变频器SPWM控制的基本原理

    全控型电力电子器件的出现，使得性能优越的脉宽调制( PWM)逆变电路应用日益广泛。这种电路的特点主要是：可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流，所以也称为正弦波脉宽调制SPWM( Sinusoidal PWM)。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

    取样控制理论有这样一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。例如图4-16所示的3种窄脉冲形状不同，但面积相同（假如都等于1）。当它们分别加在同一个惯性环节上时，其输出响应基本相同，且脉冲越窄，其输出差异越小。

    图4-16    冲量相等形状不同的3种窄脉冲

    根据上述理论，分析一下正弦波如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替。图4-17所示是将一个正弦半波分成Ⅳ等份，每一份可看作是一个脉冲，很显然这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，脉冲顶部为曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。若把上述脉冲序列用同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，并使矩形脉冲的中点和相应正弦等分脉冲的中点重合，且使两者的面积（冲量）相等，就可以得到图4-17(b)所示的脉冲序列，即PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。用同样的方法，也可以得到正弦负半周的PWM波形。完整的正弦波形用等效的PWM波形表示称为SPWM波形。

    图4-17    PWM控制的基本原理示意图

    因此，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，就可以准确地计算出SPWM波形各脉冲宽度和间隔。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算非常繁琐，而且当正弦波的频率、幅值等变化时，结果还要变化。较为实用的方法是采用载波，即把希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系，且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

    图4-18所示为单相桥式PWM逆变电路，负载为电感性，功率晶体管作为开关器件。对功率晶体管的控制方法为：在正半周期，让晶体管VT2、VT3一直处于截止状态，而让VT1一直保持导通，晶体管VT4交替通断。当VT1和VT4都导通时，负载上所加的电压为直流电源电压Ud。当VT1导通而使VT4关断时，由于电感性负载中的电流不能突变，负载电流将通过二极管VD3续流，忽略晶体管和二极管的导通压降，负载上所加电压为零。如负载电流较大，那么直到使VT4再一次导通之前，VD3一直持续导通。如负载电流较快地衰减到零，在VT4再次导通之前，负载电压也一直为零。这样输出到负载上的电压uo就有零和Ud两种电平。同样在负半周期，让晶体管VT1、VT4一直处于截止，而让VT2保持导通，VT3交替通断。当VT2、VT3都导通时，负载上加有-Ud，当VT3关断时，VD4续流，负载电压为零。因此在负载上可得到-Ud和零两种电平。

    由以上分析可知，控制VT3或VT4的通断过程，就可使负载得到SPWM波形，控制方式通常有单极性方式和双极性方式。

    图4-18    单相桥式PWM逆变电路

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