低成本逆变器正弦脉宽调制方法研究

1、低成本逆变器正弦脉宽调制方法研究Research of Sinusoidal Pulse Width Modulation on Low Cost Inverter摘要：本文采用一种低成本逆变器实现三相交流异步电机正弦脉宽调制，通过简化传统逆变电路结构，控制产品的生产成本，并在分析三相交流电机和两相电机结构和工作原理的基础上，阐述采用此逆变器实现正弦脉宽调制的原理。实验结果表明该方法是可行的。关键词：变频；正弦脉宽调制；逆变器Abstract：In this paper a kind of low cost inverter is adopted to realize three-phase

2、asynchronous motor's SPWM. By simplifying the circuit structure of traditional frequency inverter, the cost of product is controlled. And with analyzing three-phase motor and two-phase motor's working principle, explain the method of adopting this inverter circuit realizing SPWM. Results of

3、experiments show that this method is reliable.Keywords：frequency-conversion,SPWM,inverter1 前言现代市场竞争日益激烈，成本逐渐成为人们关注的焦点。特别是在家电行业，较低的成本意味着拥有更多的生存空间。三相交流异步电机具有低廉的价格和可靠的性能，广泛应用于各种变频产品中，因此研究三相交流异步电机的变频调速技术更具有实际意义。本文在分析传统三相交流异步电机的正弦脉宽调制原理的基础上，介绍了一种低成本逆变器，其结构较传统逆变器更为简单，能够有效的降低变频产品的生产成本，实验结果表明该方法是可行的。2 系统构成及

4、原理根据冲量相等形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果相同的结论，控制逆变电路中功率开关器件的通断状态，在输出端可以得到一组幅值相等宽度不等的脉冲，代替期望输出的正弦波。传统SPWM逆变电路原理图如图1所示，VT1-VT6为逆变器的六个功率开关器件。由SPWM调制原理可知，脉冲宽度和间隔时间等参数可以根据正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数计算得出，根据计算结果控制VT1-VT6的通断状态，便可在输出端得到与正弦波等效的脉冲序列。本文采用的逆变电路如图2所示，将三相交流电机的其中一相连接到滤波电容的中点，这种电路结构与传统三相交流电机SPWM逆变电路相比，控制逆变电路的元器件减少了约1

5、/3，能够有效的控制逆变器的成本。本文开关器件选用IGBT，主要考虑到它的工作频率高、开关损耗小、输入阻抗高等特点。图1 三相逆变器主电路结构图2 四开关三相逆变器主电路结构逆变电路在结构上减少为四开关，SPWM实现方法相对于传统逆变电路也有所不同。对于芯片控制的逆变电路，由于减少了对两个开关的控制，将会相应的减少对程序内存的容量和计算工作量要求，减少软件的运算时间，提高控制芯片的工作效率。由三相交流异步电动机的工作原理可知，空间结构上相差120度的对称三相定子绕组输入对称的三相正弦交流电，产生旋转磁场。通过改变三相交流异步电机的输入电压频率控制交流电动机的转速4。本文采用的逆变电路与控制两相

6、交流电机的逆变电路结构有些类似。两相交流电机是继单相、三相电机后出现的一种电机，由于成本和技术等原因，目前在国内尚未得到广泛应用。两相电机与三相电机在结构上有一定的区别，但它们的驱动控制原理是相同的，即在任意时刻逆变器三相输出电压矢量和等于0，感应电机定子绕组中的磁势便可形成一个圆形旋转磁场，电机在该磁势的牵引下旋转。传统的逆变器控制三相交流异步电机实现SPWM，在任意时刻三相定子绕组中的输入电流相位差为1200电角度，电压矢量和等于0，从而形成圆形的旋转磁场，驱动三相交流电机。本文所采用逆变器控制输出的两相电压幅值和频率相同，相位差始终为600电角度，通过两相/三相变换可以得到三相相位差12

7、00为电角度的等效相电压，如图3所示，即控制逆变电路中的两相电压，第三相也可控。图3 电机相电压与线电压关系示意图逆变器两相输出OA、OB电压频率和幅值相等，相位差始终为600电角度，线电压CA、CB相位差也为600电角度，可表示为：为三相对称电压，其矢量和等于0，可形成一个旋转的圆形磁场驱动转子转动实现SPWM变频控制。3 实验分析采用低成本逆变器实现三相电机的正弦脉宽调制实验结果如下。电机采用星型接法，额定电压120伏，额定电流3.5安。图4所示为带载情况下，直流母线电压存在波动，波动值约7伏左右。图5所示为线电压滤波输出波形，图6所示为受控相电流波形、图7所示为合成相电流波形。实验结果中

8、合成相的相电流波形比较理想。并对三相电动机产生的三次谐波有一定的抑制作用。从波形上看，其效果满足实际要求，但是在实际电机运行过程中发现电机输出转矩不够。后经过实际测量发现市电在白天谐波含量过高，用万用表测量虽然显示220伏，但是实际的整流、滤波后直流母线电压并不是理论中的311伏，而是远远低于该值，测量的结果是281伏。逆变出来的基波有效值不到100伏。在波形较好的UPS上运行，该逆变器效果良好，输出转矩达到预定要求。因此，当交流输入电压变化引起直流母线电压变化时需要采用电压补偿。否则输出电压将随着直流母线电压的升高或降低成比例变化导致电机输出转矩变化，影响实际的控制效果。 图4 直流母线上电

9、压波形图5 线电压滤波输出波形图6 相电流波形(a)4 结论本文所采用的逆变器能够有效地简化系统电路结构，降低产品的生产成本，并且由于减少了一个控制量，提高系统的工作效率，能够降低对控制芯片的要求。实验结果表明，控制三相交流电机的效果良好，并能够有效地抑制电动机产生的三次谐波。该逆变器性价比高，具有很高的实用价值。图7 相电流波形(b)参考文献：1吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术M.第二版.北京:机械工业出版社,20022 J.Klima. Analytical investigation of an induction motor fed from B4 inverter with a new space-vector modulation strategyC.Dep. of Electrical Engineering and Automation Technical Faculty of CZU.2003:1916-19233张贻锋,袁艳,张泰山.一种新型全数字SPWM变频器的设计J微计算机信息,2004,3:70-724Do-Hyun Jang, Duck-Yong