PWM脉冲调制方式简介

在异步电动机恒转矩的变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应地调节其输出电压。另外，在变频器输出频率不变的情况下，为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动，也应适当地调节输出电压。具体实现调压和调频的方法有很多种，但总体来说，从变频器的输出电压和频率的控制方法来看，以PWM脉冲调制方式最为常见。

（1）单极性调制

1）单极性直流电压参考调制方法，以图1-13所示电压型三相桥式变频器的原理电路为例，大功率晶体管的基极驱动信号，在控制电路中一般常采用载频信号U_c与参考信号U_r相比较产生，这里U_c采用单极性等腰三角形锯齿波电压，而U_r采用直流电压。在U_c与U_r波形相交处发出调制信号，部分脉冲调制波形如图1-14所示。

图1-13 电压型三相桥式变频器原理电路

图1-14 单极性直流参考信号的部分调制脉冲波形

图中画出的是经过三相对称倒相的a、b点电位、U′_oo和相电压U_ao的脉冲列波形。在一个周期内有12个三角形，即载频三角波的频率f_Δ为输出频率f₀的12倍（f_Δ可以是f₀的任意6的整数倍）。输出波形正负半波对称，主电路的6个开关管以1—2—3—4—5—6—1顺序轮流工作，每个开关管器件都是半周工作，通、断6次输出6个等幅、等宽、等距脉冲列，另半周总处于阻断状态。

输出的相电压波形每半个周期出现6个等宽等距脉冲，中间两个脉幅高（2E/3），两边4个脉幅低（E/3），正负半波对称，这个脉冲波形可以分解为U₁和系列谐波电压，基波电压就是要求输出的交流电压，而谐波分量则越小越好。

从波形图可以看出，当三角波幅值一定，改变参考直流电压U_r的大小，输出脉冲的宽度将随之改变，从而改变输出基波电压的大小；改变载频三角波的频率并保持每周的输出脉冲数不变，就可以实现输出频率的调节。显然，同时改变三角波的频率的参考直流电压U_r的大小，就可以使变频器的输出在变频的同时也相应地改变电压的大小。

上述调制方式是在改变频率的同时改变三角波的频率，使每半周包含的三角波数和相位不变，正、负半周波形始终保持完全对称，这种调制方式叫做同步脉冲调制方式。同时调制方式虽然由于输出波形正负半周完全对称，只在奇次谐波，没有偶次谐波，但是每周的输出脉冲数不变，低频输出时谐波影响变大。

2）单极性正弦脉宽调制方式及参考信号U_r为正弦波的脉宽调制，一般叫做正弦波脉宽调制，简称SPWM，产生的调制波是一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列，如图1-15所示。

SPWM的基本特点是在半个周期内，中间脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上成正弦分布。经倒相后正半周输出正脉冲序列，负半周输出负脉冲序列。由波形可见，SPWM比PMW的调制波形更接近于正弦波，谐波分量大为减小。

图1-15 正弦波脉宽调制波形

输出电压的大小和频率均由正弦参考电压U_r来控制。当改变U_r的幅值时，脉宽即随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变U_r的频率时，输出电压频率即随之改变。但要注意正弦波的幅值U_rm必须小于等腰三角形的幅值U_cm，否则就得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关系。输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。(www.xing528.com)

图1-15只画出单相脉宽调制波形。对于三相变频器，必须产生相位差为120°的三相调制波。载频三角波三相可以共用，但必须有一个可变频变幅的三相正弦波发生器，产生可变频变幅的三相正弦参考信号，然后分别比较产生三相输出脉冲调制波。

若三角波和正弦波的频率成比例地改变，不论输出频率高低，每半周的输出脉波数不变，即为同步调制方式。

若三角波频率一定，只改变正弦参考信号的频率，正、负半周的脉波数和相位在不同输出频率下就不是完全对称的了，这种方式叫做非同步脉宽调制方式。非同步虽然正、负半周输出波形不能完全对称，会出现偶次谐波，但是每周输出的调制脉波数将随输出频率的降低而增多，有利于改善低频输出特性。

（2）双极性调制

上述单极性脉宽调制，脉冲的极性不改变，要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须另加倒相电路。与此相对应，若在调制过程中，载频信号和参考信号的极性交替地不断改变则称为双极性调制。其调制波形如图1-16所示，图中画出了三相调制波形。

与上述单极性SPWM的情况相同，输出电压的大小和频率也是由改变正弦参考信号U_r的幅值大小和频率调制的。参考信号也可以采用阶梯式准正弦波。

这种正弦脉宽调制方式，当然也可以采用同步式和非同步式的调制方式。但SPWM型变频器带异步电动机负载时，在脉宽调制过程中，要根据异步电动机变频调速控制特性的要求，在调节正弦参考信号频率的同时，要相应地适当调节其幅值，使输出基波电压的大小与频率之比为恒值，即保持U₁/f₁=常数。

（3）“Δ”调制（DM）方式

“Δ”脉宽调制方式的调制电路及波形如图1-17所示。只要输入可变频恒幅正弦波参考电压U_r，就可以平滑地变换出调制工作脉冲，而且能够自然保持输出基波电压与频率之比为恒值。

图1-16 三相正弦波脉宽调制波形

图1-17 “Δ”脉宽调制电路及波形

“Δ”脉宽调制电路的基本工作原理：正弦波参考信号电压U_r加在运算放大器A1的同相输入端，A1作为比较器工作。当U_r从零上升时，A1输出的电压U₁迅速升到正饱和值U_s，+U_s电压经运算放大器A2作反向积分，其输出电压U_F负向线性增长，U_F和+U₁经R2、R3综合加到运算放大器A3的反相输入端，R3的阻值＞R2的阻值，A3输出正向上升电压U_k，U_k与U_r在运算放大器A1相比较，当U_k＜U_r时，A1输出保持+U_s，一旦U_k上升到U_k＞U_r时，A1迅速翻转输出负饱和电压-U_s。-U_s电压再经运算放大器A2反相积分，使其输出U_F负值线性减小，从而使A3的输出电压U_k也随之减小，当U_k＜U_r时，又转称为+U_s，U_F负值又增大，U_k再次上升，如此循环不已，便得到如图1-17所示的“Δ”脉宽调制波形。

“Δ”脉宽调制电路具有一个可贵的特性，就是当输入正弦波参考电压U_r的幅值一定时，其输出调制脉冲列U_I的基波电压大小与其频率之比随时保持恒值，这个U_I/f_o为恒值的特性正符合异步电动机变频调速对PWM逆变器的输出要求。