱,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣. 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單,便于在線實時運算,線性控制范圍較小。 規(guī) 則 采 樣 SPWM 控 制 算 法 的 仿 真 研 究 ： 這 里 用 MATLAB 來 仿 真 實 用的 規(guī) 則 采 樣 SPWM 控 制 算 法 ， 由 于 在 SimPowerSystem 中 沒 有 相 應 的 PWM 仿真 模 塊 ， 所 以 要 自 行 建 立 規(guī) 則 采 樣 SPWM 控 制 仿 真 模 塊 ， 圖 43 是 模 塊 的 結(jié)構(gòu) 。南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）16圖 43 規(guī) 則 采 樣 SPWM 控 制 仿 真 模 塊在 圖 48 表 示 的 模 塊 中 ， Pulse Generator 產(chǎn) 生 采 樣 脈 沖 ， 一 個 脈 沖 周 期對 應 于 一 個 規(guī) 則 采 樣 周 期 ， counter 是 計 數(shù) 器 ， 對 脈 沖 的 個 數(shù) 進 行 計 數(shù) 。 采 樣脈 沖 的 總 個 數(shù) 與 常 數(shù) 相 加 ， 可 以 保 證 在 每 個 采 樣 周 期 的 中 點 進 行 采 樣 。 采樣 脈 沖 的 總 個 數(shù) 乘 以 脈 沖 周 期 與 連 續(xù) 時 間 的 差 值 可 以 得 出 每 個 采 樣 周 期 內(nèi) 的 定時 基 。圖 44 是 用 規(guī) 則 采 樣 控 制 仿 真 模 塊 仿 真 得 出 的 SPWM 信 號 波 形 圖 。圖 49 用 規(guī) 則 采 樣 控 制 仿 真 模 塊 仿 真 得 出 的 SPWM 信 號 波 形 圖 SPWM 逆 變 器如 圖 53 中 SPWM 三相逆變器主電路由六個全控式功率開關(guān)器件構(gòu)成三相逆變橋，它們各有一個繼流二極管反并聯(lián)結(jié)，整個逆變器由三相不可控整流器提供電壓為 Ud 的直流電壓。若有同一橋臂上下兩個開關(guān)交替地導通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“+”和 “－ ”之間變化，這樣得到雙極式的 SPWM 波形。南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）17圖 53 SPWM 三相逆變器主電路圖 53 所 示 為 雙 極 性 脈 寬 調(diào) 制 波 形 ， 圖 中 三 角 波 C 為 載 波 ， 正 弦 波 M 為調(diào) 制 波 ， 當 載 波 與 調(diào) 制 波 曲 線 相 交 時 ， 在 交 點 的 時 刻 產(chǎn) 生 控 制 信 號 ， 用 來 控 制功 率 開 關(guān) 器 件 的 通 斷 ， 就 可 以 得 到 一 組 等 幅 而 脈 沖 寬 度 正 比 于 對 應 區(qū) 間 正 弦 波曲 線 函 數(shù) 值 的 矩 形 脈 沖 。 SPWM 逆 變 器 輸 出 基 波 電 壓 的 大 小 和 頻 率 均 由 調(diào)制 電 壓 來 控 制 。 逆 變 橋 在 工 作 時 ， 同 一 橋 臂 的 兩 個 逆 變 器 件 總 是 按 相 電 壓 脈 沖系 列 的 規(guī) 律 交 替 地 導 通 和 關(guān) 斷 。 當 改 變 調(diào) 制 電 壓 的 幅 值 時 ， 脈 寬 隨 之 改 變 ， 即可 改 變 輸 出 電 壓 的 大 小 。當 改 變 調(diào) 制 電 壓 的 頻 率 時 ， 輸 出 電 壓 頻 率 隨 之 改 變 。 但正 弦 調(diào) 制 波 最 大 幅 值 必 須 小 于 三 角 波 的 幅 值 ， 否 則 輸 出 電 壓 的 大 小 和 頻 率 就 將失 去 所 要 求 的 配 合