SPWM控制的变频调速

uc
1
2
0 uG
wt
0
图 2-2 单极性 SPWM 调制图
wt
图 2-3 单极性调制的工作特点图
2.2.2 双极性 SPWM 法
上述的单极性SPWM 逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让
同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”
之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。
SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽 调制.其输出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，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等份，然后把每一等份
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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份的中点相重合，这样，由n个 等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形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。如图2-1所示。
当前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和 SPWM 控制技术是变频电源中 比较常用的两种控制方法。滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且 控制复杂，难以实现；SPWM 控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实 现控制。当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质 量的正弦波，且系统拥有良好的动态性能。
《交流调速》课程设计
-—SPWM 变频调速系统
姓名 学 号：1204010323 专 业：电 气 工 程 班 级：电 气 五 班
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SPWM 变频调速系统
摘要：变频调速是交流调速中的发展方向。异步电动机的调速原理是研究控 制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍 SPWM 变 频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调 速的控制算法也有许多，目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比 控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。本文采用了 HEF4752 波形控制电路产生 SPWM 信号具有电路简单、控制性能优良及高可靠性等特点。
=
2Um
sin
2n
sin
i
当n的数值较大时，近似的认为sin
/(2n)=
/(2n) i
相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯
波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减
小，因而转矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性
2.3 系统设计总方案的确定
在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。 首先是三相整流变压器降压，然后经二极管桥式整流，再者由电容滤波器滤波获 得直流电源，最后经 IGBT 逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT 为场控输入 器件，输入功率小。确定主电路模块之后，本课程设计将采用 HEF4752 芯片构成 SPWM 波形生成电路，实现 PWM 波的调制。并采用电流转速双闭环调制系统，同
双极性SPWM法的调制波u-仍为正弦波，其周期决定于今，振幅决定于气，(如
图2-4A)中的曲线1.曲线2载波uc为双极性的等腰三角形，其周期决定于载波频
率，振幅不变，等于k=1时正弦调制波振幅值。
调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是
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双极性的，(如图2-4B)所示。但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压 脉冲系列却是单极性的，(如图2-4C) 所示。
其中： p -极对数 f -供电频率
n -同步速
由上式可知，当频率 f 连续可调时，电动机的同步速 n 也连续可调。又
因为异步电动机的转子转速 n1 总是比同步转速 n 略低，所以，当 n 连续可调
时， n1 也连续可调。可见，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。
2.2 SPWM 变频调速系统基本原理
能。一般的，SPWM分单极性和双极性两种调制方式。
u0
Um sin wt
2 w1 t
T 图 2-1 SPWM 的输出波形 2.2.1 单极性 SPWM 法 单极性SPWM法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性，正 半周为十U和零，负半周为一U和零，其调制波形如图2-2所示。曲线1是正弦调制 波um，其周期决定于所需要的调制比kf。曲线2是采用等腰三角波的载波uc，其
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周期决定于载波频率，振幅不变，等于 ku 1时正弦调制波的振幅值.每半周期内 所有三角波的极性均相同，都是单极性。
调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所 得的脉冲系列(如图2-2)中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性 的。
单极性调制的工作特点是:每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件 中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截至;而在另 半个周期内，两个器件的工况正好相反。流经负载的便是正、负交替的交变电流 （如图2-3)所示。
设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相
连，则SPWM脉冲序列波的幅值为Us / 2 。令第i个矩形脉冲的宽度为i ，其中心点
相位角为i ，则根据面积相等的等效原则，可写成：
i
Us 2
= Um
s 1
2n
1
2n
in
1td1t
Um
cos(i
2n
)
cos
k (i
2n
)
三 主电路设计------------------------------------------------------- 6 3.1 主电路功能说明----------------------------------------------- 6 3.2 主电路设计 -------------------------------------------------- 7 3.3 主电路电路图 ------------------------------------------------ 8
1.2 变频调速的优点
（1）系统稳定且平滑性好，调速范围广； （2）变频器容量不断扩大，结构小型化，逐渐多功能化和高效性化； （3）在故障率方面，由于直流电动机本身的弱点，变频调速系统具有较大 的优势； （4）在工作特性方面，静态特性和动态特性都能做到和直流调速系统不相 上下的程度。
1.3 SPWM 变频调速的优点
五 SPWM 变频调速系统总设计图 --------------------------------------- 13
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一 概述
1.1 SPWM 变频调速系统概述
PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它 们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM） 和 电 流 跟 踪 PWM 法 等。 本 设 计 主要 介 绍 正弦 波 SPWM 的 变频 调 速控 制 系 统 。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到 的采样控制理论中的一个重要结论: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.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正 弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通 断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等, 通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
基于集成 SPWM 电路构成的变频调速系统具有以下优点： （1）结构简单。 （2）运行可靠。 （2）节能效果显着。 （3）性价比高。
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二 SPWM 变频调速系统基本原理
2.1 交流电动机变频调速原理
对于笼型异步电动机来说，要调节转速，可以通过改变同步转速来实现。 而同步速与频率有如下关系：
n 60 f / p
关键词:变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:HEF4752 控制电路。
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目录
一 概述------------------------------------------------------------- 0 1.1 SPWM 变频调速系统概述---------------------------------------- 0 1.2 变频调速的优点----------------------------------------------- 0 1.3 SPWM 变频调速的优点------------------------------------------ 0
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时确定保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。系统总流程图（如图 2-5）所示。
整流电路
平波回路
逆变电路
M
隔离保护
检测电路
保
护
电
电流转速双闭
双极性调制的工作特点是:逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是 按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。而流过负载凡的是按线 电压规律变化的交变电流，(如图2-4 D)所示。
A) uc 1
uA
2
uB
wt
B) uA
wt
C)
u AB
wt 4
D) wt
V1
ZL
ZL
V2
图2—4 双极性SPWM调制图
PWM 脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调 制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不 一定指正弦波，在 PWM 优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一 种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦 波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称为 SPWM（Sinusoidal PWM）波形。