变频器中的SPWM逆变器

    1．PAM控制和PWM控制的比较

    为实现变频器的变压变频控制，对于上述六脉波方式，必须在逆变器变频的同时，改变输入直流电压大小，这一过程称为脉冲幅度调制控制即PAM控制，其主电路如图2-23(a)所示。由于六脉波方式的固有缺陷，目前中小型变频器已很少采用。1964年德国率先提出了脉宽调制变频的设想，把通信系统中的调制技术推广应用于变频器。图2-23(b)为PWM变频器主电路的原理图，和PAM相比，PWM减少了一个可控环节，逆变器的开关管则采用全控型器件，并按一定规律控制其导通或关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形电压脉冲列。PWM逆变器可以通过改变脉冲的宽度进行调压，通过改变调制周期进行变频。

    图2-23    PAM和PWM控制的主电路

   PWM变频器有如下优点。

    ①主电路只有一个功率级可控环节，简化了主电路的结构，降低了变频器成本。

    ②可获得比常规六脉波更为接近正弦波的输出电压波形。谐波含量减少，因而转矩脉动小，大大扩展了电动机调速范围。

    ③采用不可控整流，使电网功率因数接近于1。

    ④逆变器同时进行调压、变频，系统的动态响应不受中间滤波环节的影响。

    ⑤由于主开关器件的开关频率足够高，可以实现快速电流控制。这对于矢量控制式高性能变频器是必不可少的。

    2．SPWM原理

    所谓SPWM即正弦脉宽调制，其波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图2-24 (b)所示。等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作N等分[在图2-24 (a)中，N=12]，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，这样N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称为SPWM波形。

    图2-24    SPWM波形图

    图2-25 (a)为SPWM变频器主电路原理图，图2-25 (b)为SPWM信号发生器原理图。为分析方便起见，认为异步电动机定子绕组为星形连接，其中点O与整流器输出端滤波电容器的中点O′相连，设直流电源电压为Us，当逆变器任一相导通时，电动机绕组上所获得的相电压为Us/2。

    图2-25    SPWM逆变器电路原理及信号发生器原理图

    根据调制信号的极性不同，SPWM信号可分为单极（性）式和双极（性）式。

   (1)单极性SPWM

    目前SPWM脉冲列的宽度可通过计算方法求出，进行计算机定时控制。但原始的脉宽调制方法是利用正弦波作为基准，称为信号波ur，受其调制的信号称为载波，在SPWM中常用三角波作载波，记为ur。当调制波和载波相交时由其交点确定逆变器开关的通断时刻。一般ur为低频信号，其频率与电动机工作频率相对应；载波为高频信号，根据元件的不同可达到2～20kHz。如果载波频率提高，两种波形的交点将增多，亦即一个周期内脉冲数增加，使电动机输出波形更接近正弦。图2-26给出了载波频率对电动机电流影响的实测波形。当ft=1.5kHz时，波形中有很多纹波，当ft升高至12kHz时，就可获得较为理想的正弦电流曲线。

    图2-26    载波频率对电动机电流的影响

    图2-27显示的是单极性SPWM波形的形成。当A相的信号波瞬时值urA>ut时，相应的开关器件（例如S1）导通，输出正的脉冲电压；而当urA<ut时，S1关断，输出电压为零。在urA的负半周中也可用类似方法控制下桥臂（例如S4）输出负的脉冲列。改变信号波urA的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；降低信号波的幅值为u′rA时，各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。

    图2-27    单极性SPWM波形的形成

    单极性SPWM波在半周内的脉冲电压只在正和零（或负和零）电平之间变化，主电路每相只有一个开关器件反复通断，因此器件利用率不高，而且进行正负信号交替控制有一定复杂性（需要进行零点检测）。故三相逆变器中已很少用单极性SPWM，通常用双极性SPWM来代替。

   (2)双极性SPWM

    双极性SPWM的信号波urA和ut均有正负极性，它输出的脉冲列可让同一桥臂上下两个开关交替导通和关断，输出脉冲只有正负电平而无零电平。图2-28绘出了三相双极性SPWM波形的形成，其调制方法和单极性相似，只是输出脉冲电压的极性不同，即在一个周期内同时存在正极性和负极性的信号。例如，当A相urA>ut时，S1导通，S4关断，负载上得到相电压为uAO=+Us/2；当urA< ut时，S1关断，而S4导通，则uAO=-Us/2。所以，A相电压uAO=f(t)是以+Us/2～-Us/2作正负跳变的脉冲波形。同理，uBO波形是由S3、S6交替导通得到的，uCO波形是由S5、S2交替导通得到的。由uAO和uBO相减可得到逆变器输出线电压波形uAB=f(t)，其脉冲幅值在+Us和-Us之间变化。

    图2-28    三相双极性SPWM波形的形成