正弦脉宽调制.doc

正弦脉宽调制（）控制为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制简称控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器应用最早而且作为控制基础的是正弦脉宽调制简称图3-1与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列正弦脉宽调制原理一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-所1示图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形假设分出的波形数目1如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数目受到开关器件允许开关频率的限制在通用变频器采用的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒定从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅的矩形波用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代（见图3-2，）只要每个脉冲波的面积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制波形。

例如，把正弦半波分作等分在图中，9把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样就形成波形同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效的波形称作单极式心-const仏"**^f^constfy=var»ABli51&眄e2n谒r波形率开关器件，它们各有一个续流二极管和它反并联接整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流恒值电压为图变压变频器主电路原理图某一相的单极式波形是由逆变器该相上或下桥臂中一个功率开关器件反复导通和关断形成的在正弦脉宽调制方法中，利用正弦波作调制波e受它调制的信号称为载波，常用等腰三角波作载波当调制波与载波相交时见图，其交点决定了逆变器开关器件的通断时刻例如：当相的调制波电压高于载波电压时，使开关器件导通，输出正的脉冲电压见图，当低于时，使关断，输出电压下降为零在的负半周中，可用类似的方法控制下桥臂的，输出负的脉冲电压序列若改变调制波的频率，输出电压基波的频率也随之改变；降低调制波的幅值时，如图中的，各段脉冲宽度变窄，输出电压的基波幅值也相应减小。

正弦调制波与三角载波输出的波图单极式脉宽调制波的形成上述单极式波形在半周内的脉冲电压只在“正”或“负”和“零”之间变化,主电路每相只有一个开关器件反复通断如果让同一桥臂上、下两个开关器件互补地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到双极式的波形图3-绘5出了三相双极式正弦脉宽调制波形,其调制方法和单极式相似,只是输出脉冲电压的极性不同当相调制波时，导通，关断，节点与直流电源中点间的相电压为'图；当时，关断而导通，2所以相电压是以和一为幅值作正、负跳变的脉冲波形同理，图是由和交替导通得到的，图是由）交替导通得到的由'和'相减，可得逆变器输出的线电压,也就是负载上的线电压，其脉冲幅值为和一d可见，线电压的波是由土和三种电平构成的三相桥式逆变器的双极性波形图中的、与是逆变器输出端a、分别与直流电源中点之间的电压，点与负载的零点并不一定是等电位的，等并不代表负载上的相电压令负载零点与直流电源中点之间的电压为，则负载各相的相电压分别为将式（3-中1各）式相加并整理后得一般负载三相对称，则，故有OO~'+作o由此可求得相负载电压为liAO~”卫0」3“如J+并在图中绘出了相应的负载相电压波形，和波形与此相似。

波的基波电压对电动机来说，有用的是电压的基波，希望波形中基波的成分越大越好为了找出基波电压，须将脉冲序列波展开成傅氏级数，由于各相电压正、负半波及其左、右均对称，它是一个奇次正弦周期函数，其一般表达式为式中Ukm二;要把包含个矩形脉冲的代入上式，必须先求得每个脉冲的起始相位和终了相位在图中，由于在原点处三角波是从负的顶点开始出现的，所以第个脉冲中心点的相位应为7i1n2i-1u.——I7T'H2/?2/7于是，第个脉冲的起始相位为e-~s二匕丄算_丄52a7%O1e.=^—终了相位为-I-其中6是第个脉冲的宽度把各脉冲起始和终了相位代入式中，可得故以代入式，可得输出电压的基波幅值当半个周期内的脉冲数不太少时,各脉冲的宽度6都不大，可以近似地认为62©,因此可见输出基波电压幅值与各段脉宽6有着直接的关系，它说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度时，就可实现对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节根据脉冲与相关段正弦波面积相等的等效原则可以导出将式（3-、5式）（3-代9入）式（3-，8得）可以证明，除以外，有限项三角级数Ycos<2izl>=0而是没有意义的，因此由式可得也就是说，逆变器输出脉冲波序列的基波电压正是调制时所要求的正弦波幅值电压。

当然，这个结论是在作出前述的近似条件下得到的，即不太少，n~n,且当这些条件成立时，变压变频器能很好地满足异步电动机变压变频调速的要求要注意到，逆变器输出相电压的基波和常规六拍阶梯波的交直交变压变频器相比要小一些，据有关资料介绍，仅为其，%这样就影响了电机额定电压的充分利用为了弥补这个不足，在逆变器的直流回路中常并联相当大的滤波电容,以抬高逆变器的直流电源电压脉宽调制的制约条件根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的功率开关器件在其输出电压半周内要开关次如果把期望的正弦波分段越多，则越大，脉冲波序列的脉宽6越小，上述分析结论的准确性越高，波的基波就更接近期望的正弦波但是，功率开关器件本身的开关能力是有限的，因此，在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约，这主要表现在以下两个方面3.3.功1率开关器件的开关频率各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开关时间和开关损耗的限制，全控型器件常用的开关频率如下：双极型电力晶体管开关频率可达，可关断晶闸管开关频率为，功率场效应管开关频率可达，而目前最常用的绝缘栅双极晶体管开关频率为〜，定义载波频率与参考调制波频率之比为载波比，即(3-11)相对于前述波形半个周期内的脉冲数来说，应有。

为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从功率开关器件本身的允许开关频率来看，载波比又不能太大为值应受到下列条件的制约：v功率开关器件的允许开关频率'最高的正弦调制信号频率中的分母实际上就是变频器的最高输出频率最小间歇时间与调制度为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间在脉宽调制时，若为偶数，调制信号的幅值与三角载波相交的两点恰好是一个脉冲的间歇为了保证最小间歇时间大于，必须使低于三角载波的峰值为此，定义与之比为调制度，即在理想情况下，值可在之间变化，以调节逆变器输出电压的大小实际上，总是小于的，在较大时，一般取最高的同步调制与异步调制在实行时，视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分同步调制在同步调制方式中，=常数,变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变,因而输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的如果取，等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差中的°0的对称关系但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制方式的主要缺点。

异的步调制为了消除同步调制的缺点，可以采用异步调制方式顾名思义，异步调制时，在变压变频器的整个变频范围内，载波比不等于常数一般在改变调制波频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比这样输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，从而减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能有一利必有一弊，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点当载波比随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，可能引起电动机工作的不平稳3.4.分3段同步调制为了扬长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式，实用的变压变频器多采用这种方式在一定频率范围内采用同步调制，可保持输出波形对称的优点，但频率降低较多时，如果仍保持载波比不变，输出电压谐波将会增大为了避免这个缺点，可以采纳异步调制的长处，使载波比分段有级地加大，这就是分段同步调制方式具体地说，把整个变频范围划分成若干频段，在每个频段内都维持载波比恒定，而对不同的频段取不同的值，频率低时，值取大些，一般大致按等比级数安排表给出了一个系统的频段和载波比的分配，以资参考。

图所示是与表相应的与的关系曲线由图可见，在输出频率的不同频段内用不同的值进行同步调制，使各频段开关频率的变化范围基本一致，以适应功率开关器件对开关频率的限制图3-6分段同步调制时输出频率与开关频率的关系曲线上述图表的设计计算方法如下：已知变频器要求的输出频率范围为，用作开关器件，取最大开关频率为左右，最小开关频率在最大开关频率的之间，视分段数要求而定现取输出频率上限为，则第一段载波比为取为的整数倍数，则9修正后,九八仏=90-61Hz=5580Hz=^>5580Hz=3720Hz若取「「，计算后得取整数，则X6以下各段依此类推，可得表中各行的数据分段同步调制虽然比较麻烦，但在微电子技术迅速发展的今天，这种调制方式是很容易实现的控制方法采用高开关频率的全控型电力电子器件组成逆变电路时，先假定器件的开与关均无延时，于是可将要求变频器输出三相波的问题转化为如何获得与其形状相同的三相控制信号问题，用这些信号作为变频器中各电力电子器件的基极栅极驱动信号原始的是由模拟控制实现的图是变压变频器的模拟控制电路框图三相对称的参考正弦电压调制信号、、由参考信号发生器提供，其频率和幅值都可调三角载波信号由三角波发生器提供，各相共用。

它分别与每相调制信号进行比较，给出“正”的饱和输出或“零”输出，产生脉冲波序列、、，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号的模拟控制现在已很少应用,但它的原理仍是其它控制方法的基础图3-7spwm变压变频器的模拟控制电路目前常用的控制方法是数字控制可以采用微机存储预先计算好的波形数据表格，控制时根据指令调出；或者通过软件实时生成波形；也可以采用大规模集成电路专用芯片中产生的信号下面介绍几种常用的方法自然采样法完全按照模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇时刻，生成波形，称为自然采样法，如图所示。