三相SPWM簡介及其在變頻器中的實(shí)現(xiàn)方法

我們先說說什么叫PWM

　　PWM的全稱是Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)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(jī)調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動車電機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。

　　所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V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(lǐng)域被廣泛的采用。

　　該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案.

　　1.3.1 等面積法

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

　　1.3.2 硬件調(diào)制法

　　硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信號作為載波,通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時(shí),所得到的就是SPWM波形.其實(shí)現(xiàn)方法簡單,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,用比較器來確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制.

　　1.3.3 軟件生成法

　　由于微機(jī)技術(shù)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(yīng)運(yùn)而生.軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)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(diào)制波,等腰三角波為載波進(jìn)行比較,在兩個波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達(dá)式是一個超越方程,計(jì)算繁瑣,難以實(shí)時(shí)控制.

　　1.3.3.2 規(guī)則采樣法[3]

　　規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)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(jìn)行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,從而實(shí)現(xiàn)SPWM法.當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣.當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)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(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點(diǎn)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(diào)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(shù)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(lián)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(dāng)大,而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn).該方法同樣只適用于同步調(diào)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(diào)制信號,三角波為載波,且使兩波幅值相等,以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制.

　　由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),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.