基于電力電子技術(shù)SPWM的一種實(shí)踐教學(xué)方法

文｜馮燕梅

基于電力電子技術(shù)SPWM的一種實(shí)踐教學(xué)方法

文｜馮燕梅

在電力電子技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)過程中，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的掌握非常重要，通過理論講解、用MATLAB軟件仿真等輔助教學(xué)手段外，還可通對(duì)讓學(xué)生制作一種三角波和正弦波產(chǎn)生電路，用電壓比較、阻容濾波來解調(diào)正弦信號(hào)，達(dá)到真正理解和掌握SPWM原理的目的。同時(shí)，熟悉電路在面包板上的安裝和通電調(diào)試，觀察、分析、記錄各測(cè)試點(diǎn)波形的方法以及學(xué)會(huì)使用雙蹤示波器等儀表工具，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

一、SPWM原理

在逆變電路的電能變換過程中，對(duì)電路中的開關(guān)器件進(jìn)行通斷控制，輸出端便得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，這些脈沖稱為脈寬調(diào)制（PWM）波，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。脈沖頻率越高，PWM越接近正弦波。逆變電路的輸出電壓為SPWM波形時(shí)，其低次諧波得到很好的抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而獲得畸變率極低的正弦波輸出電壓。在大多數(shù)情況下，常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，希望輸出的信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便是SPWM波形。為了學(xué)生更好地掌握SPWM理論，設(shè)計(jì)一個(gè)電路來模擬SPWM調(diào)制與解調(diào)過程，電路如圖1所示。

圖1 SPWM調(diào)制與解調(diào)電路

二、三角波產(chǎn)生電路的工作原理

圖 2 鋸齒波產(chǎn)生電路

三、 正弦波產(chǎn)生電路的工作原理

圖3 正弦波產(chǎn)生電路

為得到不失真的正弦波，電路中必須有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的作用是使放大電路的放大倍數(shù)在起振前為Au> 3；起振后，當(dāng)輸出的正弦電壓Uo達(dá)到一定幅值后，Au= 3，維持等幅振蕩。圖3電路中，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)由D3、D4和R25并聯(lián)組成。其工作原理如下：

在電路產(chǎn)生自激振蕩前，Uo＝0，這時(shí)D3、D4截止，同相比例器的負(fù)反饋電阻由Rf=R24+RW1+R25組成，電壓放大倍數(shù)略大于3，使電路產(chǎn)生增幅振蕩；振蕩產(chǎn)生后，隨著Uo的增大，D3、D4逐漸導(dǎo)通，由于二極管導(dǎo)通后的內(nèi)阻極小，由于rD3、rD4的并聯(lián)，使Rf變小，因此使Au逐漸減小為3，電路維持等幅振蕩，避免了輸出限幅失真。當(dāng)Uo改變時(shí)，隨Uo幅值的改變，D3、D4自動(dòng)改變導(dǎo)通電阻，使Au=3。

四、SPWM輸出與濾波

將正弦波送比較器（LM339）正輸入，三角波送比較器負(fù)輸入，比較器的輸出端得到脈寬調(diào)制序列。將脈寬調(diào)制序列經(jīng)過三級(jí)濾波器把調(diào)制信號(hào)正弦波解調(diào)出來。將這些信號(hào)分別送入示波器，得到圖1中所示1點(diǎn)三角波、2點(diǎn)正弦波、3點(diǎn)PWM波、4點(diǎn)濾波后正弦波形信號(hào)，分別如圖4、圖5、圖6所示。

五、結(jié)語

通過讓學(xué)生親自動(dòng)手組建電路，并通電調(diào)試，觀察、分析、記錄各測(cè)試點(diǎn)波形的實(shí)踐訓(xùn)練，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手操作能力，特別是由學(xué)生用購買的元器件來安裝電路，用電工工具儀表來分析調(diào)試電路又鍛煉了學(xué)生的細(xì)心和耐心，達(dá)到了真正理解和掌握SPWM原理的目的。整個(gè)實(shí)踐過程對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高也具有重要的意義。

作者單位：順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院