2012交流电动机调速系统的研究

交流电动机调速系统的研究

第七章 PWM技术原理

由于全控型电力半导体器件的出现，不仅使得逆变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位

控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称PWM技术。

PWM技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。采用PWM方式构成的逆变器，其输人为固定不变的直流电压，可以通过PWM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、质量轻、可靠性高。又因为集凋压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。此外，采用PWM技术不仅能提供较好的逆变器

输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。 把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲，每个脉冲的宽度为每两

个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比γ为

此时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果，如图

5一l所示。

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其中，图5一la为调制前的波形，图5一lb为调制后的波形。与图5一la相比，图5一lb的电压周期增大(频率降低)，电压脉冲的幅值不变，而占空比则减小，故平均电压降低。

PWM的输出电压和电流的波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分。为了使输出电流的波形接近于正弦波，又提出了正弦波脉宽调制的方式。

7.1 正弦波脉宽调制(SPWM） 1．SPWM的概念

工程实际中应用最多的是正弦PWM法(简称SPWM)，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应局部波形

下的面积，如图5—2所示。

例如，将一个正弦波的正半周划分为N等份(图中N=12)，每一等份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩形来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这N个等幅(VD)不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。各矩形脉冲的宽度自可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定脉宽：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽。度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。若使脉冲宽度与正弦函数值成比例，则也可生成SPWM波形。在工程应用中感兴趣的是基波，假定矩形脉冲的幅值VD恒定，半

周期内的脉冲数N也不变，通过理论分析可知，其基波的幅值V1m脉宽δi有线性关系，如下式所示 -26

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该式说明，逆变器输出基波电压幅值随调制脉冲的宽度而变化，只要采取措施(利用控制信号去调节脉宽)，即可调节基波幅值。半周期内的脉冲数N越多，谐波抑制效果越显著，但Ⅳ值将受到换流电路中为减少额外损耗和保证安全换流所允许的最大换流速率以及最小脉宽、最小间隙的限制。

在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，如图5 3所示；这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。 SPWM方式的控制方法可分为多种。从实现的途径可分为硬件电路与软件编程两种类型；而从工作原理上则可按调制脉冲的极性关系和控制波与载波间的频率关系来分类。按调制脉冲极性关系可分为单极性SPWM和双极性SPWM两种。

7.2 单极性SPWM法

所谓单极性控制是指在输出波形 的半个周期内，逆变器同一桥臂中的两个开关元件只有一个处于不断切换 的开关状态，另一个则始终处于关断状态。因此，

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交流电动机调速系统的研究 输出波形在任何半周期 内始终为一个极性，单极性控制方式的SPWM波形如图5—4所示，载波信号UT采用单极性等腰三角形波，控制信号UC为正弦波形，利用倒相信号UX来处理两者间的配合关系。当UC＞UT时，元件开通；当UC、

3．双极性SPWM法

双极性控制则是指在输出波形的半周期内，逆变器同一桥臂中的两只元件均处于开关状态，但它们之间的关系是互补的，即通断状态彼此是相反交替的。这样输出波形在任何半周期内都会出现正、负极性电压交替的情况，故称之为双极性控制，其波形示意图如图5—5所示。与单极性控制方式相比，载波和控制波都

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