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    正弦脈寬調(diào)制

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    • 發(fā)布時(shí)間:2013/8/15 10:10:32
    • 作者:量值溯源

    正弦脈寬調(diào)制簡(jiǎn)介

      工程實(shí)際中應(yīng)用最多的是正弦PWM法(簡(jiǎn)稱(chēng)SPWM),它是在每半個(gè)周期內(nèi)輸出若干個(gè)寬窄不同的矩形脈沖波,每一矩形波的面積近似對(duì)應(yīng)正弦波各相應(yīng)每一等份的正弦波形下的面積可用一個(gè)與該面積相等的矩形來(lái)代替,于是正弦波形所包圍的面積可用這N個(gè)等幅(Vd)不等寬的矩形脈沖面積之和來(lái)等效。
      各矩形脈沖的寬度自可由理論計(jì)算得出,但在實(shí)際應(yīng)用中常由正弦調(diào)制波和三角形載波相比較的方式來(lái)確定脈寬:因?yàn)榈妊切尾ǖ膶挾茸陨舷蛳率蔷€(xiàn)性變化的,所以當(dāng)它與某一光滑曲線(xiàn)相交時(shí),可得到一組幅值不變而寬度正比于該曲線(xiàn)函數(shù)值的矩形脈沖。若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例,則也可生成SPWM波形。在工程應(yīng)用中感興趣的是基波,假定矩形脈沖的幅值Vd恒定,半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N也不變,通過(guò)理論分析可知,其基波的幅值V1m脈寬δi有線(xiàn)性關(guān)系。
      在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí),使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí),脈沖的寬度也最大,而脈沖間的間隔則最小。反之,當(dāng)正弦值較小時(shí),脈沖的寬度也小,而脈沖間的間隔則較大,這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小,稱(chēng)為正弦波脈寬調(diào)制。

    采用正弦脈寬調(diào)制的變頻器輸出電壓和電流波形圖

    圖. 采用正弦脈寬調(diào)制的變頻器輸出電壓和電流波形圖

    正弦脈寬調(diào)制生成方法

    01雙極性SPWM法

      雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi),逆變器同一橋臂中的兩只元件均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài),但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)的,即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況,故稱(chēng)之為雙極性控制。與單極性控制方式相比,載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式,其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情況。

    02SPWM生成方法

      正弦脈寬調(diào)制波(sPwM)的生成方法可分為硬件電路與軟件編程兩種方式。
      按照前面講述的PWM逆變電路的基本原理和控制方法,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(lái)確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成的SPWM波形變得比較容易,因此,目前SPWM波形的生成和控制多用微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本節(jié)主要介紹用軟件生成SPWM波形的幾種基本算法。

    自然采樣法

      按照SPWM控制的基本原理,在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷,這種生成SPWM波形的方法稱(chēng)為自然采樣法。正弦波在不同相位角時(shí)其值不同,因而與三角波相交所得到的脈沖寬度也不同。另外,當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時(shí),各脈沖的寬度也相應(yīng)變化。要準(zhǔn)確生成SPWM波形,就應(yīng)準(zhǔn)確地算出正弦波和三角波的交點(diǎn)。

    SPWM

      右圖給出了用自然采樣法生成SPWM波形的方法。

      交點(diǎn)A是發(fā)出脈沖的時(shí)刻tA,交點(diǎn)B是結(jié)束脈沖的時(shí)刻tB,t2為脈寬,t1+t3為脈寬間歇時(shí)間,Tc=t1+t2+t3。為載波周期,M=Urm/Utm為調(diào)制度,Urm為調(diào)制波幅值,Utm為載波幅值。設(shè)Utm=1,則Urm=M,正弦調(diào)制波為ur=Msinω1t,ω1為調(diào)制頻率,也是逆變器輸出頻率。由幾何相似三角形關(guān)系可得脈寬計(jì)算式t2=Tc/2[1+M/2(sinω1tA+sinω1tB)],這是一個(gè)超越方程,tA、tB與載波比N和調(diào)制度M都有關(guān)系,求解困難,并且tl≠t3,計(jì)算更增加困難,這種采樣法不適宜微機(jī)實(shí)時(shí)控制。


    規(guī)則采樣法

      規(guī)則采樣法的實(shí)質(zhì)是用階梯波來(lái)代替正弦波,使算法簡(jiǎn)化。在規(guī)則法中,三角波每個(gè)周期的采樣時(shí)刻都是確定的,不作圖就可算出相應(yīng)時(shí)刻的正弦波值。以規(guī)則采樣Ⅱ法為例,采樣時(shí)刻的正弦波值依次為Msinω1te、Msin (ω1te+Tc)、Msin (ω1te+2Tc)…,由幾何相似三角形關(guān)系可得脈寬計(jì)算公式t2=Tc/2(1+Msinω1te)。間歇時(shí)間t1=t3=1/2(Tc-t2),實(shí)用的逆變器多是三相的,因此還應(yīng)形成三相的SPWM波形。

      三相的SPWM波形。三相正弦調(diào)制波互差120°,三角波是公用的。這時(shí)A相和B相脈沖波形相同。三相脈寬時(shí)間總和為ta2 +tb2+tc2一(3/2)Tc三相間隙時(shí)間總和為3Tc-(3/2)Tc一(3/2)Tc脈沖兩側(cè)間隙時(shí)間相等,ta1+tb1+tc1=ta3+tb3+tc3一(3/4)Tc。


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