变频器-11-07
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SPWM控制技术
变频器按调制方式来分有脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）。
两种方法的共同特点是变频器在改变输出频率的同时改变输出电压，只不过PAM改变的是输出电压的振幅值，而PWM改变的是输出电压的脉宽占空比（振幅值不变）。
不论是PAM还是PWM ，其输出电压和电流的波形都是非正弦波，具有许多谐波成分。
正弦脉宽调制(SPWM)可以使输出电压的波形接近于正弦波。
一、正弦脉宽调制（SPWM）原理
所谓正弦脉宽调制波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图所示。
等效的原则是每一区间的面积相等。
如果把一个正弦半波分成n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合。
这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周波形等效，称为SPWM表现。
同样正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲等效。
这种正弦波正负半周分别用正负脉冲等效的SPWM波形称为单极式SPWM。
在SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔是由正弦波（基准波或调制波）和等腰三角波（载波）的交点来决定的。
二、单极性SPWM技术
1.调制波和载波
Ut是载波，采用了等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，和电动机的电压为额定电压时的调制波的振幅相同，每半个周期内，所有三角波的极性均相同（单极性）；ura 是正弦调制波，其周期决定于所需要电压波形的频率，其振幅决定于所需要的电压波形的振幅，即ura是所希望得到的电压波形。
调制情况如下：当希望得到的电压ura高于三角波电压Ut时，相应比较器的输出电压Uda 为“正”电平，反之则产生“零”电平。
只要正弦波调制的最大值低于三角波的幅值，由图的调制结果必然形成图所示的等幅不等宽，而且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形。
负半周是用同样的方法调制后再倒相而成。
调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列是单极性的。
2．单极性调制的工作特点
每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反。
流经负载Z的便是正、负交替交变电流，如图所示。
三、双极性SPWM技术
1.Ut是载波，采用了双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，和电动机
的电压为额定电压时的调制波的振幅相同。
ura 是正弦调制波，其周期决定于所需要电压波形的频率，其振幅决定于所需要的电压波形的振幅，即ura是所希望得到的电压波形。
双极性调制方式与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。
调制情况如下：当A 相调制波ura>Ut时，V1导通，V4关断，使负载上得到的相电压为uA0=+US/2;当A相调制波ura<Ut时，V1关断，V4导通，使负载上得到的相电压为uA0=-US/2。
所以A相电压uA0是以+US/2和-US/2为幅值做正、负跳变的脉冲波形。
同理，uB0是由V3和V6交替导通得到的。
由uA0和uB0相减，可得到逆变器输出的线电压波形uAB，它的正负幅值分别为+US 和-US。
尽管相电压是双极性的，但是合成后的线电压脉冲系列与单极性相电压合成的结果一样，都是单极性的。
2.双极性调制的工作特点
逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载Z的电流是按线电压规律变化的交变电流。
四、SPWM的软件控制法
软件控制法是由微型计算机来实现SPWM控制的方法，是目前经常采用的一种方法。
主要有如下几种：
1.表格法（又称ROM法）
这种方法是预先将SPWM波的数据计算出来，存入ROM中，然后根据调频指令再将这些数据顺序取出，由输出口输出，控制逆变器的开关动作。
表格法的缺点是占用的大量的内存，且无实时处理功能。
2.随时计算法（又称RAM法）
这种方法的特点是在ROM中预先存储一个单位基准正弦波，运行时，根据指令值的要求，按不同载波比和调幅比的要求，计算出一个周期的开关模式和开关模式保持的时间值，写入RAM1中。
一旦计算结束，就把RAM1的数据输出。
在RAM1 的数据输出期间，如指令值发生新的变化，则开始重新计算，但将计算结果写入RAM2中。
写入RAM2的操作一旦结束，就转为将RAM2的数据输出。
再有新的指令值时，则将计算结果写入RAM1中。
如此轮流地使用两个RAM。
这种方法虽然不必使用大量的ROM，但没有实时处理功能，动态响应时间也较慢。
3.实时计算法
实时计算要有数学模型，建立数学模型的方法有许多中，如等效面积法、自然采样法和规则采样法，而规则采样法中又有对称规则采样法与不对称规则采样法。
U/f控制方式
变频器按控制方式来分，有U/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。
一、U/f控制原理
三相异步电动机定子每相电动势的有效值是：E1=4.44κr1f1N1ΦM
式中E1—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，V;
f1—定子电流频率，Hz；
N1—定子每相绕组串联匝数；
κr1—与绕组结构有关的常数；
ΦM—每极气隙磁通量，Wb。
由式可知，如果定子每相电动势的有效值E1不变，改变定子频率时就会出现下面两种情况：
（1）如果f1大于电动机的额定频率f1N，那么气隙磁通量ΦM就会小于额定气隙磁通量ΦMN。
其结果是：尽管电动机的铁心没有得到充分
1）升速时间设定太短。
2）降速时间设定太短。
3）转矩补偿设定较大，引起低频时空载电流过大。
4）电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起误动作。
2．过电压、欠电压跳闸的原因分析
（1）过电压跳闸，主要原因有：
1）电源电压过高。
2）降速时间设定太短。
3）降速过程中，再生制动的放电单元工作不理想。
①如果因来不及放电所造成，应增加外接制动电阻和制动单元。
②如果有制动电阻和制动单元，那么放电支路实际不放电。
（2）欠电压跳闸，可能的原因有：
1）电源电压过低。
2）电源缺相。
3）整流桥故障。
3.电动机不转的原因分析
（1）功能预置不当，一般原因有：
1）上限频率与最高频率或基本频率与最高频率设定矛盾，最高频率的预置值必须大于上限频率和基本频率的预置值。
2）使用外接给定时，未对“键盘给定/外接给定”的选择进行预置。
3）其他的不合理预置。
（2）在使用外接给定方式时，无“启动”信号。
当使用外接给定信号时，必须由启动按钮或其他触点来控制其启动。
如不需要由启动按钮或其他触点控制时，应将RUN端（或FWD 端）与COM端之间短接起来。
（3）其他可能的原因有：
1）机械有卡阻现象。
2）电动机的启动转矩不够。
3）变频器发生电路故障。
习题与思考题
1.变频器对安装环境有何要求？
2.通用变频器的维护包括哪些方面?
3.变频器过电流跳闸的原因。
