正弦脈寬調(diào)制

自然采樣法的主要問(wèn)題是SPWM波形每個(gè)脈沖的起始和終了時(shí)刻tA和tB對(duì)三角波的中心線不對(duì)稱(chēng)，使求解困難。如果設(shè)法使SPWM波形的每一個(gè)脈沖都與三角載波的中心線對(duì)稱(chēng)，于是式(6.1)就可以簡(jiǎn)化，而且兩側(cè)的間隙時(shí)間相等，即t1=t3，從而使計(jì)算工作量大為減輕。

規(guī)則采樣法有兩種，上圖為規(guī)則采樣I法。其特點(diǎn)是:它固定在三角載波每一周期的正峰值時(shí)找到正弦調(diào)制波上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即圖中D點(diǎn)，求得電壓值Urd。用此電壓值對(duì)三角波進(jìn)行采樣，得A、B兩點(diǎn)，就認(rèn)為它們是SPWM波形中脈沖的生成時(shí)刻，A、B之間就是脈寬時(shí)間t2。規(guī)則采樣I法的計(jì)算顯然比自然采樣法簡(jiǎn)單，但從圖中可以看出，所得的脈沖寬度將明顯地偏小，從而造成不小的控制誤差。這是由于采樣電壓水平線與三角載波的交點(diǎn)都處于正弦調(diào)制波的同一側(cè)造成的。

右圖為規(guī)則采樣Ⅱ法。圖中仍在三角載波的固定時(shí)刻找到正弦調(diào)制波上的采樣電壓值，但所取的不是三角載波的正峰值，而是其負(fù)峰值，得圖中E點(diǎn)，采樣電壓為Ure。在三角載波上由Urt水平線截得A、B兩點(diǎn)，從而確定了脈寬時(shí)間t2。這時(shí)，由于A、B兩點(diǎn)坐落在正弦調(diào)制波的兩側(cè)，因此減少了脈寬生成誤差，所得的SPWM波形也就更準(zhǔn)確了。

規(guī)則采樣法的實(shí)質(zhì)是用階梯波來(lái)代替正弦波，使算法簡(jiǎn)化。在規(guī)則法中，三角波每個(gè)周期的采樣時(shí)刻都是確定的，不作圖就可算出相應(yīng)時(shí)刻的正弦波值。以規(guī)則采樣Ⅱ法為例，采樣時(shí)刻的正弦波值依次為Msinω1te、Msin (ω1te+Tc)、Msin (ω1te+2Tc)…，由幾何相似三角形關(guān)系可得脈寬計(jì)算公式t2=Tc/2(1+Msinω1te)

間歇時(shí)間t1=t3=1/2(Tc-t2)

實(shí)用的逆變器多是三相的，因此還應(yīng)形成三相的SPWM波形。

三相的SPWM波形。三相正弦調(diào)制波互差120°，三角波是公用的。這時(shí)A相和B相脈沖波形相同，每相的脈寬時(shí)間ta2、tb2、tc2均可用式(6.2)計(jì)算。三相脈寬時(shí)間總和為ta2 +tb2+tc2一(3/2)Tc三相間隙時(shí)間總和為3Tc-(3/2)Tc一(3/2)Tc脈沖兩側(cè)間隙時(shí)間相等，ta1+tb1+tc1=ta3+tb3+tc3一(3/4)Tc。

一、PWM技術(shù)原理

由于全控型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，不僅使得逆變電路的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，而且在控制策略上與晶閘管類(lèi)的半控型器件相比，也有著根本的不同，由原來(lái)的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM技術(shù)。 PWM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PWM方式構(gòu)成的逆變器，其輸入為固定不變的直流電壓，可以通過(guò)PWM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器只有一個(gè)可控的功率級(jí)，簡(jiǎn)化了主回路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。又因?yàn)榧{(diào)壓、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。此外，采用PWM技術(shù)不僅能提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形，而且提高了逆變器對(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。 把每半個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的寬度為每?jī)蓚€(gè)脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比為Y

此時(shí)，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實(shí)現(xiàn)變頻也變壓的效果。

二、正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)

1.SPWM的概念

工程實(shí)際中應(yīng)用最多的是正弦PWM法(簡(jiǎn)稱(chēng)SPWM)，它是在每半個(gè)周期內(nèi)輸出若干個(gè)寬窄不同的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對(duì)應(yīng)正弦波各相應(yīng)每一等份的正弦波形下的面積可用一個(gè)與該面積相等的矩形來(lái)代替，于是正弦波形所包圍的面積可用這N個(gè)等幅(Vd)不等寬的矩形脈沖面積之和來(lái)等效。各矩形脈沖的寬度自可由理論計(jì)算得出，但在實(shí)際應(yīng)用中常由正弦調(diào)制波和三角形載波相比較的方式來(lái)確定脈寬:因?yàn)榈妊切尾ǖ膶挾茸陨舷蛳率蔷€性變化的，所以當(dāng)它與某一光滑曲線相交時(shí)，可得到一組幅值不變而寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，則也可生成SPWM波形。在工程應(yīng)用中感興趣的是基波，假定矩形脈沖的幅值Vd恒定，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N也不變，通過(guò)理論分析可知，其基波的幅值V1m脈寬δi有線性關(guān)系

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(lái)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，如圖5 3所示;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(chēng)為正弦波脈寬調(diào)制。 SPWM方式的控制方法可分為多種。從實(shí)現(xiàn)的途徑可分為硬件電路與軟件編程兩種類(lèi)型;而從工作原理上則可按調(diào)制脈沖的極性關(guān)系和控制波與載波間的頻率關(guān)系來(lái)分類(lèi)。按調(diào)制脈沖極性關(guān)系可分為單極性SPWM和雙極性SPWM兩種。

3.雙極性SPWM法

雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩只元件均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)的，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，故稱(chēng)之為雙極性控制。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情況

4.SPWM生成方法

正弦脈寬調(diào)制波(SPWM)的生成方法可分為硬件電路與軟件編程兩種方式。

按照前面講述的PWM逆變電路的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成的SPWM波形變得比較容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本節(jié)主要介紹用軟件生成SPWM波形的幾種基本算法。