第5章异步电动机变频调速系统ppt课件.ppt

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1、2023年1月10日星期二,第五章 异步电机变频调速系统,第一节 交流电动机变频调速的基本理论,第二节正弦波脉宽调制(SPWM),2023年1月10日星期二,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本书的重点。,概 述,2023年1月10日星期二,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导

2、致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,第一节 交流电动机变频调速的基本理论,一、变频调速基本原理,对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。,2023年1月10日星期二,定子每相电动势,（5-1）,式中：E1 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；,定子频率，单位为Hz；,定子每相绕组串联匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量，单位为Wb。,f1,N1,Kw,m,（一）变压变频调速的基本控制方式,2023年1月10日星期二,由式（5-1）

3、可知，只要控制好 E1 和 f1，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,2023年1月10日星期二,1.基频以下调速,由式（5-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 E1，使,常值（5-2）,即采用恒电动势频率比的控制方式。,2023年1月10日星期二,(1)恒压频比的控制方式,绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U1 E1，则得（5-3）这是恒压频比的控制方式。,但是，在低频时 U1 和 E1都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著

4、，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 U1 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。,(2)带定子压降补偿的恒压频比控制方式,2023年1月10日星期二,带压降补偿的恒压频比控制特性,2023年1月10日星期二,2.基频以上调速,在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=U1N，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,2023年1月10日星期二,变压变频控制特性,图5-

5、2 异步电机变压变频调速的控制特性,2023年1月10日星期二,如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化；按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。,2023年1月10日星期二,变频器按装置的结构形式分为交-交变频器和交-直-交变频器。目前应用较多的是交-直-交变频器。,二、变频器简介,对异步电动机进行变频调速，就要求为电动机提供一个频率可变的电源，即变频器。,（一）变频器按装置的结构形式分类,1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先

6、将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图所示。,2023年1月10日星期二,图5-3 交-直-交（间接）变压变频器,由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。,2023年1月10日星期二,交-直-交变频器控制方式,(1)用可控整流器变压、逆变器变频，即调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。优点：装置结构简单，控制方便。缺点：由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较小；另外，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器(每周换流六次)，输出的谐波较大

7、。(2)用不可控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频，即整流环节采用二极管不可控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入功率因数高，克服了第一种装置的缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。,2023年1月10日星期二,用不可控整流器整流、PWM逆变器同时变压变频。用不可控整流，则功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以减少。这样，可以解决上述两种装置的两个缺点。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率受器件开关时间的限制。如果仍采用普通晶闸管，其开关频率比六拍逆变器也高不了多少。采用可关断的全控式器件以后，开关频率可以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼近的正弦波，因而又

8、称正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器。它是当前最有前途的一种结构形式，将在下一节做详细介绍。,2023年1月10日星期二,普通交-直-交变压变频器的基本结构,SCR可控整流器,六 拍逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调频,调压,图5-5 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器,2023年1月10日星期二,2.交-交变压变频器,交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成电压和频率都可调的交流电VVVF输出，因此又称直接变频器。,图5-6 交-交（直接）变频器,2023年1月10日星期二,常用的交-交变压变频器输出的每一相都是

9、一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。,2023年1月10日星期二,交-交变压变频器的基本电路结构,VR,VF,Id,-Id,+,-,-,+,a)电路结构,负载,50Hz,50Hz,u0,图5-7-a 交-交变压变频器每一相的可逆线路,2023年1月10日星期二,(1)交-交变频器的控制方式,整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0，u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下

10、图 b 所示。,图5-7-b 方波型平均输出电压波形,u0,2023年1月10日星期二,调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0=0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到/2（u0 再变为0），如下图所示。,2023年1月10日星期二,图5-8 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形,输出电压波形,当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中蓝线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。,2023年1月10日星期二,单相交交变频电路输出电压和电流波形,202

11、3年1月10日星期二,(2)三相交交变频电路,三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。,2023年1月10日星期二,三相交交变频器的基本结构,2023年1月10日星期二,输出星形联结方式三相交交变频电路,2023年1月10日星期二,三相桥式交交变频电路,2023年1月10日星期二,因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流

12、调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。,这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。,2023年1月10日星期二,表5-1 交-直-交变频器与交-交变频器主要特点比较表,2023年1月10日星期二,二.交-直-交变频器按直流环节直流电源的性质分类,在交-直-交变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器

13、可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用什么样的滤波器。电压源型和电流源型逆变器的示意图如图5-8。,2023年1月10日星期二,在图5-8(a)中，直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下相当于一个恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压源型逆变器，有时简称为电压型逆变器。在图5-8(b)中，直流环节采用大电感滤波，使直流电流波形比较平直，在理想情况下相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型逆变器，或简称为电流型逆变器。,2023年1月10日星期二,性能比较,两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了

14、明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。,因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。,2023年1月10日星期二,下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构

15、成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。,当电动运行时，UCR的控制角，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。,2023年1月10日星期二,电动运行状态,2023年1月10日星期二,如果降低变压变频器的输出频率 1，或从机械上抬高电机转速，使 1 90，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。,2023年1月10日星期二,逆变运行状态,2023年1月10日星期二,与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制

16、动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。,必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。,2023年1月10日星期二,性能比较（续）,（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流

17、波形为方波（见下表）。,2023年1月10日星期二,性能比较（续）,表6-1 两种逆变器输出波形比较,2023年1月10日星期二,性能比较（续）,（4）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。,2023年1月10日星期二,表5-2 各种变频器特征,2023年1月10日星期二,表5-2 各种变频器特征（续）,2023年1月10日星期二,第二节 正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器,当前应用最广的由二极管

18、组成不可控整流器和由全控型电子开关器件组成的脉宽调制(PWM)逆变器，简称PWM变频器。PWM变频器常用的全控型电力电子开关器件有：P-MOSFET(小容量)、IGBT(中、小容量)、GTO(大、中容量)和替代GTO晶闸管的电压控制器件，如IGCT、IECT等。,44,现代全控型电力电子器件介绍,全控型器件指具备自关断能力的电力电子器件分为三大类型:双极型、单极型和混合型。,功率器件的输出容量、工作频率及主要应用领域,2023年1月10日星期二,图5-4 交-直-交PWM变压变频器,交-直-交PWM变压变频器基本结构,2023年1月10日星期二,PWM变频器的主要特点,（1）在主电路整流和逆变

19、两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,2023年1月10日星期二,（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,现代变频器克服了晶闸管变频器的缺点，获得广泛应用。,一.SPWM

20、的工作原理,(一）基本思想当变频器按六拍开关工作时，其输出电压是矩形波或阶梯波，与正弦波差异较大。当用此类变频器对异步电动机供电时，存在谐波损耗和低速运行时出现转矩脉动的问题。为了提高电机的运行性能，要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电。这就需要改造逆变器的输出电压，使其输出波形尽可能接近正弦波。,2023年1月10日星期二,一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而设想以多个不同幅值的矩形脉冲波来逼近或替代正弦波。如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用。,2023年1月10日星期二,在变频

21、装置中，希望前级整流器是不可控的，这样它输给逆变器的直流电压就是恒定的。从这点出发，进一步设想把上述一系列等宽不等幅的矩形波用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代，也应该能实现与正弦波等效的功能。,50,将图5-8(a)所示的正弦波分成N等份，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，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，N个等幅不等宽的矩形脉冲序列就与正弦波的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效的SPWM波形称作单极式SPWM。,所谓SPWM(sinuso

22、idal PWM)波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。通常将输出为SPWM波形的变频器称为SPWM型变频器。显然，当变频器各开关器件工作在理想状态下时，驱动相应开关器件的信号也应为与图5-8(b)形状相似的一系列脉冲波形。,2023年1月10日星期二,为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好，这就要求逆变器输出的电压应在数十到数百微秒的时间内按给定规律变化，从而造成控制实现的难度。此时逆变器的电力电子器件不是按六拍开关工作，而是处于按一定规律频繁开关的工作状态。由于开关频率较高，晶闸管不能胜任，必须用具有高开关频率性能的全控型电力电子器件代替。随着电力电子技术的发展，各种半

23、导体开关器件的可控性和开关频率获得了很大的发展，使得这种设想得以实现。,2023年1月10日星期二,根据上述原理，SPWM脉冲波的宽度要求可以严格地用计算方法求得，采用数字控制时，这是很容易实现的。较为实用的正弦脉宽调制方法是引用通讯技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形作为调制波(Modulating wave)，而受它调制的信号称为载波(Carrier wave)。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称地变化，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。,2023

24、年1月10日星期二,55,1.PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。,56,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种

25、序列的矩形波称作SPWM波。,图5-9 SPWM变频器电路原理图(a)主回路(b)控制电路,2023年1月10日星期二,（二）工作原理SPWM变频器电路原理图如图5-9(a)所示，图 5-9(a)为主回路。图中VTlVT6是逆变器的6个功率开关器件，VDlVD6为用于处理无功功率反馈的二极管。整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压Us供电。,图 5-9(b)所示是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号urU、urV、urW由参考信号发生器提供。其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调；其幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压的大小。三角波载波信号ut是共用的，分

26、别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波udU、udV、udW，作为逆变器功率开关器件的输出控制信号。,2023年1月10日星期二,1.单极性PWM,调制原理首先由同极性的三角波载波电压ut与参考电压ur比较(见图(a)，以A相为例，当参考电压urU高于载波电压ut时，使开关器件VTl导通，输出正的脉冲电压；当参考电压urU低于载波电压ut时，使开关器件VTl关断，无脉冲电压输出，产生的单极性SPWM脉冲波如图5-10(b)所示。负半周用同样方法调制后再倒相而成，见图5-10(c)、(d)。,2023年1月10日星期二,采用单极式控制时，在正弦波的半个周期内

27、，每相只有一个功率开关开通或关断。,60,参考信号为单极性正弦波时输出交流电波形,2023年1月10日星期二,调频控制：改变VT1、VT4的切换速度，可以改变 输出交流电的频率。调压控制：改变直流参考电压的幅值，从而改变占空比，可以实现恒幅（+Ud/2不变）而调宽。,如果让同一桥臂上下两个功率开关交替通断，处于互补的工作方式，则输出脉冲在“正”、“负”之间变化，就得到双极式SPWM波形，其调制过程如图5-11所示。,2023年1月10日星期二,2.双极性PWM,控制信号ur:普通正弦波 载波信号ut:双极性三角(或锯齿)波 双极性PWM调制规律 不分正负半周，只要A相的ur ut，就导通VT1

28、，如A相的ur ut，就导通VT4。,图5-11 双极性脉宽调制模式,2023年1月10日星期二,由图5-10和图5-11可知，输出电压波形是等幅不等宽而且两侧窄中间宽的脉冲，输出基波电压的大小和频率，是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的。,调频控制：改变正弦参考信号的频率，可以改变输出交流电的频率。,调压控制：改变正弦参考电压的幅值，从而改变总体占空比，可以实现呈正弦规律的恒幅（+Ud/2和-Ud/2均不变）调宽。,二.SPWM逆变器的调制方式,在SPWM逆变器中，三角波电压频率ft与参考波电压频率(即逆变器的输出频率)fr之比N=ft/fr称为载波比，也称调制比。根据调制时载波比的处

29、理，PWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。,2023年1月10日星期二,1.同步调制方式 载波比N等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。,2023年1月10日星期二,基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；优点:在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120相位

30、移的对称关系。,缺点：fr 很低时，ft 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；低频谐波分量显著增大，使负载电动机产生较大的转矩脉动和噪声。fr 很高时，ft 会过高，使开关器件难以承受。,2.异步调制方式在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。优点:一般在改变参照波频率fr时，保持三角波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。缺点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称

31、性，因而引起电动机工作不平稳。,2023年1月10日星期二,通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。,3.分段同步调制方式实际应用中，多采用分段同步调制方式，它克服了同步和异步调制方式的不足，在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点。在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异

32、步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，但在微电子技术迅速发展的今天，这种调制方式是很容易实现的。,2023年1月10日星期二,三.SPWM波的实现,SPWM波形的控制需要根据三角载波与正弦调制波的交点来确定功率器件的开关时刻，从而得到其幅值不变而宽度按正弦规律变化的一系列脉冲。这个任务可以设计模拟电子电路、数字电子电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件电路来完成，也可以用微型计算机通过软件生成SPWM波形。,2023年1月10日星期二

33、,SPWM波的实现,模拟电子电路 采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；数字控制电路硬件电路；软件实现。,图5-12 模拟电路实现SPWM控制的原理,优点：本方法原理简单，且完成ut和ur信号的比值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。缺点：所需硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试较麻烦，难以实现现代化控制。,2023年1月10日星期二,采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。优点：所需硬件少，灵活性好和智能性强；缺点：需通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。随着高速度、高精度多功

34、能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，数字化SPWM技术已占主导地位。目前常用的产生控制波的方法主要有两类：一类是用微型计算机通过软件生成；另一类是由专用集成芯片产出。,自然采样法只是把同样的方法数字化，自然采样法的运算比较复杂；规则采样法在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。,（一）由计算机软件生成SPWM逆变器控制波,(1)自然采样法根据SPWM逆变器的工作原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关元件的通断，这种生成SPWM波的方法称为自然采样法。,图中，截取了任意一段正弦波与三角波的一个周期长度内的相交情况。A点为脉冲发生时刻，B点为脉冲结束

35、时刻，在三角波的一个周期Tc内，t2为SPWM波的高电平时间，称作脉宽时间，t1与t3则为低电平时间，称为间隙时间。显然Tc=t1+t2+t3。,自然采样法原理,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合,定义参考波与载波的幅值比为调制比M=Urm/Utm，设三角载波幅值Utm=1，则参考波，式中，1为参考波角频率，即输出角频率。,A、B两点对三角波的中心线来说是不对称的。因此，t2分成的t2和t2两个时间段是不等的，联立求解两对相似直角三角形，则(5-4)(5-5)得(5-6),自然采样法虽能真实地反映脉冲产生与结束的时刻，却难以在实时

36、控制中在线实现，因为，tA与tB都是未知数，t1t3，t2t2求时需花费较多的计算时间。即使可先将计算结果存入内存，控制过程中查表定时，也会因参数过多而占用计算机太多内存和时间，所以，此法仅限于调速范围有限的场合。,原理,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc以三角波正峰值时找到正弦波上的对应点D点，得到ur，用ur对三角波采样，得到A、B两点。可见，在此法中，开关点A、B位于正弦波的同一侧，这使所得的脉冲宽度明显偏小，从而造成较大的控制误差。,（2）规则采样法,（3）规则采样法,规则采样法原理,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合

37、规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化,在三角波的负峰时刻t对正弦信号波采样得点，过 作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻 tA和B点时刻 tB控制开关器件的通断脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,规则采样法原理,正弦调制信号波 式中，M 称为调制度，0 a 1；1为参考波角频率。从图中可得,因此可得 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度,根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：查表法可以先离线计算出相应的脉宽d 等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉

38、宽时间和间隙时间。,实时计算法事先在内存中存放正弦函数和Tc/2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tc/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。,由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。,(4)指定谐波消除法 以消去某些指定次数谐波(主要的低次谐波)为目的，通过计算来确定各脉冲的开关时刻，这种方法称为低次谐波消去法。在该法中，已经不用三角载波和正弦参考波的比较，但其目的仍是使输出波形尽可

39、能接近正弦波，因此，也算是SPWM波生成的一种方法。,例如，消去SPWM波中的5次、7次谐波(三相电动机无中线时，3次和3的倍数次谐波无通路，可忽略)。将某一脉冲列展成富氏级数，然后令其5次、7次分量为零，基波分量为所要求值，这样可获得一组联立方程，对方程组求解即可得到为了消除5次、7次谐波各脉冲所应有的开关时刻，从而获得所要求的SPWM波。该法可以很好地消除所指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会增大，但它们的次数已比所消去的谐波次数高，因而较易滤去。,SLE4520为三相PWM集成电路，它是一种应用ACMOS技术制作的低功耗高频大规模集成电路，是一种可编程器件。它能把三个8

40、位数字量同时转换成三路相应脉宽的矩形波信号，与8位或16位微机联合使用，可产生三相变频器所需的六路控制信号，输出的SPWM波的开关频率可达20 kHz，基波频率可达2600 Hz。因此，适用于IGBT变频器或者其他中频电源变频器。,（二）用专用集成芯片SLE4520生成SPWM逆变器控制波,图5-15 SLE4520的管角排列及功能,(1)SLE4520的管脚功能 SLE4520为双列直插式28脚芯片。,13个输入端5个控制端8个输出端 2个电源端,(2)SLE4520内部结构框图及工作原理 内部结构SLE4520内部结构框图如图5-16所示，共包括17个单元电路：三个过零检测器，一个4分频锁

41、存器，一个可编程1:n预置分频器，一个4位死区时间检测器，一个1:4地址码锁存器，一个通断控制触发器，一个振荡器，以及一个脉冲放大器。这些单元电路分别与SLE4520内部数据总线或控制总线相连。,图5-16 SLE4520内部结构框图,数字量如何转换为脉宽 在片选信号CS有效、SET STATUS及INHIBIT端信号无效的情况下，当ALE、WR信号有效时，由微机输出的地址数据经由数据总线P0P7写入地址译码锁存器。然后，根据地址译码，由微机输出的SPWM脉宽数据分别写入3个8位数据锁存器。在SYNC端输入触发脉冲信号后，三相的脉宽数据同步地装入减法寄存器，并开始进行减1计算。一旦哪一相减1计

42、数器减到零，则该相过零检测器就发出信号，使该相输出由高电平(无效)变为低电平(有效)，形成一个脉冲。计数器减到零后即停止工作，直到下一个SYNC端的同步触发脉冲到来，再使该相输出为高电平。,开关频率的选择 减1计数器的减法速度由4位预分频器及可编程分频器控制。这样，可以通过编程方便地改变开关频率，实现输出频率的微调。可编程分频控制器的比率由分频控制寄存器设置。数值设置与分频比率的关系见表5-3。,表5-3 计数器分频比率和延时时钟分频比率表,确定计数器的分频比后，根据下述的方法选择开关频率，即开关频率的周期长度应正好是最大的脉冲宽度。例如，使用8031单片机，在12 MHz晶振下，计数器分频比

43、为1:12时，则计算频率为1MHz，每减一次为1s。因此，若送入计数器的最大脉宽数据为0(7位)，则128s时减1计数器到零。因此，开关频率为1/(128s)7.8 kHz。因此，若送入计数器的最大脉宽数据为0(8位)，则256s后减1计数器到零。因此，开关频率为3.9 kHz。表5-4中给出了若干计算结果。,表5-4 不同分频比率时的开关频率表,四.SPWM变频调速系统的应用实例,SLE4520是一个可编程三相PWM集成电路，与微机配合使用能把三路8位数字量转换成三路脉宽调制信号，形成三相SPWM波，驱动三相功率开关器件。虽然也可以和16位微机配合使用，但因SLE4520是8位可编程芯片，一般情况下可与8位微机配合使用。下面介绍一个以8031单片机与SLE4520配合使用形成SPWM波驱动IGBT变频器的实例。系统框图如图5-17所示。硬接线说明如下：,图5-17 用SLE4520及8031生产SPWM信号驱动的IGBT变频器,