一 pwm技术原理
由于全控型电力半导体器件的出现，不仅使得逆变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称pwm技术。
pwm技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。采用pwm方式构成的逆变器，其输人为固定不变的直流电压，可以通过pwm技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、质量轻、可靠性高。又因为集凋压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。此外，采用pwm技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。
把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲，每个脉冲的宽度为每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比γ为
此时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果，如图5一l所示。
其中，图5一la为调制前的波形，图5一lb为调制后的波形。与图5一la相比，图5一lb的电压周期增大(频率降低)，电压脉冲的幅值不变，而占空比则减小，故平均电压降低。
pwm的输出电压和电流的波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分。为了使输出电流的波形接近于正弦波，又提出了正弦波脉宽调制的方式。
二 正弦波脉宽调制(spwm）
1．spwm的概念
工程实际中应用最多的是正弦pwm法(简称spwm)，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应局部波形下的面积，如图5—2所示。
例如，将一个正弦波的正半周划分为n等份(图中n=12)，每一等份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩形来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这n个等幅(vd)不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。各矩形脉冲的宽度自可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定脉宽：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽。度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。若使脉冲宽度与正弦函数值成比例，则也可生成spwm波形。在工程应用中感兴趣的是基波，假定矩形脉冲的幅值vd恒定，半
周期内的脉冲数n也不变，通过理论分析可知，其基波的幅值v1m脉宽δi有线性关系，如下式所示 -
该式说明，逆变器输出基波电压幅值随调制脉冲的宽度而变化，只要采取措施(利用控制信号去调节脉宽)，即可调节基波幅值。半周期内的脉冲数n越多，谐波抑制效果越显著，但ⅳ值将受到换流电路中为减少额外损耗和保证安全换流所允许的****换流速率以及最小脉宽、最小间隙的限制。
在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为****值时，脉冲的宽度也****，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，如图5 3所示；这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。
spwm方式的控制方法可分为多种。从实现的途径可分为硬件电路与软件编程两种类型；而从工作原理上则可按调制脉冲的极性关系和控制波与载波间的频率关系来分类。按调制脉冲极性关系可分为单极性spwm和双极性spwm两种。
二 ．单极性spwm法
所谓单极性控制是指在输出波形 的半个周期内，逆变器同一桥臂中的两个开关元件只有一个处于不断切换 的开关状态，另一个则始终处于关断状态。因此，输出波形在任何半周期 内始终为一个极性，单极性控制方式的spwm波形如图5—4所示，载波信号ut采用单极性等腰三角形波，控制信号uc为正弦波形，利用倒相信号ux来处理两者间的配合关系。当uc＞ut时，元件开通；当uc、
3．双极性spwm法
双极性控制则是指在输出波形的半周期内，逆变器同一桥臂中的两只元件均处于开关状态，但它们之间的关系是互补的，即通断状态彼此是相反交替的。这样输出波形在任何半周期内都会出现正、负极性电压交替的情况，故称之为双极性控制，其波形示意图如图5—5所示。与单极性控制方式相比，载波和控制波都变成了有正、负半周的交流方式，其输出矩形波也是任意半周中均出现正负交替的情况。
4．spwm渡生成方法
正弦脉宽调制波(spwm)的生成方法可分为硬件电路与软件编程两种方式。
(1)三角波法。前已述及，生成spwm波形要求按正弦规律控制脉冲列的脉宽。其原理是，将等腰三角形载波与正弦控制波通过比较器进行比较，则在比较器输出端就形成了spwm波。可见，生成spwm波的电路必须由三部分组成：三角波发生器、正弦波发生器和比较器，其框图及波形示意如图5—6所示。
由图中的波形可以看出，若等腰三角载波的频率是正弦波频率的n倍时，n称为载波比，则正弦波形在一个周期内被划分为n等分，并对应着n个宽度不等的矩形脉冲。当ⅳ足够大时(例如n＞20)， 这一串矩形脉冲序列的面积将非常接近正弦波形的面积。各矩形脉冲的宽度是可近似
用下式表示
式中，vcm为正弦控制波幅值；vtm为三角载波的幅值。
这种生成spwm形的方法称为三角波调制法。可以用模拟电路、数字电路或者两者的混合电路来实现。
(2)smwm波的软件生成方法。由硬件电路生成spwm波的方法往往电路复杂，控制精度难以保证。微型计算机技术的发展和普及，特别是其高集成度和优异的计算功能，可以方便地对变频器进行直接数字控制，从而获得调节灵活、稳定可靠、性能优越的控制效果，因而得到普遍应用。
采用微机通过软件编程的方法来生成spwm波，其原理仍然是基于正弦控制波和三角载波相交以确定开关通断时刻。随着采样方式的不同，实现的途径也是多种多样的。所谓采样，就是决定pwm波前后沿出现的时刻，即脉冲宽度与间隔时间，这些时间在正弦波的不同波段是不同的，并且随着正弦波幅值的变化而变化。用软件生成pwm波一般有两种方法；查表法和计算法。查表法，即离线由通用计算机算出对应的脉宽数据，写入eprom，再由微机通过查表和加减运算得到脉宽
和间隔时间。计算法，根据理论推导出脉宽函数表达式，由微机进行实时在线计算以获得相应的脉宽和间隔时间。一般来说，前者将占用大量内存，而后者则需要大量运算时间；实用中多数是采用两者结合的方法，既可避免全部在线计算造成的计算量过大、精度受影响的缺点，又使系统因有在线计算而具有相当的灵活性。
还可采用大规模专用集成芯片生成spwm波。这样，可大大减化电路结构，提高可靠性，降低成本。目前，生成spwm波的大规模专用集成芯片有hef4752、sle4520 ma818等。
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