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脉冲宽度调制(PWM控制)
在感应电机变频调速系统中,需要逆变器在变频的同时调节输出电压,以保持电机内部的磁通基本不变。
方波逆变器的电压控制多采用脉冲幅值调制(PAM)控制方式,即电压控制与频率控制分开进行,通过调节直流侧电源电压来改变逆变器的输出电压的大小。
PAM控制的主要问题:
一是输出电压是方波,其谐波成分大;
二是由于是通过改变直流侧电压(或电流)来改变输出的交流电压(或电流)的大小,系统动态响应特性差;
三是由于有两个功率调节环节,所以系统的结构与控制比较复杂,效率低。
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脉冲宽度调制(PWM控制)完全不同于PAM,它将电压控制与频率控制集中在逆变器上同时完成。
其特点是:通过对逆变器开关器件的通、断控制,使逆变器输出一系列幅值相等而宽度不同的脉冲,用它来代替正弦波;
利用一定的规则控制各脉冲的宽度,可实现逆变器输出电压与频率的同时调节;
系统简单,动态响应好。在脉冲宽度调制技术中,正弦脉宽调制(SPWM)的谐波分量最少,应用最广。
脉冲宽度调制(PWM控制)
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正弦脉宽调制(SPWM)的基本原理
脉宽调制是用脉冲宽度不等但幅值相等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流波形。
将一个正弦半波N等分,将正弦曲线每等分所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲代替,并使矩形脉冲的中心线与对应的正弦等分的中点重合,这样得到一串脉冲高度不变但宽度按正弦规律变化的脉冲列,这一过程称为正弦脉宽调制(SPWM),见图。
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设矩形波的高为H,正弦半波每个等分的宽度为x=/N,N为等分数且N 较大;
第i个等分正弦波的中点值或平均高为yi,该等分正弦波所围的面积为yix;而同一等分对应的矩形脉冲的宽度是i,面积是Hi。根据面积相等原则有
上式表明,当等分数N较大时,SPWM将正弦波的函数值变换成了恒幅脉冲的宽度值。
正弦脉宽调制(SPWM)的基本原理
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理论基础
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
。
§ PWM控制的基本原理
指窄脉冲的面积
指环节的输出响应波形基本相同
方波窄脉冲
三角波窄脉冲
单位冲击函数
正弦半波窄脉冲
f
(
t
)
d
(
t
)
t
O
a)
b)
c)
d)
t
O
t
O
t
O
f
(
t
)
f
(
t
)
f
(
t
)
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波?
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电路输入:e(t)
为什么用面积相等的矩形脉冲可以等效原正弦波?
以上实例说明了“面积等效原理”
电路输出:i(t)
i
(
t
)
e
(
t
)
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正弦脉宽调制的实现
单极性脉宽调制是用一条正弦控制波与一条在正弦波正半周的极性为正、在正弦波负半周的极性为负的等腰恒幅三角波进行比较,从而得到SPWM波的调制方式,如图所示。
当正弦波为正半周时,如果正弦信号的幅值大于三角信号的幅值,则比较器输出正电平;如果正弦信号小于三角信号时,比较器输出0电平。
而在正弦波的负半周,当正弦信号的幅值大于三角信号的幅值时,比较器输出负电平;当正弦信号的幅值小于三角信号时,比较器输出0电平。
1. 单极性调制与双极性调制
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双极性调制利用一个控制信号(通常是正弦波,也称为调制波)与一个较高频率的等腰三角波(或称载波)相比较,以产生开关的通断控制信号。
规则是:当正弦信号幅值大于三角波幅值时,比较器输出+Ud/2,反之输出-Ud/2,这样得到双极性的脉冲列,脉冲宽度与控制信号的高度(幅值)成正比。
正弦脉宽调制的实现
1. 单极性调制与双极性调制
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三角波——载波正弦波——调制波
载波频率 fc 调制波频率 fr
通常三角波的频率与幅值固定,正弦波的幅值与频率是调节量。
调制度——正弦信号的幅值与三角波信号的幅值之比称为幅值调制比,用ma表示。
载波比——三角波信号的频率与正弦控制信号的频率之比称为频率调制比,用mf表示。 mf= fc /fr
改变正弦控制信号的幅值和频率就可以同时改变输出电压中基波幅值和频率。
正弦脉宽调制的实现
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改变正弦信号的幅值时,就改变了输出波形的基波分量的幅值。当ma在0~1之间变化时,输出波形的基波分量与ma成线性关系。
过调制:当ma超过1后,脉冲宽度按正弦规律变化的性质将被破坏,称为过调制。
实际上,正弦调制电压幅值不应超过三角波载波电压的幅值,若正弦波幅值过份接近三角波的幅值,在三角波峰值附近