论文部分内容阅读
1 SPWM 逆變器的工作原理
SPWM变频系统的主电路如图1-1，它
工作原理是：由单片机产生的三相SPWM控制脉冲，经驱动放大电路放大后，控制主开关 VT1～VT6的通断，将整流滤波后的单相直流电压逆变为三相交流电压拖动异步电动机，改变调制信号的周期与幅值，也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比，从而实现电机的 VVVF 控制。
1）SPWM 的控制方式
SPWM有两种控制方式，可以是单极式，也可以双极式。两种控制方式调制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。采用单极式控制时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。
2）逆变器输出电压与脉宽的关系
在变频调速系统中，负载电机接受逆变器的输出电压而运转。对电机来说有用的只有基波电压，通过对 SPWM 输出波形的傅立叶分析可知，输出基波电压的幅值与各项脉宽有正比的关系，说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度时，就实现了对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节。
3） 脉宽调制的制约条件
将脉宽调制技术应用于交流调速系统要受到逆变器功率器件开关频率和调制度的制约。逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关器件的每秒动作次数）。同时，为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。
2 SPWM 逆变器的调制
定义载波的频率fc与调制波频率fr之比为载波比 N，即 N= fc / fr 。视载波比的变化与否有同步调制与异步调制之分。
三角调制波与正弦控制波的交点所确定的一组开关角决定了逆变器输出波形的频谱分布。载波比N对逆变器输出波形的频谱分布有很大的影响。逆变器输出的谐波分量主要集中在频率调制比N及其倍频2N、3N...的周围，在中心频率附近的谐波振幅极大值随其中心频率增大而减小，其中以N处的谐波振幅为最大，根据分析，谐波的频率可以表示为
在此，基频对应于h=1。当k取偶数时，j取奇数；当k取奇数时，j取偶数，这样当N为偶数时，在输出频谱中奇、偶次谐波同时存在；当N为奇数时，在
输出频谱中仅存在奇次谐波。对于三相感应电机来说，为了消除基波的3整数倍谐波，N应为3的倍数。同时通过对输出电压的傅氏系数的仿真分析可知，当载波比大于10时，谐波的振幅几乎与N无关。
3 SPWM 的控制模式及其实现
SPWM 的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关时刻，可以用模拟、数字电子电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成 SPWM 波形。后者由于所用元件少，控制线路简单，控制精度高而日益被人们采纳。
根据 SPWM 逆变器的工作原理，三角载波变化一个周期之间，它与正弦波相交两次，相应的逆变器功率器件导通与关断一次。要准确地生成 SPWM 波形，就得尽量精确地计算功率器件的导通时刻和关断时刻。
为简化计算量，将脉冲中点与三角波中点重合，即使每个脉冲关于三角波峰点左右对称，这样会使计算量大为减少。规则采样可以对三角波正峰值和负峰值时刻采样，对正峰值采样，脉冲宽度明显偏小控制误差大，因而人们普遍采用负峰值采样。如图 3-1，在三角波负峰值时刻tD对正弦波采样，以该时刻的采样值过 D 点做一水平线，水平线与三角波的交点分别为 A 和 B，对应的时刻分别为tA和tB，在tA、tB时刻控制功率开关器件的通断，可以得到这种规则调制下的脉冲。这种调制得到的脉冲同自然采样法得到的脉冲宽度非常接近，时间上略有差异。根据三角形相似关系，由图 3-1可得到下列关系式。
在（3-1）式中Tc为三角载波的周期，h为三角载波的幅值。由此可以求出脉冲宽度。如式3-2 。
在一定的N值下，调幅比M与频率f也有确定的关系，而它们的关系又与U-F曲线有关。根据这个函数关系，就可以建立调幅比M与频率f的函数关系，并可预先制成表格存入EPROM中，以备查用。
SPWM变频系统的主电路如图1-1，它
工作原理是：由单片机产生的三相SPWM控制脉冲，经驱动放大电路放大后，控制主开关 VT1～VT6的通断，将整流滤波后的单相直流电压逆变为三相交流电压拖动异步电动机，改变调制信号的周期与幅值，也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比，从而实现电机的 VVVF 控制。
1）SPWM 的控制方式
SPWM有两种控制方式，可以是单极式，也可以双极式。两种控制方式调制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。采用单极式控制时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。
2）逆变器输出电压与脉宽的关系
在变频调速系统中，负载电机接受逆变器的输出电压而运转。对电机来说有用的只有基波电压，通过对 SPWM 输出波形的傅立叶分析可知，输出基波电压的幅值与各项脉宽有正比的关系，说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度时，就实现了对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节。
3） 脉宽调制的制约条件
将脉宽调制技术应用于交流调速系统要受到逆变器功率器件开关频率和调制度的制约。逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关器件的每秒动作次数）。同时，为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。
2 SPWM 逆变器的调制
定义载波的频率fc与调制波频率fr之比为载波比 N，即 N= fc / fr 。视载波比的变化与否有同步调制与异步调制之分。
三角调制波与正弦控制波的交点所确定的一组开关角决定了逆变器输出波形的频谱分布。载波比N对逆变器输出波形的频谱分布有很大的影响。逆变器输出的谐波分量主要集中在频率调制比N及其倍频2N、3N...的周围，在中心频率附近的谐波振幅极大值随其中心频率增大而减小，其中以N处的谐波振幅为最大，根据分析，谐波的频率可以表示为
在此，基频对应于h=1。当k取偶数时，j取奇数；当k取奇数时，j取偶数，这样当N为偶数时，在输出频谱中奇、偶次谐波同时存在；当N为奇数时，在
输出频谱中仅存在奇次谐波。对于三相感应电机来说，为了消除基波的3整数倍谐波，N应为3的倍数。同时通过对输出电压的傅氏系数的仿真分析可知，当载波比大于10时，谐波的振幅几乎与N无关。
3 SPWM 的控制模式及其实现
SPWM 的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关时刻，可以用模拟、数字电子电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成 SPWM 波形。后者由于所用元件少，控制线路简单，控制精度高而日益被人们采纳。
根据 SPWM 逆变器的工作原理，三角载波变化一个周期之间，它与正弦波相交两次，相应的逆变器功率器件导通与关断一次。要准确地生成 SPWM 波形，就得尽量精确地计算功率器件的导通时刻和关断时刻。
为简化计算量，将脉冲中点与三角波中点重合，即使每个脉冲关于三角波峰点左右对称，这样会使计算量大为减少。规则采样可以对三角波正峰值和负峰值时刻采样，对正峰值采样，脉冲宽度明显偏小控制误差大，因而人们普遍采用负峰值采样。如图 3-1，在三角波负峰值时刻tD对正弦波采样，以该时刻的采样值过 D 点做一水平线，水平线与三角波的交点分别为 A 和 B，对应的时刻分别为tA和tB，在tA、tB时刻控制功率开关器件的通断，可以得到这种规则调制下的脉冲。这种调制得到的脉冲同自然采样法得到的脉冲宽度非常接近，时间上略有差异。根据三角形相似关系，由图 3-1可得到下列关系式。
在（3-1）式中Tc为三角载波的周期，h为三角载波的幅值。由此可以求出脉冲宽度。如式3-2 。
在一定的N值下，调幅比M与频率f也有确定的关系，而它们的关系又与U-F曲线有关。根据这个函数关系，就可以建立调幅比M与频率f的函数关系，并可预先制成表格存入EPROM中，以备查用。