三相SPWM簡介及其在變頻器中的實現方法

我們先說說什么叫PWM

　　PWM的全稱是Pulse Width Modulation(脈沖寬度調制)，它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛地用于電動機調速和閥門控制，比如我們現在的電動車電機調速就是使用這種方式。

　　所謂SPWM，就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級一些的UPS就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領域被廣泛的采用。

　　該方法的實現有以下幾種方案.

　　1.3.1 等面積法

　　該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋,用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數據存于微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷,以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點,可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計算繁瑣,數據占用內存大,不能實時控制的缺點.

　　1.3.2 硬件調制法

　　硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調制信號,把接受調制的信號作為載波,通過對載波的調制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當調制信號波為正弦波時,所得到的就是SPWM波形.其實現方法簡單,可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發(fā)生電路,用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結構復雜,難以實現精確的控制.

　　1.3.3 軟件生成法

　　由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現調制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法.

　　1.3.3.1 自然采樣法[2]

　　以正弦波為調制波,等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性,脈沖中心在一個周期內不等距,從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制.

　　1.3.3.2 規(guī)則采樣法[3]

　　規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷,從而實現SPWM法.當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(即采樣周期)內的位置是對稱的,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣.當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內的位置一般并不對稱,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣.

　　規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單,便于在線實時運算,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小.

　　以上兩種方法均只適用于同步調制方式中.

　　1.3.4 低次諧波消去法[2]

　　低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法.其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數展開,表示為u(ωt)=ansinnωt,首先確定基波分量a1的值,再令兩個不同的an=0,就可以建立三個方程,聯立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波.

　　該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大,而且同樣存在計算復雜的缺點.該方法同樣只適用于同步調制方式中.

　　1.4 梯形波與三角波比較法[2]

　　前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的,從而忽視了直流電壓的利用率,如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86.6%.因此,為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法--梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調制信號,三角波為載波,且使兩波幅值相等,以兩波的交點時刻控制開關器件的通斷實現PWM控制.

　　由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時,其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值,從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波.