正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)

1、一、正弦波脈寬調(diào)制1、正弦脈寬調(diào)制法（SPWM）：是將每一正弦周期內(nèi)的多個(gè)脈沖作自然或規(guī)則的寬度調(diào)制，使其依次調(diào)制出相當(dāng)于正弦函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖序列，形成等幅不等寬的正弦化電流輸出。其中每周基波（正弦調(diào)制波）與所含調(diào)制輸出的脈沖總數(shù)之比即為載波比。2、正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）：以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列

2、等幅不等寬的矩形波。矩形波的面積按正弦規(guī)率變化。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。圖1 SPWM調(diào)制原理等效原理：如圖1所示，把正弦分成 n 等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替，正弦的正負(fù)半周均如此處理。3、SPWM控制方式：SPWM控制技術(shù)有單極性控制和雙極性控制兩種方式。如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)

3、變化，則SPWM波也在正負(fù)之間變化，叫作雙極性控制方式。4、正弦脈寬調(diào)制的特點(diǎn)是脈寬調(diào)制是以逆變器的功率器件的快速而有規(guī)律的開關(guān)，形成一系列有規(guī)則的矩形方波，以和期望的控制電壓等效。其特點(diǎn)是基波分量大，2N-1次以下諧波得到有效的擬制，輸出電流接近正弦波。二、交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：1、交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)：(1)、多變量，強(qiáng)耦合(如圖2) 輸入變量：電壓（或電流），頻率 輸出變量: 轉(zhuǎn)速、磁通（2）、有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)。數(shù)學(xué)模型是非線性的。（3）三相異步電機(jī)定子有三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，再算上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，即使不

4、考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個(gè)八階系統(tǒng)。A1A2Usw1(Is)wF圖2 異步電機(jī)的多變量、強(qiáng)耦合模型結(jié)構(gòu) （2）、有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)。數(shù)學(xué)模型是非線性的。（3）三相異步電機(jī)定子有三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，再算上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個(gè)八階系統(tǒng)。2、三相異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：三相異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。電機(jī)方程 3、等效的兩相交流電機(jī)繞組：以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢為準(zhǔn)則，兩相繞組可以和三相繞組彼此等效。或者說，在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐

5、標(biāo)系下的 id、iq 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。aaaabaia1 圖3 兩相交流繞組 特別是：就 M、T 兩個(gè)繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果跳到旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們就的的確確是一個(gè)直流電機(jī)模型了。這樣，通過坐標(biāo)系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機(jī)模型。4、三相-兩相變換（3/2變換）：在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組a、b 之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡稱 3/2 變換。 下圖中繪出了 A、B、C 和 a、b 兩個(gè)坐標(biāo)系，為方便起見，取 A 軸和 a 軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為N3

6、，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動(dòng)勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。由于交流磁動(dòng)勢的大小隨時(shí)間在變化著，圖中磁動(dòng)勢矢量的長度是隨意的。（1）三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢的空間矢量 AN2iaN3iAabN3iCN3iBN2i60o60oCB 圖4 設(shè)磁動(dòng)勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢與二相總磁動(dòng)勢相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢在 a、b 軸上的投影都應(yīng)相等， 寫成矩陣形式，得（2）、三相兩相坐標(biāo)系的變換矩陣令 C3/2 表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)原理小談本文來自：我愛研發(fā)網(wǎng)(52RD.com) - R&D大本

7、營1、QPWM的概念 在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。 SPWM脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波(基準(zhǔn)波或調(diào)制波)和等腰三角波(載波)的交點(diǎn)來決定的。具體方法如后所述。 2、單極性SPWM法 (1)調(diào)制波和載波：曲線是正弦調(diào)制波，其周期決定于需要的調(diào)頻比kf，振幅值決定于ku,曲線是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時(shí)正弦調(diào)

8、制波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同(即單極性)。 調(diào)制波和載波的交點(diǎn)，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。 (2)單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載ZL的便是正、負(fù)交替的交變電流。 3、雙極性SPWM法 (1)調(diào)制波和載波： 調(diào)制波仍為正弦波，其周期決定于kf，振幅決定于ku,中曲線，載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與ku=1時(shí)正弦波的振幅值相等。 調(diào)制波與載波的交

9、點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，但是，由相電壓合成為線電壓(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)時(shí)，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。 (2)雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過負(fù)載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 4、實(shí)施SPWM的基本要求 (1)必須實(shí)時(shí)地計(jì)算調(diào)制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通”和“斷”的動(dòng)作指令。 (2)調(diào)節(jié)頻率時(shí)，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時(shí)改變(改變的規(guī)律本文不作介紹)；另一方面，調(diào)制波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所