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基于脉宽调制变频调速系统 　　【摘要】介绍了脉宽调制的变频调速系统。对正弦波脉宽调制的原理进行了分析，并通过MATLAB7.0/Simulink对正弦波脉宽调制的变频系统进行了建模与仿真，给出了仿真实验结果。得出正弦波脉宽调制控制是一种较理想调制方式的结论。 【关键词】脉宽调制（SPWM）；逆变；变频 1.引言 交流调速在电气传动系统中占据的地位日趋重要，交流电机的变频调速性能主要依赖于变频器电源性能的好坏，而脉宽调制技术又是变频调速的核心所在。在对变频电源的输出电压波形质量要求越来越高的同时，就需要逆变器输出波形不但要稳态精度高，还要动态性能好，才能满足变频的需求。正弦波脉宽调制的逆变器可使变频电路中的开关管损耗、可靠性及输出电压波形质量都得到改善，使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电结合。 2.正弦波脉宽调制（SPWM）变频原理 正弦波脉宽调制（SPWM）变频器是将50Hz的工频交流电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源。这个过程若采用间接变频的方式，就是将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为频率和电压可控的交流。SPWM逆变器是目前直流-交流（DC-AC）变换中最重要的变换技术。通过全控型器件作开关元件构成的正弦脉宽调制逆变器，可使装置的体积小、控制灵活、成本低。 （1）控制原理 在正弦波脉宽调制逆变器中，使用最多的是如图1所示的三相桥式逆变器。本图采用双极性控制方式。U、V、W三相的正弦波脉宽调制的控制共用一个三角波载波，三相的调制信号、和依次相差120?。U、V、W各相功率器件的控制规律相同，以U相为例来说明。当时，上桥臂导通，下桥臂关断，则U相相对于直流电源假想中点的输出电压=。当时，导通，关断，则=。和的驱动信号始终是互补的。当给（）加导通信号时，可能是（）导通，也可能是二极管（）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V相及W相的控制和U相相同。 图2所示为正弦波脉宽调制波形图。、和的PWM波形都只有两种电平。输出线电压PWM波由和0三种电平构成。负载相电压可由公式： 求得。可见负载相电压的PWM波由、和0共五种电平组成。 为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。 （2）谐波分析 SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此，SPWM的开关频率越高，谐波含量越少，即载波频率越高，SPWM波越接近正弦波。如果在输出电压半个周期内开关器件开通和关断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，共有k个开关时刻可以控制，除去用一个自由度来控制基波幅值外，可以消去k-1个频率的特定谐波。 以三相桥式PWM型逆变电路中的波形为例。在输出电压的半个周期内，器件开通和关断各3次（不包括0和π时刻），共有6个开关时刻可以控制。为了消除偶次谐波，应使波形正负两半周期镜对称。为了消除谐波中的余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以p/2为轴线对称。同时消除偶次谐波和余弦项的波形称为四分之一周期对称波形，这种波形可用傅里叶级数表示为： 在一个周期内的12个开关时刻（不包括0和p时刻）中，能够独立控制的只有、和共3个时刻，该波形的为： 在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，因此通常可以考虑消去5次和7次谐波，根据需要确定基波分量的值，再令和等于0，就可以建立三个方程，联立可求得、和。 这样可以消去两种特定频率的谐波，对于给定的基波幅值，求解上述方程可得一组、和，基波幅值改变时，、和也相应地改变。 在实际电路中，由于采样时刻的误差以及为避免同一相上下桥臂直通而设置的死区的影响，谐波的分布情况将更为复杂，谐波含量比理想条件下要多一些，甚至还会出现少量的低次谐波。一般情况下这些谐波是很容易滤除的。 但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的du/dt或di/dt，会产生强的电磁干扰，还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压。这些必须通过保护电路加以抑制。 3.仿真建模与分析 利用MATLAB7.0/Simulink搭建如图3所示的正弦波脉宽调制变频电路仿真模型，主电路由直流电压源、IGBT逆变桥和负载等部分组成。IGBT变频桥通常是采用三对反并联的IGBT元件组成。为了使建模电路能更好地反映电网或工作中实际的电路，仿真模型中采用了线性变压器和功率负载。 设置相应的仿真参数后，运行仿真分