一 PWM技術原理
由于全控型電力半導體器件的出現(xiàn)，不僅使得逆變電路的結構大為簡化，而且在控制策略上與晶閘管類的半控型器件相比，也有著根本的不同，由原來的相位控制技術改變?yōu)槊}沖寬度控制技術，簡稱PwM技術。
PwM技術可以極其有效地進行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點使逆變電路的技術性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PwM方式構成的逆變器，其輸人為固定不變的直流電壓，可以通過PwM技術在同一逆變器中既實現(xiàn)調壓又實現(xiàn)調頻。由于這種逆變器只有一個可控的功率級，簡化了主回路和控制回路的結構，因而體積小、質量輕、可靠性高。又因為集凋壓、調頻于一身，所以調節(jié)速度快、系統(tǒng)的動態(tài)響應好。此外，采用PwM技術不僅能提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形，而且提高了逆變器對交流電網的功率因數(shù)。
把每半個周期內，輸出電壓的波形分割成若干個脈沖，每個脈沖的寬度為每兩個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比γ為
此時，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果，如圖5一l所示。
其中，圖5一la為調制前的波形，圖5一lb為調制后的波形。與圖5一la相比，圖5一lb的電壓周期增大(頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，而占空比則減小，故平均電壓降低。
PwM的輸出電壓和電流的波形都是非正弦波，具有許多高次諧波成分。為了使輸出電流的波形接近于正弦波，又提出了正弦波脈寬調制的方式。
二 正弦波脈寬調制(sPwM）
1．sPwM的概念
工程實際中應用最多的是正弦PwM法(簡稱sPwM)，它是在每半個周期內輸出若干個寬窄不同的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對應正弦波各相應局部波形下的面積，如圖5—2所示。
例如，將一個正弦波的正半周劃分為N等份(圖中N=12)，每一等份的正弦波形下的面積可用一個與該面積相等的矩形來代替，于是正弦波形所包圍的面積可用這N個等幅(Vd)不等寬的矩形脈沖面積之和來等效。各矩形脈沖的寬度自可由理論計算得出，但在實際應用中常由正弦調制波和三角形載波相比較的方式來確定脈寬：因為等腰三角形波的寬度自上向下是線性變化的，所以當它與某一光滑曲線相交時，可得到一組幅值不變而寬。度正比于該曲線函數(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
周期內的脈沖數(shù)N也不變，通過理論分析可知，其基波的幅值V1m脈寬δi有線性關系，如下式所示 -
該式說明，逆變器輸出基波電壓幅值隨調制脈沖的寬度而變化，只要采取措施(利用控制信號去調節(jié)脈寬)，即可調節(jié)基波幅值。半周期內的脈沖數(shù)N越多，諧波抑制效果越顯著，但Ⅳ值將受到換流電路中為減少額外損耗和保證安全換流所允許的****換流速率以及最小脈寬、最小間隙的限制。
在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為****值時，脈沖的寬度也****，而脈沖間的間隔則最小。反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，如圖5 3所示；這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調制。
sPwM方式的控制方法可分為多種。從實現(xiàn)的途徑可分為硬件電路與軟件編程兩種類型；而從工作原理上則可按調制脈沖的極性關系和控制波與載波間的頻率關系來分類。按調制脈沖極性關系可分為單極性sPwM和雙極性sPwM兩種。
二 ．單極性sPwM法
所謂單極性控制是指在輸出波形 的半個周期內，逆變器同一橋臂中的兩個開關元件只有一個處于不斷切換 的開關狀態(tài)，另一個則始終處于關斷狀態(tài)。因此，輸出波形在任何半周期 內始終為一個極性，單極性控制方式的SPwM波形如圖5—4所示，載波信號uT采用單極性等腰三角形波，控制信號uc為正弦波形，利用倒相信號ux來處理兩者間的配合關系。當uc＞uT時，元件開通；當uc、
3．雙極性sPwM法
雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內，逆變器同一橋臂中的兩只元件均處于開關狀態(tài)，但它們之間的關系是互補的，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都會出現(xiàn)正、負極性電壓交替的情況，故稱之為雙極性控制，其波形示意圖如圖5—5所示。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負交替的情況。
4．sPwM渡生成方法
正弦脈寬調制波(sPwM)的生成方法可分為硬件電路與軟件編程兩種方式。
(1)三角波法。前已述及，生成sPwM波形要求按正弦規(guī)律控制脈沖列的脈寬。其原理是，將等腰三角形載波與正弦控制波通過比較器進行比較，則在比較器輸出端就形成了sPwM波�？梢姡蓅PWM波的電路必須由三部分組成：三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器和比較器，其框圖及波形示意如圖5—6所示。
由圖中的波形可以看出，若等腰三角載波的頻率是正弦波頻率的N倍時，N稱為載波比，則正弦波形在一個周期內被劃分為N等分，并對應著N個寬度不等的矩形脈沖。當Ⅳ足夠大時(例如N＞20)， 這一串矩形脈沖序列的面積將非常接近正弦波形的面積。各矩形脈沖的寬度是可近似
用下式表示
式中，Vcm為正弦控制波幅值；VTm為三角載波的幅值。
這種生成SPWM形的方法稱為三角波調制法�？梢杂媚M電路、數(shù)字電路或者兩者的混合電路來實現(xiàn)。
(2)smWM波的軟件生成方法。由硬件電路生成sPwM波的方法往往電路復雜，控制精度難以保證。微型計算機技術的發(fā)展和普及，特別是其高集成度和優(yōu)異的計算功能，可以方便地對變頻器進行直接數(shù)字控制，從而獲得調節(jié)靈活、穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越的控制效果，因而得到普遍應用。
采用微機通過軟件編程的方法來生成sPwM波，其原理仍然是基于正弦控制波和三角載波相交以確定開關通斷時刻。隨著采樣方式的不同，實現(xiàn)的途徑也是多種多樣的。所謂采樣，就是決定PWM波前后沿出現(xiàn)的時刻，即脈沖寬度與間隔時間，這些時間在正弦波的不同波段是不同的，并且隨著正弦波幅值的變化而變化。用軟件生成PwM波一般有兩種方法；查表法和計算法。查表法，即離線由通用計算機算出對應的脈寬數(shù)據(jù)，寫入EPROM，再由微機通過查表和加減運算得到脈寬
和間隔時間。計算法，根據(jù)理論推導出脈寬函數(shù)表達式，由微機進行實時在線計算以獲得相應的脈寬和間隔時間。一般來說，前者將占用大量內存，而后者則需要大量運算時間；實用中多數(shù)是采用兩者結合的方法，既可避免全部在線計算造成的計算量過大、精度受影響的缺點，又使系統(tǒng)因有在線計算而具有相當?shù)撵`活性。
還可采用大規(guī)模專用集成芯片生成SPWM波。這樣，可大大減化電路結構，提高可靠性，降低成本。目前，生成SPWM波的大規(guī)模專用集成芯片有HEF4752、SLE4520 MA818等。
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