基于电力电子技术SPWM的一种实践教学方法

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在电力电子技术的实践教学过程中，正弦脉宽调制（spwm）的掌握非常重要，通过理论讲解、用MATLAB软件仿真等辅助教学手段外，还可通对让学生制作一种三角波和正弦波产生电路，用电压比较、阻容滤波来解调正弦信号，达到真正理解和掌握SPWM原理的目的。同时，熟悉电路在面包板上的安装和通电调试，观察、分析、记录各测试点波形的方法以及学会使用双踪示波器等仪表工具，增强学生的实践操作能力。

一、SPWM原理

在逆变电路的电能变换过程中，对电路中的开关器件进行通断控制，输出端便得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，这些脉冲称为脉宽调制（PWM）波，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。脉冲频率越高，PWM越接近正弦波。逆变电路的输出电压为SPWM波形时，其低次谐波得到很好的抑制和消除，高次谐波又能很容易滤去，从而获得畸变率极低的正弦波输出电压。在大多数情况下，常采用正弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度。等腰三角波与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，希望输出的信号为调制信号，把接受调制的三角波称为载波。当调制信号是正弦波时，所得到的便是SPWM波形。为了学生更好地掌握SPWM理论，设计一个电路来模拟SPWM调制与解调过程，电路如图1所示。

二、三角波产生电路的工作原理

三角波、正弦波、矩形波是常用的基本测试信号。三角波产生电路的种类很多，这里仅以图2所示的三角波电压产生电路为例，讨论其组成及工作原理。它包括同相输入迟滞比较器（A1）和充放电时间常数相等的积分器（A2）两部分，共同组成三角波电压产生器电路。从电路可以看出

为得到不失真的正弦波，电路中必须有稳幅环节。稳幅环节的作用是使放大电路的放大倍数在起振前为Au> 3；起振后，当输出的正弦电压Uo达到一定幅值后，Au= 3，维持等幅振荡。图3电路中，稳幅环节由D3、D4和R25并联组成。其工作原理如下：

在电路产生自激振荡前，Uo=0，这时D3、D4截止，同相比例器的负反馈电阻由Rf=R24+RW1+R25组成，电压放大倍数略大于3，使电路产生增幅振荡；振荡产生后，随着Uo的增大，D3、D4逐渐导通，由于二极管导通后的内阻极小，由于rD3、rD4的并联，使Rf变小，因此使Au逐渐减小为3，电路维持等幅振荡，避免了输出限幅失真。当Uo改变时，随Uo幅值的改变，D3、D4自动改变导通电阻，使Au=3。

四、SPWM输出与滤波

将正弦波送比较器（LM339）正输入，三角波送比较器负输入，比较器的输出端得到脉宽调制序列。将脉宽调制序列经过三级滤波器把调制信号正弦波解调出来。将这些信号分别送入示波器，得到图1中所示1点三角波、2点正弦波、3点PWM波、4点滤波后正弦波形信号，分别如图4、D5、图6所示。

五、结语

通过让学生亲自动手组建电路，并通电调试，观察、分析、记录各测试点波形的实践训练，提高了学生的实践动手操作能力，特别是由学生用购买的元器件来安装电路，用电工工具仪表来分析调试电路又锻炼了学生的细心和耐心，达到了真正理解和掌握SPWM原理的目的。整个实践过程对学生综合素质的提高也具有重要的意义。