原创 电压型正弦波脉宽调制逆变器研究

1 概述
    逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点：
（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。
（2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。
（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。

2 SPWM 逆变器原理
2.1 SPWM 波形
    所谓的SPWM 波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形如图1 所示，等效的原则是每一区间的面积相等。如图把一个正弦波分作几等分（如图1a 中，n=12）然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合（如图1b），这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM 波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。
 
    图2 为SPWM滤波线为等效正弦波UmSinω1t,SPWM 脉冲序列波的幅值为Us/2,各脉冲不等宽，但中心间距相同为π/n ，n 为正弦波半个周期内的脉冲数，令第i 个矩形脉冲宽度为δi , 其中心点相位角为θi ，则根据面积相等的等效原则，可分成
 
    这就是说，第i 个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比，因此半个周期正弦波的SPWM 波是两侧窄，中间宽，脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。
 
2.2 SPWM 调制及逆变桥工作原理
    今以SPWM 三相逆变桥为例进行说明，SPWM三相逆变器主电路由六个全控式功率开关器件构成三相逆变桥，它们各有一个继流二极管反并联结，整个逆变器由三相不可控整流器提供电压为Us的直流电压。图3 为单极式脉宽调制波的形式图。a 图中Ut 为等腰三角形的载波，Ura 及Ura’为正弦调制波，调制波和载波的交点决定了SPWM 脉冲序列的宽度和脉冲间的间隔宽度，如图b 所示，当A 相的Ura＞Ut 时，VT1 导通，输出正弦脉冲电压Us/2，当Ura＜Ut 时，VT1 关断Uda=0,在Ura 负半周，用同样方法控制VT4，输出负的脉冲电压序列，改变调制波频率时，输出电压基波频率随之改变，降低调制波幅值时如Ura，各段脉冲的宽度变窄，输出电压基波幅值减少。这种SPWM 每相只有一个开关器件反复通断，称单极性SPWM 波形。
  
    若有同一桥臂上下两个开关交替地导通与关断，则输出脉冲在“+”和“－”之间变化，这样得到双极式的SPWM 波形，如图4 所示，其调制方法与单极式相似，只是输出脉冲电压的极性不同，当Ura＞Ut 时，VT1 导通VT4 关断，Uao=+Us/2；当Urs＜Ut 时VT1 关断，VT4 导通，输出相电压Uao=-Us/2,同理VT3 和VT6，VT3 和VT5 交替导通得到UAO，UCO 如图c 和d 所示，UAB=UAO-UBO，可得逆变器输出的线电压波形UAB=f(t)如e 所示。
 

3 SPWM 波形的分析
    对负载(交流异步电机)来说，有用的是电压的基波，希望SPWM 波形中基波成分越大越好，通过对SPWM 脉冲序列波U (t)展开成付利叶极数分析可知，输出基波电压幅值Um 与δi 有着直接的关系，它说明调节调制波幅值从而改变各个脉冲宽度时，可使逆变器输出电压基波幅值平滑调节。
     SPWM 逆变器输出脉冲序列波的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波，当然这必须是在满足n 不太小
  近似条件下得到的。
    但SPWM 逆变器输出相电压的基波幅值有常规六拍阶梯波的86%～90%，为弥补这一不足，常在SPWM 逆变器的直流回路中并联相当大的滤波电容，以提高逆变器的直流电压Us.
    由以上分析可知n 越大即功率开关器件半周内要开关n 次，脉冲数n=N/2，其中N 为载波比，即：
N=ft/fr=载波频率/参考调制波频率
    即希望N 越大越好。但从功率开关器件本身的允许开关频率来看，N 不能太大：
N ≤功率开关器件的允许开关频率/最高的正弦调制信号频率
    上式中分母实际上就是SPWM 变频器的最高输出频率。现常用功率开关频率如下：
BJT（1～5 kHz） GTO(1～2 kHz)
MOSFET（50 kHz） IGBT（20 kHz）
    随着全控型快速半导体器件性能价格比的提高和PWM 技术的日渐完善和新技术新工艺新材料的使用，SPWM 技术将在电气传动及电力系统中得到更广泛的运用。