基于SPWM 控制策略的逆變器諧波分析

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 高少波 康真威

本文對多種PWM控制技術(shù)進(jìn)行研究，通過對逆變器交流側(cè)電壓的FFT分析，得到不同控制策略下的諧波分布。對比各種SPWM控制技術(shù)，倍頻SPWM控制策略具有其高頻優(yōu)勢，其低次諧波和高次諧波相對較小，總諧波畸變較小，在不考慮濾波電容設(shè)計(jì)的情況下，具有較好的諧波運(yùn)行特性。

隨著ICBT等快速發(fā)展的可控電力電子器件，有力地促進(jìn)了交流傳動技術(shù)的進(jìn)步。由于許多脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的涌現(xiàn)，各種常用型號和規(guī)格的彩色轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品層出不窮，特別是級聯(lián)式多電平逆變器，它采用串聯(lián)功率單元的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，對電網(wǎng)的諧波污染很小，輸出電壓和電流的諧波含量低，這是最有前途的技術(shù)之一。逆變器中最成熟的全橋逆變器，其控制方式分為雙極性和單極性，與雙極性相比，單極性控制方式具有損耗低、電磁干擾小、開關(guān)諧波小等優(yōu)點(diǎn)。本文對各種常見SPWM控制策略進(jìn)行概述分析對比，在高頻領(lǐng)域，單極性PWM，特別是倍頻PWM控制技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在開關(guān)損耗及高頻諧波等方面具有較好的運(yùn)行特性，在很大程度上減少了功率器件，降低了開關(guān)損耗，提高了PWM逆變器的工作效率。

1 基本操作方法

逆變器的基本操作思想是通過控制功率電子開關(guān)器件（如MOSFET、IGBT等）的高頻開關(guān)，實(shí)現(xiàn)從直流輸入到交流輸出的轉(zhuǎn)換。為了輸出期望的波形（如正弦波），必須合理控制開關(guān)器件的通斷時(shí)間（即占空比），最常見的方法是脈寬控制（PWM），PWM控制技術(shù)是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。其控制方式是控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，并用這些脈沖代替正弦波或所需的波形。換言之，在輸出波形的半周期內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使得每個(gè)脈沖的等效電壓是正弦的，并且輸出平滑，低次諧波較少。每個(gè)脈沖的寬度按照一定的規(guī)則進(jìn)行調(diào)制，可以改變逆變器電路的輸出電壓和頻率，其次，所謂SPWM，它通過改變輸出方波的占空比來改變等效輸出電壓。廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速和閥門控制，如我國電動車電機(jī)調(diào)速就是采用這種方式。

SPWM控制技術(shù)的基本原理是通過高頻載波的方式，對實(shí)時(shí)信號通過逆變器進(jìn)行斬波放大，而信號的質(zhì)量與載波頻率比相關(guān)，在實(shí)際工程研究中，信號載波頻率比通常須大于一定比例方能保證信號質(zhì)量。同時(shí)，也正是由于開關(guān)器件的高頻作用，使得輸出波形中存在大量的諧波，對電能質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此，本文從PWM控制策略出發(fā)，對降低逆變器輸出諧波的方法進(jìn)行了分析比較。

圖1 雙極性SPWM控制波形圖

圖2 雙極性SPWM仿真圖

圖3 單極性倍頻SPWM控制波形圖

圖4 單極性倍頻SPWM仿真圖

2 SPWM控制策略對比分析及仿真

2.1 雙極性SPWM控制技術(shù)

SPWM控制技術(shù)主要分為雙極性PWM和單極性PWM控制兩種。由于原理簡單，變量較少，雙極性SPWM是最常用的載波控制方式之一，雙極性SPWM控制技術(shù)原理如圖1所示。

在一個(gè)周期內(nèi)，載波信號是連續(xù)變化的雙極性三角波(或鋸齒波)，而經(jīng)過全橋逆變器后，輸出電壓波形并不是單一極性，而是正負(fù)極性三電平。輸出電壓在半個(gè)周期內(nèi)，如果正電壓的平均值在半個(gè)周期內(nèi)大于負(fù)電壓的平均值，則相當(dāng)于輸出電壓的正半周期，否則為輸出電壓的負(fù)半周期。

根據(jù)其原理，設(shè)計(jì)基波頻率500Hz，載波頻率10kHz，低通濾波頻率2kHz的仿真模型，仿真波形及諧波成分如圖2所示。

從原理及仿真結(jié)果可看出，雙極性SPWM控制技術(shù)的諧波成分相對較多。

2.2 單極性倍頻SPWM控制技術(shù)

單極性倍頻SPWM是在單極性SPWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它具有輸出波形諧波抑制好、輸出電壓脈動頻率高、開關(guān)頻率相對較低的特點(diǎn)。根據(jù)輸出脈沖的特性，單極性倍頻調(diào)制的輸出脈沖與單極性SPWM調(diào)制的輸出脈沖相同。區(qū)別在于，由于載波頻率原則上是倍頻的，在驅(qū)動模塊驅(qū)動SPWM脈沖序列后，通過四個(gè)功率晶體管的不同工作模式，在功率器件相同的開關(guān)頻率下，逆變器的輸出電壓脈沖頻率是單極性SPWM調(diào)制的兩倍，因此這種調(diào)制又稱為雙SPWM調(diào)制。其工作原理如圖3所示。

根據(jù)同樣的仿真模型，可得出波形及諧波成分如圖4所示。

從原理及仿真結(jié)果可以看出，單極性倍頻SPWM控制技術(shù)的偶次諧波分布較小，失真率THD較低。

總結(jié)：在變頻器逆變器的各種SPWM控制方法中，每種方法都有各自的控制優(yōu)勢，但也有各自的控制缺陷。在高頻領(lǐng)域，特別是功率較大時(shí)，IGBT的開關(guān)頻率具有一定限制，倍頻SPWM技術(shù)可在一定程度上將載波頻率提高，而開關(guān)損耗降低，同時(shí)輸出電壓諧波和失真率可大大降低，其控制特性優(yōu)越，在多電平逆變器的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。