中高压变频器的控制方法

摘要：级联型中高压变频器都是由低压单元串联组成，低压的一些控制方法也可以应用在级联型中高压变频器的场合中。本文主要研究基于载波的SPWM技术在级联型中高压变频器中的应用，其中载波相移SPWM技术、同步相移SPWM技术、消谐波技术和优化的PWM技术是针对传统级联型逆变器的控制方法，混合载波频率调制的SPWM技术是应用在混合级联型逆变器中。

关键词：中高压变频器 逆变器 SPWM 谐波

一、级联型中高压变频器的控制方法

由于级联型中高压变频器都是由低压单元串联组成，因此，低压的一些控制方法可以应用在级联型中高压变频器的场合中。基于载波的SPWM控制方法是最常用的多电平PWM控制方法之一，它是两电平SPWM技术在多电平中的直接拓展。由于中高压逆变器电路拓扑的复杂性和多样性，与两电平逆变器相比，其控制方法也更加多样化。本文主要研究基于载波的SPWM技术在级联型中高压变频器中的应用，其中载波相移SPWM技术、同步相移SPWM技术、消谐波技术和优化的PWM技术是针对传统级联型逆变器的控制方法，混合载波频率调制的SPWM技术是应用在混合级联型逆变器中。

(一)载波相移SPWM技术(CarrierPhaseShiftingSPWM—CPS—SPWM)

级联型逆变器是以电压型单相H-桥为基本单元。载波相移SPWM调制方法的基本原理是，对于由个单元H-桥组成的单相逆变器，各个单元H-桥都采用低开关频率的SPWM的调制方法，每个单元H-桥都采用同一个调制波，用个三角载波分别进行调制，各三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度，从而使每个单元H-桥输出的SPWM脉冲错开一定的角度，等效开关频率大大增加，经过叠加后逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，选择合适的相移角度就能使输出电压的谐波含量大幅度减少。利用相移SPWM技术进行调制的三相逆变器，三相正弦波依次相差120°，每相各单元载波的变化如上所述。

每个单元H-桥均采用SPWM调制，载波比为kc，载波频率为fc，采用不同的调制方法，输出电压波形也有差异。本文采用单极性调制，N个载波依次相移π/Nkc角度，N个SPWM脉冲错开一定的角度，等效载波频率为2Nfc，输出的相电压是2N1个电平的阶梯波，星型或三角形连接的三相变流器的输出线电压是4N+1个电平的阶梯波。载波相移SPWM的原理示意图如图1-1所示。由5个单元H-桥组成的逆变器，载波n1用来调制第n个单元模块的一个桥臂(n=1,2,3,4,5)。

图1-1载波相移SPWM的原理示意图

在每个单元模块中，SPWM的控制方式常用单电压极性方式。对于单相全桥逆变电路，由于电路中含有两个桥臂，四只功率开关管，为实现单电压极性的SPWM切换，方式如下：

图1-2单电压极性切换逆变器的输出波形(N=10)

如图1-2所示，载波为全波三角波，正弦波大于三角波的部分，晶体管VT1导通，逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。UA0=US/2;小于部分，晶体管VT4导通，UA0=-US/2，每半个基波周期内加在负载上的电压方向不变，极性在“零”和“正”之间跳变。具体输出波形如图1-2所示，其中N=10,从图中可以看到UA0和UB0在一个基波周期内有10个矩形脉冲，UAB在一个基波周期内有20个脉冲,即在输出端的频率为开关频率的2倍，产生了倍频现象。

与双电压极性切换PWM逆变器相比，它能够在开关频率不变的情况下，使一个周期内正弦波包含的矩形脉冲数“加倍”，有利于减小谐波。若载波比为偶数，则低次谐波将出现在2ft的边带上。这是因为左桥臂的输出电压UA0和右桥臂的输出电压UB0相位角相差180度;N为偶数时，UA0和UB0在开关频率处的谐波分量相位相同，于是输出电压UAB=UA0-UB0在开关频率处的谐波可以相互抵消，开关频率处的边带随之消失。

载波相移SPWM技术是专门针对级联型变换器提出的，它具有控制方法简单，电平阶数多，等效开关频率高，谐波含量小，传输带宽宽，控制线形度好的优点，是级联型变流器普遍采用的方法。

(二)同步相移SPWM技术(SynchronousCarrierPhaseShiftingSPWM–SCPSPWM)

这种方法同载波相移SPWM技术一样，具有电平阶数多，谐波含量小，等效开关频率提高到单元模块开关频率的2N倍，因此，输出波形也非常接近正弦波。相对于载波相移SPWM技术，同步相移SPWM的主要优点是计算方法非常简单，节约了大量的时间，且单元模块的程序易于实现统一化，可以很方便的应用于实际系统中。

同步相移SPWM的基本原理是，N个单元模块组成的单相逆变器，其调制波不是一个，而是有N个幅值和频率相同的调制波，这N个调制波同载波一样依次相移π/Nkc角度。这样每个单元模块的PWM脉冲完全一样，只是各个单元模块间依次错开固定的时间开始发波。因此，相对于载波相移SPWM技术而言，只需计算第一个PWM脉冲的采样值，依次错开固定时间后分别触发其它N-1个单元H-桥，不需要计算5个PWM脉冲的采样值，大大减少了计算量。由5个单元H-桥组成的单相级联型逆变器，图1-3是同步相移SPWM的原理示意图，载波n1用来调制第n个单元模块的一个桥臂(n=1,2,3,4,5)，ABCDE五个正弦波分别是五个单元模块的调制波。

(三)多电平消谐波技术(Subharmonic—SHPWM)

SHPWM技术的基本原理是每相使用一个正弦调制波与几个三角载波进行比较，以一个n电平的逆变器为例，每相采用n-1个具有相同频率fc和相同峰值Am的三角载波与一个频率为fm，幅值为Am的正弦调制波相比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角载波幅值，则开通相应得开关器件，反之，则关断该器件，为了使n-1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且整个载波集对称分布在零参考的正负两侧。对于一个n电平的逆变器，幅度调制比和调制度分别为：

ma=Am(n-1)Ac(1-1)

mf=fcfm(1-2)

图1-4多电平消谐波技术(SHPWM)原理示意图

根据载波相位的不同，SHPWM调制方法可以分为以下三种情况：1)所有载波自上而下相位交替反向和同相，称为APOD型;2)所有位于0以上的载波同相位，所有位于0以下的载波具有相反的相位，称为POD型;3)所有载波的相位相同，称为PD型。

(四)优化的PWM调制方法

在低压逆变器中，直流电压利用率是指当调制度M=1时，逆变器输出的基波电压幅值与直流电源电压Udc的比值。提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力。通过对SPWM输出波形的谐波分析可知，SPWM三相逆变器输出线电压的基波幅值为3MUdc/2，线电压直流电压利用率只有3/2≈0.866<1，直流电压利用率不高，这是SPWM的缺点之一。为了提高直流电压利用率，在SPWM技术的基础上，主要有几种优化PWM调制方法：线电压控制的三相SPWM技术、空间矢量法、优化阶梯波脉宽调制等。这几种方法的共同点是：将正弦波的峰值消成平顶波，以增大调制度，从而提高直流电压利用率。利用SPWM进行调制的级联型变频器，不可避免的具有直流电压利用率低的缺点。因此，本文将普通逆变器常用的几种方法引用到级联型中高压变频器中，并进行相应的仿真分析。注意，此时所说的调制度M是指正弦波的幅值与载波幅值之比。