调制的原理和分类详解

交-直-交变频器抑制输出谐波的方法主要是采用PWM技术，将逆变器输出交流电压或电流平直的波形调制成等幅不同宽度的脉冲列，使效果接近正弦波，从而抑制了谐波分量，消除谐波影响。它不仅可以抑制输出侧谐波，也能抑制输入侧谐波的影响，以后将要讲述。

PWM是通过开关器件如IGBT的快速通断作用，将输出交流半周的直流电压调制为一系列幅值等于直流电压的脉冲的一种方法。脉冲的宽度最早是等宽的，后来采用不等宽但按一定规律变化的脉冲。脉冲宽度是开关器件导通的时间，脉冲之间的距离是开关器件关断的时间，称为缺口。在宽度相同的脉冲列中，和斩波器一样，改变开关器件通断时间比（导通率），就可以改变输出电压；改变调制的频率也就改变了输出频率，实现变压变频（VVVF）。选择每半周的脉冲数以及不同的脉冲宽度就可以抑制谐波的幅值。这种调制方法由于谐波抑制效果不好，人们开发了按一定规律变化不等宽的调制，由于是按正弦规律变化，故称之为正弦波脉宽调制（SPWM）。

PWM常用于电压型变频器（电流型变频器也可采用），使输出电压谐波分量小，甚至接近正弦波，同时调压和调频在逆变器内完成，直流侧可用不可控整流，功率因数高。目前PWM技术除了SPWM，还有SVPWM，前者采用较早，应用广泛，技术趋于成熟；后者开发稍迟，由于优点甚多，有些还优于前者，正在逐步推广。为了便于比较和了解调制的规律，本节将对前者，即SPWM技术作较详细的讲述。

SPWM波形的形成是由图1-21a所示的等腰三角波u_t和正弦波u_ra相互作用形成的。三角波称为载波，正弦波称为调制波，它们的交点就是产生触发脉冲的时刻，一次通断就形成一个脉冲，一周内连续通断多次就形成脉冲列，可以看出脉冲宽度按正弦波瞬时值变化。改变调制波的频率就可改变变频器的输出频率，载波频率和调制波频率之比叫做载波比，以K表示；调制波幅值和载波幅值之比叫做调制度，以M表示（一般在0～1之间）。可以看出，K越大，脉冲越多，M越大，脉冲越宽，输出电压越高，所以SPWM可以实现VVVF。因为脉冲序列是由正弦波调制而成的，所以称之为正弦波脉宽调制。SPWM变频器的诞生对变频调速的发展具有划时代的意义，因为它对抑制谐波起了巨大的作用。调制波还可以用梯形波、阶梯波，载波也还可以用大三角波、锯齿波，但目前认为采用正弦波为调制波，等腰三角波为载波，其调制效果最令人满意。

图1-21 波形的形成和电路结构

a）波形形成 b）变频器结构

图1-21b所示为逆变器中形成SPWM波形的电路结构。必须说明的是，SP-WM常用于电压型变频器，也可用于电流型变频器。前者被调制的是输出电压，后者被调制的是输出电流。

SPWM可分为单极型和双极型SPWM两种。

1.单极性SPWM(www.xing528.com)

图1-22所示为单极性SPWM变频器输出波形，如上所述，当正弦调制波与三角载波在调制器中进行比较，得到一系列交点a₁、a₂、…，b₁、b₂、…若将b点作为触发导通开关器件的信号，而将a点作为关断开关器件的信号，我们就可以得到不等宽按正弦规律变化的脉冲列，经过倒相器倒相，就得到正负两半周脉冲波形，其平均电压即接近于正弦波，如图1-22中虚线所示。单极性逆变器运行时，共阳极组和共阴极组开关器件轮流工作。

图1-22 单极性SPWM波形

2.双极性SPWM

双极性SPWM波形如1-23所示，其特点是半周内脉冲极性正负交变，称为对称调制，载波比必须为奇数，共阳极组和共阴极组开关器件同时工作。单极性半周内只有一组工作，对直流电压利用率不高，双极性无此缺点，且谐波抑制效果较好。

图1-23 双极性SPWM波形

通过前述，我们还知道载波频率越高，半周脉冲就越多，也就是脉冲频率越高，则输出波形越接近正弦波，但这取决于器件开关的速度。最小脉冲宽度应大于开关器件的导通时间t_on，最小脉冲间歇（即缺口）应大于器件的关断时间t_off。也就是说，若载波频率太高则逆变器不能正常工作（器件不能及时关断，造成同桥臂短路）；同时换相损耗也要增加。若载波频率太低，脉冲数太少，谐波分量明显增加，因此对开关器件提出了工作频率要高、开关损耗要小的要求。