SPWM逆变器及其控制模式

    为了减小谐波影响，提高电动机的运行性能，要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电，因此，PWM逆变器采用正弦波作为参考信号。这种正弦波脉宽调制型逆变器称为SPWM逆变器。目前广泛应用的PWM型逆变器皆为SPWM逆变器。    实现SPWM的控制方式有三种，一是采用模拟电路，二是采用数字电路，三是采用模拟与数字电路相结合的控制方式。以下介绍前两种控制方式。    1．采用模拟电路    如图4-11所示为采用模拟电路元器件实现SPWM控制的原理示意图。首先由模拟元器件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角载波信号u△和参考正弦波信号uR，然后送入电压比较器，产生SPWM脉冲序列。这种采用模拟电路调制方式的优点是完成u△与uR信号的比较和确定脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的，不像数字电路采用软件计算，需要一定的时间。然而，这种方法的缺点是所用硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。
    图4-11    模拟电路调制方式原理图    2．采用数字电路    采用数字电路的SPWM逆变器，可使用以软件为基础的控制模式。它的优点是：所用硬件较少，灵活性好，智能性强；它的缺点是：需要通过计算来确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随着高速度、高精度、多功能的微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用计算机控制的数字化SPWM技术已占据了主导地位。    计算机控制的SPWM控制模式常用的有自然取样法和规则取样法两种方式。    (1)自然取样法    此方法与采用模拟电路由硬件自然确定SPWM脉冲宽度的方法很相似，故称为自然取样法。然而计算机是采用计算的办法，寻找三角载波u△与参考正弦波uR的交点，从而确定SPWM脉冲宽度的。    图4-12是自然取样法SPWM模式计算图，只要通过对u△和uR的数字表达式联立求解，找出其交点对应的时刻t0、t1、t2、t3、t4、t5…便可确定相应SPWM的脉冲宽度。虽然计算机具有极强的运算功能，但需要一定的时间，而SPWM逆变器的输出需要实时控制，因此没有充分的时间去联立求解方程，准确计算u△和uR的交点。一般实际采用的方法是，先将在参考正弦波的1/4周期内各时刻的u△和uR值算好，以表格形式存在计算机内，以后需要计算某时刻的u△和uR值时，不用临时计算而采用查表的方法很快得到。由于波形对称，仅需知道参考正弦波的1/4周期的u△和uR值就可以了，在一个周期内其他时刻的值可由对称关系求得。u△和uR波形的交点求法可采用逐次逼近的数值解法，即规定一个允许误差ε，通过修改ti值，当满足|u△(ti)-uR(ti)|≤ε时，则认为找到了u△和uR波形的一个交点。根据求得的t0、t1、t2…值便可确定SPWM的脉冲宽度。    采用上述方法，虽然可以较准确地确定u△和uR的交点，但计算工作量较大，特别是当变频范围较大时，需要事先对各种频率下的u△和uR值计算列表，将占用大量的内存空间。因而只有在某一变化不大的范围内变频调速时，采用此法才是适用的。为了简化计算工作量，可采用规则取样法。
    图4-12    自然取样法SPWM模式计算图    (2)规则取样法    如图4-13所示，按自然取样法求得的u△和uR的交点为A′和B′，对应的SPWM脉宽为t2′。为了简化计算，采用近似的求解u△和uR交点的方法。通过两个三角波峰之间中线与uR的交点M作水平线与两个三角波分别交于A和B点。由交点A和B确定的SPWM脉宽为t2，显然，t2与t2′数值相近。
    图4-13    规则取样SPWM调制模式    规则取样法就是用uR和u△近似交点A和B代替实际的交点A′和B′，用以确定SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减小了计算工作量。由图4-13可很容易地求出规则取样法的计算公式。    设三角波和正弦波的幅值分别为u△m和usm周期分别为T△和Ts，脉宽t2和间隙时间t1及t3可由下式计算：     (4-2)      (4-3)    由以上两式可很快地求出t1和t2值，进而确定相应的SPWM脉冲宽度，具体计算也可采用查表法。