变频器的输出调制方式

    变频器对输出波形的调制既要变频，又要变压，变频是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变频器有PAM、 PWM 和SPWM等多种方式。晶闸管型逆变器一般采用变幅调制方式，脉宽调制型逆变器更多的是采用恒幅脉宽调制方式，由二极管整流桥输出恒定不变的直流电压，经中间环节送到逆变桥，通过调节逆变桥输出电压脉冲的宽度和频率，实现既调压又调频的目的。这种脉宽调制型逆变器主回路简单，而且由于逆变器输出电压的大小和频率直接由逆变器决定，所以调节速度快，系统的动态性能好，而且电源侧输入功率因数高。由于它具有这些优点，所以目前应用相当广泛。因为PWM型逆变器是通过改变脉冲宽度控制其输出电压大小，通过改变脉冲周期控制其输出电压频率，所以脉宽调制方式对PWM逆变器的性能有根本性的影响。

    PAM即脉冲幅值调节方式是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加而变低；而采用直流斩波器调压时，网侧的功率因素在不考虑谐波影响时，可以达到1。PAM调制方式一般应用于晶闸管逆变器的中大功率变频器中。

    简单的多脉冲调制法是脉冲宽度调制法中比较简单的一种。现利用相桥式晶体管逆变器的原理电路说明其原理。逆变桥由大功率晶体管（也可采用其他快速功率开关器件）和快速续流二极管组成。变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器PWM方式调节。PWM信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断。在控制电路中采用载频信号与参考信号相比较的方法产生基极驱动信号。这里采用单极性等腰三角形；采用可变的直流电压。在与波形的交点处发生调制信号，部分脉冲调制波形如图1所示。

图1 PWM逆变器输出电压波形

    从波形图可以清楚地看出，当三角波幅值一定，改变参考信号的大小，输出脉冲宽度就随之改变，从而可以改变输出基波电压的大小。当改变载频三角波的频率，并保持每周期输出的脉冲数不变时，就可以改变基波电压的频率。在实际控制中，可同时改变载波三角形频率和直流参考电压的大小，使逆变器的输出在变频的同时相应地变压，来满足一般变频调速时的需要。这种每个周期输出的脉冲数不变的方法，称为同步调制方法。这种调制方法使得在不同频率下，正负半周波形始终保持完全对称，因此没有偶次谐波。另外，当逆变器输出电压每个周波中脉冲个数不变，改变脉冲宽度时，不仅可以得到不同的基波电压，而且也随之出现比例不同的各次谐波分量。经过分析研究表明，每半个周期中有9个以上电压脉冲时，整个调压过程中，基波分量和各次谐波分量基本上按线性关系变化，但是在脉冲数较少时，谐波分量将变得很大。
    载波与基准波的频率比定义为载波比N，N=fc/fr>1，它决定一个周期内电压的脉冲个数。按照载波比不同的处理方式，变频器有同步调制、异步调制和分段调制三种
    （1）同步调制 在变频调速时，载波频率与基准波频率同步变化，即载波比N为常数，因此，在逆变器输出电压的一个周期内调制脉冲数是固定的。若取N等于三的倍数，则同步调制能保证逆变器输出的正、负半波对称，也能保证三相平衡。但是，当输出频率很低时，相邻两脉冲的间距增大，谐波分量增加。这会使电机产生较大的转矩脉动和噪声，低速时运转不平稳。
    （2）异步调制 在变频器的变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变基准波频率时保持载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，这样变频器输出电压在一个周期内的脉冲个数可随输出频率的降低而增加，相应地可以减少电机的转矩脉动，改善低速性能。但是，随着载波比的变化，很难保证三相输出间的对称关系，也会影响电机的平稳运行。
    （3）分段同步调制 将同步调制和异步调制结合起来，相互取长补短，形成分段同步调制。把变频器的整个变频范围划分成若干个频段，在每个频段内固定载波比。在不同的频段，N的取值不同，频率越低N越大。用同步调制保证输出波形对称，用分段调制可以改善低速性能，这就是这种方法的优点，也是它广泛采用的原因。
    简单PWM方式不管采用何种调制方式，由于其输出波形是方波，对于交流电机来说，其谐波成分还是很大的，这会直接影响交流调速的品质。

    正弦波脉宽调制法（SPWM）是最常用的一种调制方法。对主回路中开关器件的基极驱动信号，仍采用载频信号和参考信号相比较的方法产生，但是参考信号改为正弦波信号，如图2所示。当改变参考信号的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变的频率时，输出电压频率即随之改变。

图2 SPWM逆变器输出电压波形

    这种调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距，脉冲等幅、变宽，半个周期内脉冲宽度变化呈正弦分布，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例。因此，其调制波形更接近于正弦波，谐波分量大大减少。在实际应用中，对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角载波信号相比较，而产生三相脉冲调制波。