PAM/PWM高频变频器设计方案

刘波

摘要：本文提出一种基于PAM/PWM复合控制的高频变频器方案，PAM/PWM控制方式可减少对电网的谐波污染，调速范围较宽，该系统可以在0~5KHz范围内平滑调速，具有较强的带负载能力，以及抗干扰能力，调速性能优良。

关键词：高频；变频器；PWM/PAM

中图分类号：TN77文献标识码： A

一、引言：综合考虑PWM和PAM两种控制方式，设计出一种采用PAM/PWM复合控制技术的高频变频系统。该系统结合了PAM(Pulse Amplitude Modulation)和PWM(Pulse Width Modulation)两种控制方式的优点，当变频器输出在低频（0Hz~2kHz）时，我们采用PWM调制方式；当变频器输出在高频（2kHz~5kHz）时，采用PAM调制方式，以减少高次谐波分量。其中低频和高频之间的相互切换通过DSP软件编程实现。

采用PAM/PWM复合调制方式后，系统的调速性能要比单独使用PAM和PWM控制技术好得多。PAM/PWM高频变频器提高了系统的调速范围，减小了对电网的谐波干扰，增强了系统的抗干扰能力和带负载能力，提高了电机的工作效率，该系统可以在0~5KHz范围内实现无级平滑调速，满足高频调速系统较大功率的输出要求。下面分别PWM、PAM和PAM/PWM三种高频变频器系统进行分析。

二、PAM/PWM高频变频系统的分析

1、PAM/PWM方式

PAM/PWM控制技术充分利用了PWM和PAM控制技术各自的优点，将其结合起来，使变频调速系统无论是在低频区还是在高频区，都能得到良好的调速效果。即较低速时采用PWM控制，保持u/f一定；当转速高于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变PAM的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。

采用PAM/PWM混合控制技术后，可使逆变器从直流电源吸收的无功功率减少到最小程度，即电机从电网吸收的无功功率减少。所以采用PAM/PWM控制技术可以大大提高系统的功率因数，尤其在高速段，斩波调速系统的功率因数改善很大。因此，采用PAM/PWM控制技术变频器的输出的输入功率因数、电机效率都比单独的PAM、PWM控制技术要好[29]。

PAM/PWM高频调速系统主回路的整流环节采用三相桥式整流模块，与传统的PWM变频器不同的是，我们在整流器和PWM变频器之间增加了直流斩波器，整流器经直流斩波器输出，能够满足高速变频的要求。

经不断研究，本文采用拓扑主电路结构，利用新颖的PWM/PAM混合调制技术。该方式充分利用了PWM和PAM调制技术各自的优点，将其结合起来，为实现先进的控制策略以提高系统的伺服性能提供根本保障，使变频调速系统能得到良好的调速效果。

2、基于PAM/PWM的高频变频器仿真分析

方案一：基于PWM/PAM的高频变频器

本文设计的变频器分为低频和高频两部分，当要求的输出频率低于2000Hz时启用基于PWM的高频变频器，当要求输出频率高于2000Hz时，启用基于PAM的高频变频器。具体流程如下：

当要求输出频率大于2000Hz时，通过开关接通PAM逆变组，当频率小于2000Hz时，开关接通PWM逆变组。

基于PAM/PWM的高频变频器仿真电路图

载波频率36kHz，输出频率4kHz时的SPWM线电压波形

载波频率36kHz，输出频率4kHz时的仿真输出波形

载波频率36kHz，输出频率4kHz时的傅立叶分析图

载波频率30kHz，输出频率5kHz时的SPWM线电压波形

载波频率30kHz，输出频率5kHz时的仿真输出波形

可以看出此种方案的输出波形远远强于只采用PWM变频技术的输出波形，且电路的谐波分量大大减小。

载波频率30kHz，输出频率5kHz时的傅立叶分析

经分析，PAM/PWM变频控制结合了PAM和PWM两种控制方式的优点，且在闭环调速时对电压进行PAM调节，能满足交流变频调速的输出要求。所以当变频器输出在低频（0Hz~2kHz）时，我们采用PWM调节方式；而当变频器输出在高频（2kHz~5kHz）时，采用PAM调节方式。系统可以实现高达5kHz的电机平滑调速，而且在负载变化的情况下，能保证输出稳定可靠，不产生高次谐波。

方案二：基于软开关技术的高频变频器

基于软开关的高频变频器的电路部分，除了逆变部分外和基于PWM/PAM的高频变频器的电路部分并无差异，但是由于软开关技术，所以此方案不需要分为高频和低频两部分，在满足软开关谐振的基础上只要改变PWM发生器的调制波频率即可改变输出频率。

虽然此方案有以上优点，但是对于软开关谐振部分的控制问题涉及到许多复杂的问题，本文并未深入研究。因此本文设计的高频变频器以第一种方案为准。

结论：本系统采用PAM/PWM控制方式实现高频变频调速，系统可以实现高达5kHz的电机平滑调速，而且在负载变化的情况下，能保证输出稳定可靠，不产生高次谐波。在电机控制中响应时间很快，而且相对比较稳定，既节能又高效。目前这种控制模式已被Toshiba公司最先应用到空调的变频控制中，可提高功率因素99%，将来还可以用于电动车辆和混合电动车辆驱动控制的电力辅助系统中，有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1]李永东.交流电机数字控制系统[M]，北京：机械工业出版社，2002.79-87.

[2]张磊，张加胜.电力电子技术[M].东营：石油大学出版社，2008.7：57-89.

[3]汤才刚，朱红涛，李莉等.基于PWM的逆变电路分析[J].现代电子技术，2008(1)：32-37.