0 导言
电力电子技能作为一门新式的高科技学科，起始于上世纪50年代末硅整流器材的诞生。上世纪80年代晚期和90年代初期，以MOSFET和IGBT为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器材的呈现，标明传统电力电子技能现已进入现代电力电子技能年代。选用电力半导体器材构成的各种开关电路，按
必定的规矩，实时的操控器材的作业，能够完成开关型电力改换和操控，已被广泛地运用于高品质交直流电源、电力体系、变频调速、新能源发电及各种工业与民用电器等范畴，成为现代高科技范畴的支撑技能。当时电力电子技能的开展趋势是高电压大容量化、高频化、主电路及维护操控电路模块化、产品小型化、智能化和低本钱化。大力加强电力电子技能的运用研究，对改造传统设备、完成产品的更新换代和添加产品的科技含量、处理联系国民经济与安全的高新技能具有严峻的经济及战略意义。
PWM操控技能已逐步老练，经过其对半导体电力器材的导通和关断进行操控，使输出端得到一系列幅值持平而宽度不持平的脉冲，用这些脉冲来替代正弦波或其他所需求的波形。按必定的规矩对各脉冲的宽度进行调制，既可改动逆变电路输出电压的巨细，也可改动输出频率。这在全控型开关器材的逆变器中得到广泛运用，已有各种单相(如SG3524)，三相PWM(如HEF4752)和SPWM 集成芯片(如SA828)跟着电力电子技能及大规模集成电路的开展，PWM调压技能得到了广泛的运用，特别是以PWM为根底构成的变频体系，以结构简略，运转牢靠，节能作用显著等杰出长处在出产、日子范畴内得到了广泛运用。为此，本文结合高校《电力电子技能》课程的实践环节，协助学生把握PWM操控技能的运用，介绍PWM调压技能的一种完成办法。该计划选用集成脉宽调制电路芯片SG3524 发生PWM 波，经过驱动集成电路IR2110，驱动逆变桥完成调压。该电路结构紧凑、安全牢靠、易于调试。
1 PWM技能的多种完成办法
采样操控理论中有一个重要定论：冲量持平而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其作用根本相同。PWM 操控技能便是以该定论为理论根底，到现在为止，已呈现了多种PWM操控技能。依据PWM操控技能的特色，能够划分为多种办法。
1.1 等脉宽PWM 法
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)前期是依据PAM(Pulse Amplitude Modulation)操控技能完成的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM 法正是为了战胜PAM法的这个缺陷开展而来的，是PWM法中最为简略的一种。它是把每一脉冲的宽度均持平的脉冲列作为PWM波，经过改动脉冲列的周期以调频，该办法的长处是简化了电路结构，进步了输入端的功率因数，但一起也存在输出电压中除基波外，还包括较大的谐波分量。
1.2 SPWM法
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较老练的、运用较广泛的PWM法。前面说到的采样操控理论中的一个重要定论：冲量持平而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其作用根本相同。SPWM法便是以该定论为理论根底，用脉冲宽度按正弦规矩改动，而与正弦波等效的PWM 波形即SPWM 波形操控逆变电路中开关器材的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所期望输出的正弦波在相应区间内的面积持平，经过改动调制波的频率和幅值，调理逆变输出电压的频率和幅值。该办法的完成有几种计划。
1)等面积法实践上是SPWM 法原理的直接阐释。用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列替代正弦波，然后核算各脉冲的宽度和距离，并把这些数据存于微机中，经过查表的办法生成PWM信号操控开关器材的通断，以到达预期的意图。因为此办法是以SPWM 操控的根本原理为起点，能够精确地核算出各开关器材的通断时刻，其所得的的波形很挨近正弦波，但其存在核算繁琐，数据占用内存大，不能实时操控的缺陷。
2)硬件调制法是为处理等面积法核算繁琐的缺陷而提出的，其原理便是把所期望的波形作为调制信号，把承受调制的信号作为载波，经过对载波的调制得到所期望的PWM波形。一般选用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的便是SPWM 波形。其完成办法简略，能够用仿照电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确认它们的交点，在交点时刻对开关器材的通断进行操控，就能够生成SPWM波。但是，这种仿照电路结构杂乱，难以完成精确的操控。
3)软件生成法因为微机技能的开展使得用软件生成SPWM 波形变得比较简略，因而，软件生成法也就应运而生。软件生成法是用软件来完成调制的办法，有两种根本算法，即天然采样法和规矩采样法。
(1)天然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的天然交点时刻操控开关器材的通断，即天然采样法。其长处是所得SPWM波形最挨近正弦波。但因为三角波与正弦波交点有恣意性，脉冲中心在一个周期内不等距，然后脉宽表达式是一个逾越方程，核算繁琐，难以实时操控。
(2)规矩采样法规矩采样法是一种运用较广的工程有用办法。一般选用三角波作为载波。其原理便是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻操控开关器材的通断，然后完成SPWM法。当三角波只在其极点(或底点)方位对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确认的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的方位是对称的，这种办法称为对称规矩采样。当三角波既在其极点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确认的脉宽，在一个载波周期(为采样周期的2倍)内的方位一般并不对称，这种办法称为非对称规矩采样。规矩采样法是对天然采样法的改进，其首要长处是核算简略，便于在线实时运算，其间非对称规矩采样法因阶数多而更挨近正弦。其缺陷是直流电压利用率较低，线性操控规模较小。两办法均适用于同步调制办法。
4)低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些首要的低次谐波为意图的办法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数打开，表明为u(棕t)=An sin(n棕t)，首要确认基波分量A1的值，再令两个不同的An=0，就能够树立三个方程，联立求解得A1，A2及A3，这样就能够消去两个频率的谐波。该办法尽管能够很好地消除所指定的低次谐波。但是，剩下未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，并且相同存在核算杂乱的缺陷。该办法相同只适用于同步的调制办法。
1.3 线电压操控PWM
首要包括马鞍形波和三角波比较法，也便是谐波注入PWM 办法(HIPWM)，其原理是在正弦波中参加必定份额的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，并且幅值显着下降，所以在调制信号的幅值不超越载波幅值的情况下，能够使基波幅值超越三角波幅值，进步了直流电压利用率。在三相无中线体系中，因为三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。除了能够注入三次谐波以外，还能够注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压。这是因为，经过PWM调制后，逆变电路输出的相电压也必定包括相应的3倍频于正弦波信号的谐波，但在组成线电压时，各相电压中的这些谐波将相互抵消，然后使线电压仍为正弦波。
1.4 电流操控PWM
电流操控PWM 的根本思维是把期望输出的电流波形作为指令信号，把实践的电流波形作为反响信号，经过两者瞬时值的比较来决议各开关器材的通断，使实践输出随指令信号的改动而改动。其完成计划首要有以下3种。
1)滞环比较法[4] 一种带反响的PWM 操控办法，即每相电流反响信号与电流给定值经滞环比较器，得出相应桥臂开关器材的开关状况，使得实践电流盯梢给定电流的改动。该办法的长处是电路简略，动态功能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺陷是开关频率不固定构成较为严峻的噪音，和其他办法比较，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。
2)三角波比较法与SPWM法中的三角波比较办法不同，这里是把指令电流与实践输出电流进行比较，求出差错电流，经过扩大器扩大后再和三角波进行比较，发生PWM波。此刻开关频率必定，因而战胜了滞环比较法频率不固定的缺陷。但是，这种办法的电流呼应不如滞环比较法快。
3)猜测电流操控法[6] 在每个调理周期开端，依据实践电流差错，负载参数及其他负载变量，来猜测电流差错矢量趋势，因而，下一个调理周期由PWM发生的电压矢量必将减小所猜测的差错。该办法的长处是，若给调理器除差错外更多的信息，则可取得比较快速、精确的呼应。现在，这类调理器的局限性是呼应速度及进程模型系数参数的精确性。
1.5 空间电压矢量操控PWM
空间电压矢量操控PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形全体生成作用为条件，以迫临电机气隙的抱负圆形旋转磁场轨道为意图，用逆变器不同的开关方式所发生的实践磁通去迫临基准圆磁通，由它们的比较成果决议逆变器的开关，构成PWM 波形。此法从电动机的视点动身，把逆变器和电机看作一个全体，以内切多边形迫临圆的办法进行操控，使电机取得幅值稳定的圆形磁场(正弦磁通)。
具体办法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量组成一个等效的电压矢量，若采样时刻满足小，可组成恣意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时进步15%，谐波电流有效值之和挨近最小。磁通闭环式引进磁通反响，操控磁通的巨细和改动的速度，在比较预算磁通和给定磁通后，依据差错决议发生下一个电压失量，构成PWM波形。这种办法战胜了磁通开环法的缺乏，处理了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音，但因为未引进转矩的调理，体系功能没有得到根本性的改进。
1.6 失量操控PWM
矢量操控也称磁场定向操控，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib及Ic，经过三相/两相改换，等效成两相停止坐标系下的沟通电流Ia1 及Ib1 ，再经过按转子磁场定向旋转改换，等效成同步旋转坐标下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后仿照对直流电动机的操控办法，完成对沟通电动机的操控。其实质是将沟通电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立操控。经过操控转子磁链，然后分化定子电流而取得转矩和磁场两个分量，经坐标改换，完成正交或解耦操控。
但是，因为转子磁链难以精确观测，以及矢量改换的杂乱性，使得实践操控作用往往难以到达理论剖析的作用，这是矢量操控技能在实践上的缺乏。此外，它有必要直接或直接地得到转子磁链在空间上的方位才干完成定子电流解耦操控，在这种矢量操控体系中需求装备转子方位或速度传感器，这明显给许多运用场合带来不方便。
1.7 直接转矩操控PWM
1985 年德国鲁尔大学Depenbrock 教授首要提出直接转矩操控理论(Direct Torque Control，简称DTC)。直接转矩操控与矢量操控不同，它不是经过操控电流、磁链等量来直接操控转矩，而是把转矩直接作为被控量来操控，它也不需求解耦电机模型，而是在停止的坐标系中核算电机磁通和转矩的实践值，然后，经磁链和转矩的Band-Band 操控发生PWM信号对逆变器的开关状况进行最佳操控，然后在很大程度上处理了上述矢量操控的缺乏，能方便地完成无速度传感器的操控，有很快的转矩呼应速度和很高的速度及转矩操控精度，并以新颖的操控思维、简洁明了的体系结构、优秀的动静态功能得到了迅速开展。直接转矩操控也存在缺陷，如逆变器开关频率的进步有约束。
1.8 非线性操控PWM
单周操控法又称积分复位操控(Integration Re原set Control，简称IRC)，是一种新式非线性操控技能，其根本思维是操控开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与操控参阅电压持平或成必定份额。该技能一起具有调制和操控的双重性，经过复位开关、积分器、触发电路、比较器到达盯梢指令信号的意图。单周操控器由操控器、比较器、积分器及时钟组成，其间操控器能够是RS 触发器，其操控原理如图1所示。图中K能够是任何物理开关，也但是其他可转化为开关变量方式的笼统信号。
传统的PWM 逆变电路中，单周操控在操控电路中不需求差错归纳，它能在一个周期内主动消除稳态、瞬态差错，使前一周期的差错不会带到下一周期。尽管硬件电路较杂乱，但其战胜了传统的PWM操控办法的缺乏，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反响快、开关频率稳定、鲁棒性强等长处，此外，单周操控还能优化体系呼应、减小畸变和按捺电源搅扰，是一种很有出路的操控办法。
1.9 谐振软开关PWM
电力电子器材硬开关大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt约束了开关器材作业频率的进步，而高频化是电力电子的首要开展趋势之一，它能使改换器体积减小、分量减轻、本钱下降、功能进步，特别当开关频率在18 kHz以上时，噪声已超越人类听觉规模，使无噪声传动体系成为可能。谐振软开关PWM的根本思维是在惯例PWM改换器拓扑的根底上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成。开关转化时，谐振网络作业使电力电子器材在开关点上完成软开关进程，谐振进程极短，根本不影响PWM技能的完成。然后既坚持了PWM技能的特色，又完成了软开关技能。但因为谐振网络在电路中的存在必定会发生谐振损耗，并使电路受固有问题的影响，然后约束了该办法的运用。
2 体体系计和作业原理
图2给出了体系主电路和操控电路框图，沟通输入电压(500 Hz/220 V)经过整流桥整流后，得到一个直流电压。DC/AC 改换选用全桥改换电路，经过操控电路操控其逆变电路的导通时刻，过流维护选用快速熔断器，过电压维护选用由电流互感器和电压比较器LM324构成的过电压检测电路。
2.1 SG3524的功能及引脚
SG3524是双端输出式脉宽调制器，作业频率高于100 kHz，作业温度为0~70 益，适合构成100~500 W中功率推挽输出开关电源。SG3524选用DIP-16型封装，管脚摆放和内部结构如图3所示。
