SPWM使變壓變頻器輸出交流電壓的波形近似為正弦波

1、精心整理頁腳內(nèi)容了使變壓變頻器輸出交流電壓的波形近似為正弦波，使電動機的輸出轉矩平穩(wěn)，從而獲得優(yōu)秀的 工作性能，現(xiàn)代通用變壓變頻器中的逆變器都是由全控型電力電子開關器件構成，采用脈寬調(diào)制 （pulsewidthmodulation,簡稱 pwm 控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量時才采用晶閘管變頻器。應用最早而且作為pwm 控制基礎的是正弦脈寬調(diào)制 （si nusoidalpulsewidthmodulatio n,簡稱 spwm）o 圖 3-1 與正弦波等效的等寬不等幅矩形脈沖波序列3.1正弦脈寬調(diào)制原理一個連續(xù)函數(shù)是可以用無限多個離散函數(shù)逼近或替代的，因而可以設想用多個不同幅值的矩形

2、脈 沖波來替代正弦波，如圖 3-1 所示。圖中，在一個正弦半波上分割出多個等寬不等幅的波形（假設分出的波形數(shù)目 n=12），如果每一個矩形波的面積都與相應時間段內(nèi)正弦波的面積相等，則這一 系列矩形波的合成面積就等于正弦波的面積，也即有等效的作用。為了提高等效的精度，矩形波 的個數(shù)越多越好，顯然，矩形波的數(shù)目受到開關器件允許開關頻率的限制。在通用變頻器采用的交-直-交變頻裝置中，前級整流器是不可控的，給逆變器供電的是直流電源，其幅值恒定。從這點出發(fā)，設想把上述一系列等寬不等幅的矩形波用一系列等幅不等寬的矩形脈 沖波來替代（見圖 3-2），只要每個脈沖波的面積都相等，也應該能實現(xiàn)與正弦波等效的功能

3、，稱 作正弦脈寬調(diào)制（spwm）波形。例如，把正弦半波分作n 等分（在圖 3-2 中，n=9），把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各 脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合，這樣就形成 spwm 波形。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法與一系列負脈沖波等效。這種正弦波正、負半周分別用正、負脈沖等效的 spwm 波形稱作單極式 spwm圖 3-2 spwm 波形圖 3-3 是 spwm 變壓變頻器主電路的原理圖，圖中 vt1vt6是逆變器的六個全控型功率開關器件， 它們各有一個續(xù)流二極管（Vd1Vd6）和它反并聯(lián)接。整個逆變器由三相

4、不可控整流器供電，所提供 的直流恒值電壓為 udo圖 3-3 spwm 變壓變頻器主電路原理圖某一相的單極式 spwm 波形是由逆變器該相上（或下）橋臂中一個功率開關器件反復導通和關斷形 成的。在正弦脈寬調(diào)制方法中，利用正弦波作調(diào)制波（modulatio nwave），受它調(diào)制的信號稱為載波（carrierwave），常用等腰三角波作載波。當調(diào)制波與載波相交時（見圖 3-4a），其交點決定了逆變器開關器件的通斷時刻。例如：當a 相的調(diào)制波電壓 ura高于載波電壓 ut時，使開關器件 vt1導通，輸出正的脈沖電壓（見圖 3-4b）；當 ura低于 ut時，使 vt1關斷，輸出電壓下降為零。在ur

5、a的負半周中，可用類似的方法控制下橋臂的vt4,輸出負的脈沖電壓序列。若改變調(diào)制波的頻率，輸出電壓基波的頻率也隨之改變；降低調(diào)制波的幅值時，如圖中的，各段脈沖寬度變窄，輸出電 壓的基波幅值也相應減小。a） 正弦調(diào)制波與三角載波b）輸出的 spwm 波圖 3-4 單極式脈寬調(diào)制波的形成上述單極式 spwm 波形在半周內(nèi)的脈沖電壓只在“正”（或“負”）和“零”之間變化，主電路每相只有一個開關器件反復通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個開關器件互補地導通與關斷，則輸出脈 沖在“正”和“負”之間變化，就得到雙極式的spwm 波形。圖 3-5 繪出了三相雙極式正弦脈寬調(diào)制波形，其調(diào)制方法和單極式相似，只是輸出

6、脈沖電壓的極性不同。當a 相調(diào)制波 uraut時，vt1精心整理頁腳內(nèi)容導通，vt4關斷，節(jié)點 a 與直流電源中點 0、間的相電壓為 Uao二+ Ud/2(圖 3-5b)；當 UraUt時，vt1關斷而 vt4導通，則 Uao二Ud/2。所以 a 相電壓 Uao =f(t)是以+Ud/2 和Ud/2 為幅值作正、負跳 變的脈沖波形。同理，圖 3-5c 的 Ubo =f(t)是由 vt3和 vt6交替導通得到的，圖 3-5d 的 Uco =f(t) 是由 vt5 和 vt2 交替導通得到的。由 Uao和 ubo相減，可得逆變器輸出的線電壓Uab=f(t)(圖 3-5e)，也就是負載上的線電壓，其

7、脈沖幅值為 +ud 和一 ud?？梢姡€電壓的 spwm 波是由土 w 和 0 三種電 平構成的。圖 3-5 三相橋式 pwm 逆變器的雙極性 spwm 波形圖 5-2O 中的 uao、Ubo與 uco是逆變器輸出端 a、b、c 分別與直流電源中點 o之間的電壓，o點 與負載的零點 o 并不一定是等電位的，uao等并不代表負載上的相電壓。 令負載零點 o 與直流電源 中點 o之間的電壓為 u。，則負載各相的相電壓分別為UAQ= lfAOUOQ11CO二ffC0UOO1(3_1)將式(3-1)中各式相加并整理后得 一般負載三相對稱，則 uao+ubo+uco=O，故有oo =匚(AO 十C3(3

8、-2)由此可求得 a 相負載電壓為ffAO =ftAO_了(蟲 O+“(70 )吉(3-3)在圖 3-5f 中繪出了相應的負載 a 相電壓波形，比。和 uco波形與此相似。3.2spwm 波的基波電壓對電動機來說，有用的是電壓的基波，希望 spwm 波形中基波的成分越大越好。為了找出基波電壓,須將 spwm 脈沖序列波 u(t)展開成傅氏級數(shù)，由于各相電壓正、負半波及其左、右均對稱，它是 一個奇次正弦周期函數(shù)，其一般表達式為I I ;j式中U 三二u(t)sinkcOit philips 公司的 mkii、siemens 公司的 sle4520、sanken 公司的 mb63h11Q 以及我國

9、研制的 zps-110 等，應用這類專用芯片當然比用單片微機生成spwm 信號要方便得多。近來更出現(xiàn)了多種用于電動機調(diào)速控制的專用單片微處理器，如intel 公司的 8xc196mc 系列、tl公司的 tms320 系列、日立公司的 sh7000 系列等。這些微處理器一般都具有以下功能：有 pwm波形生成硬件及較寬的調(diào)頻調(diào)制范圍；（2）為了對變頻器及所組成調(diào)速系統(tǒng)的運行參數(shù)（如電壓、電流、轉速等）進行實時檢測與故障保護，微處理器具有很強的中斷功能與較多的中斷通道；（3）具有將外部的模擬量控制信號及通過各種傳感器送來的模擬反饋、檢測信號進行 a/d 轉換的接口，且一般為 8 位轉換器；（4）具有較高的運算速度、能完成復雜運算的指令、內(nèi)存容量較大；（5）有用于外圍