SPWM使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波

1、精心整理页脚内容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 （pulsewidthmodulation,简称 pwm 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pwm 控制基础的是正弦脉宽调制 （si nusoidalpulsewidthmodulatio n,简称 spwm）o 图 3-1 与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列3.1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

2、脉 冲波来替代正弦波，如图 3-1 所示。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 n=12），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

3、，称 作正弦脉宽调制（spwm）波形。例如，把正弦半波分作n 等分（在图 3-2 中，n=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 spwm 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 spwm 波形称作单极式 spwm图 3-2 spwm 波形图 3-3 是 spwm 变压变频器主电路的原理图，图中 vt1vt6是逆变器的六个全控型功率开关器件， 它们各有一个续流二极管（Vd1Vd6）和它反并联接。整个逆变器由三相

4、不可控整流器供电，所提供 的直流恒值电压为 udo图 3-3 spwm 变压变频器主电路原理图某一相的单极式 spwm 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（modulatio nwave），受它调制的信号称为载波（carrierwave），常用等腰三角波作载波。当调制波与载波相交时（见图 3-4a），其交点决定了逆变器开关器件的通断时刻。例如：当a 相的调制波电压 ura高于载波电压 ut时，使开关器件 vt1导通，输出正的脉冲电压（见图 3-4b）；当 ura低于 ut时，使 vt1关断，输出电压下降为零。在ur

5、a的负半周中，可用类似的方法控制下桥臂的vt4,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。a） 正弦调制波与三角载波b）输出的 spwm 波图 3-4 单极式脉宽调制波的形成上述单极式 spwm 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spwm 波形。图 3-5 绘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

6、脉冲电压的极性不同。当a 相调制波 uraut时，vt1精心整理页脚内容导通，vt4关断，节点 a 与直流电源中点 0、间的相电压为 Uao二+ Ud/2(图 3-5b)；当 UraUt时，vt1关断而 vt4导通，则 Uao二Ud/2。所以 a 相电压 Uao =f(t)是以+Ud/2 和Ud/2 为幅值作正、负跳 变的脉冲波形。同理，图 3-5c 的 Ubo =f(t)是由 vt3和 vt6交替导通得到的，图 3-5d 的 Uco =f(t) 是由 vt5 和 vt2 交替导通得到的。由 Uao和 ubo相减，可得逆变器输出的线电压Uab=f(t)(图 3-5e)，也就是负载上的线电压，其

7、脉冲幅值为 +ud 和一 ud。可见，线电压的 spwm 波是由土 w 和 0 三种电 平构成的。图 3-5 三相桥式 pwm 逆变器的双极性 spwm 波形图 5-2O 中的 uao、Ubo与 uco是逆变器输出端 a、b、c 分别与直流电源中点 o之间的电压，o点 与负载的零点 o 并不一定是等电位的，uao等并不代表负载上的相电压。 令负载零点 o 与直流电源 中点 o之间的电压为 u。，则负载各相的相电压分别为UAQ= lfAOUOQ11CO二ffC0UOO1(3_1)将式(3-1)中各式相加并整理后得 一般负载三相对称，则 uao+ubo+uco=O，故有oo =匚(AO 十C3(3

8、-2)由此可求得 a 相负载电压为ffAO =ftAO_了(虫 O+“(70 )吉(3-3)在图 3-5f 中绘出了相应的负载 a 相电压波形，比。和 uco波形与此相似。3.2spwm 波的基波电压对电动机来说，有用的是电压的基波，希望 spwm 波形中基波的成分越大越好。为了找出基波电压,须将 spwm 脉冲序列波 u(t)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 以及我国

9、研制的 zps-110 等，应用这类专用芯片当然比用单片微机生成spwm 信号要方便得多。近来更出现了多种用于电动机调速控制的专用单片微处理器，如intel 公司的 8xc196mc 系列、tl公司的 tms320 系列、日立公司的 sh7000 系列等。这些微处理器一般都具有以下功能：有 pwm波形生成硬件及较宽的调频调制范围；（2）为了对变频器及所组成调速系统的运行参数（如电压、电流、转速等）进行实时检测与故障保护，微处理器具有很强的中断功能与较多的中断通道；（3）具有将外部的模拟量控制信号及通过各种传感器送来的模拟反馈、检测信号进行 a/d 转换的接口，且一般为 8 位转换器；（4）具有较高的运算速度、能完成复杂运算的指令、内存容量较大；（5）有用于外围