SPWM概念实现变频器的变频和变压

2.变频变压的实现方法

1)SPWM的概念

    要使变频器在频率变化的同时，电压也同步变化，并且维持 ，技术上有两种实现方法即：脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）。

    脉幅调制PAM：其指导思想就是在调节频率的同时也调节整流后直流电压的幅值U。，以此来调节变频器输出交流电压的幅值。由于PAM既要控制逆变回路，又要控制整流回路，且要维持 ，所以这种方法控制电路很复杂，现在已很少使用。

    脉宽调制PWM：它的指导思想是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值，如图所示。

从图中可以看到，脉冲的宽度 越大，脉冲的间隔 越小，输出电压的平均值就越大。为了说明 、 和电压平均值之间的关系，我们引入了占空比的概念。

占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期的比值，用γ表示，即

因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化为调节脉冲的宽度，所以叫脉宽调制。

由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此在一个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值部分，γ取大一些，在正弦波到达零处γ取小一些，如图所示。

可以看到这种脉宽调制，其占空比是按正弦规律变化的，因此这种调制方法被称作正弦波脉宽凋制，即 SPWM。SPWM的脉冲系列中，各脉冲的宽度t₁和脉冲间隔t₂都是变化的。为了说明它们的调制原理，先来看看图。

它是PWM逆变的简单原理图，图中逆变器输出的交流信号是由V₁～V₆的交替切换产生的。其中V₁导通时，在A相负载上得到的电压与V₂导通时在A相负载上得到的电压方向相反，因此，V₁、V₂的轮流导通就可得到A相交流电压的正、负半周。同样，其他管子的导通亦可得到三相交流电的B相和C相。在变频器中，V_l、V₂的导通、截止是由调制波和载波的交点来决定的。

2)单极性 SPWM

在单极性的调制方式中，调制波为正弦波 ，载波为单极性的等腰三角波 ，如图所示。V₁、V₂的导通、关断条件可用表中表示（以 A相为例）。

(1) ＞ 时，逆变管V₁、V₂导通，决定了SPWM系列脉冲的宽度 。

＜ 时，逆变管V₁、V₂截止，决定了SPWM系列脉冲的间隔宽度 。

    如图所示，若降低调制波的幅值为 ，各段脉冲的宽度将变窄，从而使输出电压的幅值也相应减少。

    (2)每半个周期内逆变桥同一桥臂的两个逆变管，只有一个按规律时通时断地工作，另一个则完全截止。而在另半个周期内，两个管子的工作情况正好相反，流经负载的便是正负交替的交变电流，如图所示。

    可以看到：单极性SPWM逆变器输出的交流电压和频率均可由调制波电压 来控制。只要改变 的幅值，就改变了输出电压的大小，而只要改变 的频率，输出交流电压的频率也随之改变，可见只要控制调制波 的频率和幅值，就可以既调频又调幅。由于控制对象只有一个 ，所以控制电路相对要简单一些。

3)双极性脉宽调制

    双极性脉宽调制是目前使用最多的方法，其特征是调制波（基准波）信号 与载波信号 均为双极性信号，在双极性SPWM方法中，所使用的基准信号为可变频变幅的三相对称普通正弦波 、 、 其载波信号为双极性三角波 ，如图2－13a所示。现仍以A相为例子以说明。

    (1)其调制规律为：不分正、负半周，只要 ＞ ，V₁导通、V₂截止， 输出为正，即为 的正脉冲宽度； ＜ ，V₂导通、V₁截止， 输出为负，即为 的负脉冲宽度。

    (2)调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的如图2－13b所示，图中只画出了 为正时的脉冲系列。由于线电压 = － ，所以线电压的脉冲是单极性的，如图2－13C所示。

    (3)逆变桥在工作时，同一桥臂的两只管子不停地交替导通、关断。而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。

    通过以上分析可知：变频器输出的电压、电流是频率很高的高频输出量，由于输出的SPWM调制波的脉冲宽度基本上是正弦分布，因此其谐波成分大为减少。

4)SPWM的开关点

SPWM的脉冲序列的产生是由基准正弦波和三角载波信号的交点所决定的，且每一个交点都是逆变器同一桥臂上两只逆变管的开、关交替点，因此将这个交点称作SPWM的开关点，我们必须将所有的交点的时间坐标计算出来，才能有序地向逆变器发出通断的指令。

    调节频率时基准正弦波的频率和幅值都要改变，载波信号(三角波)与基准正弦波的交点也将发生变化。所以每次调节频率后，开关点的坐标都需要重新计算，计算量之大是人工难以完成的。只有通过计算机这个工具才能在最短的时间内将开关点的坐标计算出来，从而控制各逆变管实时通断来完成变频、变压的任务。