摘要：級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器都是由低壓?jiǎn)卧?lián)組成，低壓的一些控制方法也可以應(yīng)用在級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器的場(chǎng)合中。本文主要研究基于載波的SPWM技術(shù)在級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器中的應(yīng)用，其中載波相移SPWM技術(shù)、同步相移SPWM技術(shù)、消諧波技術(shù)和優(yōu)化的PWM技術(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)型逆變器的控制方法，混合載波頻率調(diào)制的SPWM技術(shù)是應(yīng)用在混合級(jí)聯(lián)型逆變器中。

關(guān)鍵詞：中高壓變頻器 逆變器 SPWM 諧波

一、級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器的控制方法

由于級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器都是由低壓?jiǎn)卧?lián)組成，因此，低壓的一些控制方法可以應(yīng)用在級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器的場(chǎng)合中。基于載波的SPWM控制方法是最常用的多電平PWM控制方法之一，它是兩電平SPWM技術(shù)在多電平中的直接拓展。由于中高壓逆變器電路拓?fù)涞膹?fù)雜性和多樣性，與兩電平逆變器相比，其控制方法也更加多樣化。本文主要研究基于載波的SPWM技術(shù)在級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器中的應(yīng)用，其中載波相移SPWM技術(shù)、同步相移SPWM技術(shù)、消諧波技術(shù)和優(yōu)化的PWM技術(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)型逆變器的控制方法，混合載波頻率調(diào)制的SPWM技術(shù)是應(yīng)用在混合級(jí)聯(lián)型逆變器中。

(一)載波相移SPWM技術(shù)(CarrierPhaseShiftingSPWM—CPS—SPWM)

級(jí)聯(lián)型逆變器是以電壓型單相H-橋?yàn)榛締卧］d波相移SPWM調(diào)制方法的基本原理是，對(duì)于由個(gè)單元H-橋組成的單相逆變器，各個(gè)單元H-橋都采用低開關(guān)頻率的SPWM的調(diào)制方法，每個(gè)單元H-橋都采用同一個(gè)調(diào)制波，用個(gè)三角載波分別進(jìn)行調(diào)制，各三角載波具有相同的頻率和幅值，但相位依次相差固定的角度，從而使每個(gè)單元H-橋輸出的SPWM脈沖錯(cuò)開一定的角度，等效開關(guān)頻率大大增加，經(jīng)過疊加后逆變器最終輸出的波形是一個(gè)多電平的階梯波，選擇合適的相移角度就能使輸出電壓的諧波含量大幅度減少。利用相移SPWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)制的三相逆變器，三相正弦波依次相差120°，每相各單元載波的變化如上所述。

每個(gè)單元H-橋均采用SPWM調(diào)制，載波比為kc，載波頻率為fc，采用不同的調(diào)制方法，輸出電壓波形也有差異。本文采用單極性調(diào)制，N個(gè)載波依次相移π/Nkc角度，N個(gè)SPWM脈沖錯(cuò)開一定的角度，等效載波頻率為2Nfc，輸出的相電壓是2N1個(gè)電平的階梯波，星型或三角形連接的三相變流器的輸出線電壓是4N+1個(gè)電平的階梯波。載波相移SPWM的原理示意圖如圖1-1所示。由5個(gè)單元H-橋組成的逆變器，載波n1用來(lái)調(diào)制第n個(gè)單元模塊的一個(gè)橋臂(n=1,2,3,4,5)。

圖1-1載波相移SPWM的原理示意圖

在每個(gè)單元模塊中，SPWM的控制方式常用單電壓極性方式。對(duì)于單相全橋逆變電路，由于電路中含有兩個(gè)橋臂，四只功率開關(guān)管，為實(shí)現(xiàn)單電壓極性的SPWM切換，方式如下：

圖1-2單電壓極性切換逆變器的輸出波形(N=10)

如圖1-2所示，載波為全波三角波，正弦波大于三角波的部分，晶體管VT1導(dǎo)通，逆變器同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件交替通斷，處于互補(bǔ)的工作方式。UA0=US/2;小于部分，晶體管VT4導(dǎo)通，UA0=-US/2，每半個(gè)基波周期內(nèi)加在負(fù)載上的電壓方向不變，極性在“零”和“正”之間跳變。具體輸出波形如圖1-2所示，其中N=10,從圖中可以看到UA0和UB0在一個(gè)基波周期內(nèi)有10個(gè)矩形脈沖，UAB在一個(gè)基波周期內(nèi)有20個(gè)脈沖,即在輸出端的頻率為開關(guān)頻率的2倍，產(chǎn)生了倍頻現(xiàn)象。

與雙電壓極性切換PWM逆變器相比，它能夠在開關(guān)頻率不變的情況下，使一個(gè)周期內(nèi)正弦波包含的矩形脈沖數(shù)“加倍”，有利于減小諧波。若載波比為偶數(shù)，則低次諧波將出現(xiàn)在2ft的邊帶上。這是因?yàn)樽髽虮鄣妮敵鲭妷篣A0和右橋臂的輸出電壓UB0相位角相差180度;N為偶數(shù)時(shí)，UA0和UB0在開關(guān)頻率處的諧波分量相位相同，于是輸出電壓UAB=UA0-UB0在開關(guān)頻率處的諧波可以相互抵消，開關(guān)頻率處的邊帶隨之消失。

載波相移SPWM技術(shù)是專門針對(duì)級(jí)聯(lián)型變換器提出的，它具有控制方法簡(jiǎn)單，電平階數(shù)多，等效開關(guān)頻率高，諧波含量小，傳輸帶寬寬，控制線形度好的優(yōu)點(diǎn)，是級(jí)聯(lián)型變流器普遍采用的方法。

(二)同步相移SPWM技術(shù)(SynchronousCarrierPhaseShiftingSPWM–SCPSPWM)

這種方法同載波相移SPWM技術(shù)一樣，具有電平階數(shù)多，諧波含量小，等效開關(guān)頻率提高到單元模塊開關(guān)頻率的2N倍，因此，輸出波形也非常接近正弦波。相對(duì)于載波相移SPWM技術(shù)，同步相移SPWM的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方法非常簡(jiǎn)單，節(jié)約了大量的時(shí)間，且單元模塊的程序易于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化，可以很方便的應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。

同步相移SPWM的基本原理是，N個(gè)單元模塊組成的單相逆變器，其調(diào)制波不是一個(gè)，而是有N個(gè)幅值和頻率相同的調(diào)制波，這N個(gè)調(diào)制波同載波一樣依次相移π/Nkc角度。這樣每個(gè)單元模塊的PWM脈沖完全一樣，只是各個(gè)單元模塊間依次錯(cuò)開固定的時(shí)間開始發(fā)波。因此，相對(duì)于載波相移SPWM技術(shù)而言，只需計(jì)算第一個(gè)PWM脈沖的采樣值，依次錯(cuò)開固定時(shí)間后分別觸發(fā)其它N-1個(gè)單元H-橋，不需要計(jì)算5個(gè)PWM脈沖的采樣值，大大減少了計(jì)算量。由5個(gè)單元H-橋組成的單相級(jí)聯(lián)型逆變器，圖1-3是同步相移SPWM的原理示意圖，載波n1用來(lái)調(diào)制第n個(gè)單元模塊的一個(gè)橋臂(n=1,2,3,4,5)，ABCDE五個(gè)正弦波分別是五個(gè)單元模塊的調(diào)制波。

(三)多電平消諧波技術(shù)(Subharmonic—SHPWM)

SHPWM技術(shù)的基本原理是每相使用一個(gè)正弦調(diào)制波與幾個(gè)三角載波進(jìn)行比較，以一個(gè)n電平的逆變器為例，每相采用n-1個(gè)具有相同頻率fc和相同峰值A(chǔ)m的三角載波與一個(gè)頻率為fm，幅值為Am的正弦調(diào)制波相比較，在正弦波與三角波相交的時(shí)刻，如果正弦波的幅值大于某個(gè)三角載波幅值，則開通相應(yīng)得開關(guān)器件，反之，則關(guān)斷該器件，為了使n-1個(gè)三角載波所占的區(qū)域是連續(xù)的，它們?cè)诳臻g上是緊密相連且整個(gè)載波集對(duì)稱分布在零參考的正負(fù)兩側(cè)。對(duì)于一個(gè)n電平的逆變器，幅度調(diào)制比和調(diào)制度分別為：

ma=Am(n-1)Ac(1-1)

mf=fcfm(1-2)

圖1-4多電平消諧波技術(shù)(SHPWM)原理示意圖

根據(jù)載波相位的不同，SHPWM調(diào)制方法可以分為以下三種情況：1)所有載波自上而下相位交替反向和同相，稱為APOD型;2)所有位于0以上的載波同相位，所有位于0以下的載波具有相反的相位，稱為POD型;3)所有載波的相位相同，稱為PD型。

(四)優(yōu)化的PWM調(diào)制方法

在低壓逆變器中，直流電壓利用率是指當(dāng)調(diào)制度M=1時(shí)，逆變器輸出的基波電壓幅值與直流電源電壓Udc的比值。提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力。通過對(duì)SPWM輸出波形的諧波分析可知，SPWM三相逆變器輸出線電壓的基波幅值為3MUdc/2，線電壓直流電壓利用率只有3/2≈0.866<1，直流電壓利用率不高，這是SPWM的缺點(diǎn)之一。為了提高直流電壓利用率，在SPWM技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要有幾種優(yōu)化PWM調(diào)制方法：線電壓控制的三相SPWM技術(shù)、空間矢量法、優(yōu)化階梯波脈寬調(diào)制等。這幾種方法的共同點(diǎn)是：將正弦波的峰值消成平頂波，以增大調(diào)制度，從而提高直流電壓利用率。利用SPWM進(jìn)行調(diào)制的級(jí)聯(lián)型變頻器，不可避免的具有直流電壓利用率低的缺點(diǎn)。因此，本文將普通逆變器常用的幾種方法引用到級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器中，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。注意，此時(shí)所說(shuō)的調(diào)制度M是指正弦波的幅值與載波幅值之比。