PWM脉宽调制式逆变器

逆变器的脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)是用一种参考波(通常是正弦波，有时 也用阶梯波或方波等)为“调制波”(modulating waves)，而以N倍于调制波频率的正三角波(有时也 用锯齿波)为“载波”(carrier wave)由于正三角波或 锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调 制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正 比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波 ，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的 通断控制，把直流电变成交流电，这一种技术就叫 做脉宽调制技术脉宽调制技术与多重叠加法相比较，有以下 显著的优点： 1）电路简单，只用一个功率控制级就可以调 节电压输出，又可以调节输出频率 2）可以使用不可控整流桥，使系统对电网的 功率因素与逆变器输出电压值无关 3）可以同时进行调频、调压，与中间直流环 节的元件参数无关，系统的动态响应速度快 4）可以获得更好的波形改善效果RPWM是波形调制式PWM逆变器中 最简单的一种当逆变器的转换次 数限制在30次以内时，RPWM调制 波是最好的单脉冲RPWM逆变器多脉冲RPWM逆变器三相RPWM逆变器SPWM正弦波脉宽调制法（Sinusoidal PWM）是调制波为正弦波、载波为三角波 或锯齿波的一种脉宽调制法。

二阶式与三阶式脉宽调制方法所谓阶是 指PWM式逆变器输出电压的电平数二阶 式的PWM波形有正、负两个电平（双极性 调制），三阶式的PWM波形有正、负和零 三种（单极性调制）调制波起始点在三角波的正负峰值处时， 输出电压中含有正弦项和余弦项；而调制 波起始点在三角波起始点在三角波上升或 下降沿零点处时，输出电压中只含正弦项 ，波形对称于原点所以，就输出波形而论，正弦调制波起始 点取在三角波的上升或者下降沿零点处为 好，它可以得到对称于原点的奇函数波形 ，这一点在N值较小的同步应用时是很重要 的就输出波形而言，N=奇数为好，它可以使输出电 压中的谐波全为奇次谐波，所得到的波形既对称于 原点，又对称于纵轴（镜对称），所以是奇次谐波 函数当N=奇数时，比较正弦波起始点位置在下降沿零 点处和在上升沿零点处两种波形可知，上升沿零点 处，所得波形的第一个脉冲是负脉冲，而且当N值 很小时波形很差，不如起始点在下降沿零点处所以在选择调制波起始点的位置和选择N等于奇数 或偶数时，应选取起始点在下降沿零点处，N=奇 数为最好为了得到较好的输出波形，必须做到以下三 点：1）SPWM中的调制波与载波必须同步工作 ，即N=正整数。

2）N必须取奇整倍数，以保输出波形为奇 谐波函数，既对称于原点，又对称于横轴 3）正弦调制波起始点的位置必须在三角波 的下降沿零点处，在N值很小时这一点尤为 重要所谓过调制即调制度M>1的调制在M=0～1区间内，基波幅值随着M的增大 而线性地增加；在M= 1～3.24区间内，基波幅值随着M的 增大而呈非线性增加；在M>3.24时曲线呈饱和状态，基波幅值不 再随M的增大而增加载波用三角波的三阶SPWM波形的谐波含 量比载波用全波三角波的二阶SPWM波形 的谐波含量要小两个相位相反的二阶SPWM波相减，就得 到了一个N=2N’的三阶SPWM波，而两个 二阶SPWM中的载波、载波的奇次谐波， 以及它们的上下边频都被消除掉了虽然N都等于9（是奇数），但调制波起始点位置不同，所得到的波形 也就不同比较线电压的波形与谐波分析结果，得出以下结论： 调制波起始点位置在三角波下降沿零点处的波形较好，它既对称于原 点，又对称于横轴当N的数值较高时，调制波起始点位置与N取奇数 还是偶数对波形的影响很小，可以随便选取，调制 波与载波可以同步工作，也可以非同步工作；当N的数值取得较小时，例如N0.866.其原因是通过O’ 点电位按三次谐波浮动，为每相电压注入了同样的 3次谐波，使合成相电压对直流电源中点O的峰值 降低。

SPWM与多重叠加法的联合应用可以 是调压和扩容都很方便，因此在中、大 型逆变器中得到了广泛应用 在实际应用中，采用SPWM与多重叠 加法联合应用的目的有两个： 一是扩容 二是调压以三相逆变器为例，当一台三相SPWM逆变器的 容量不够时，可以采用两台三相SPWM逆变器的 二重叠加，并采用二重叠加SPWM控制，使逆变 器的容量成倍增大，并使SPWM逆变器的谐波进 一步减少SPWM逆变器多重叠加的联结方式有两种：Ø变压器连接方式Ø电抗器连接方式为了使电路简化，多采用电抗器连接方式左图为利用电抗器连接的三相SPWM 逆变器的二重叠加电路，本来用SPWM就已 经消除了某些低次谐波，因此在进行二重 叠加时，应以消除载波谐波分量为目的， 这样消除谐波的效果就更好，为了消除载 波谐波，在左图中两个单元三相SPWM逆变 器的载波信号的相位，互相错开180°，这 样就可以得到左侧的波形 二重叠加前，SPWM单元逆变器， SPWM单元逆变器的输出电压的阶高为±E ；二重叠加后的电压的阶高减小到E /2， 其优点是对负载的电压冲击减小了一半， 线电压的阶高为0，±E/2和±E，波形叠加 合成用的限流电抗器工作在载频状态，其 电压和时间的乘积是以载波频率为基准， 电抗器的工作频率提高N倍，因此电抗器的 体积和重量将大大减小，当载波比较大时 ，只要很小的电抗器就可以达到限流的目 的。

三相SPQM逆变器二重叠加后，其输出 电压所包含的谐波中，载波的变频谐波带 全部被消除了，最低次谐波由叠加前的载 波频率上升到2倍的载波频率带这种逆变器波形的改善，主要是以 SPWM为主，二重并联叠加主要是为了扩容 ，因此这种叠加控制方式只适合于中等容 量逆变器的扩容使用纯方波逆变器的多重叠加，方式虽然简单可靠，但 输出效果差，且不能实现闭环控制，难以调节输出电 压波形，而采用SPWM逆变器的多重叠加，由于在大 功率逆变器中实现了SPWM控制，因而可以大大地改 善输出电压的调节，优化系统性能指标 采用SPWM单元逆变器的目的主要是为了调压，因 而SPWM单元逆变器的载波比可以选到最低，考虑到 三相应用，载波比可以取3，这样，单元逆变器就可 以选用低速开关器件，如GTO等，为了很好地改善输 出电压的波形，消除谐波，可以选用多个低开关频率 的SPWM逆变器进行多重叠加假定有N个采用低速开关器件的低开关频率SPWM单元逆变 器，它们具有相同的载波比F和相同的调制度M，载波都采用 三角波，为了进行多重叠加，各单元逆变器载波三角波的相 位依次滞后2π/NF进行移相，N个单元逆变器共用一个正弦 调制波，采用输出变压器次级进行串联叠加方式的N个移相 SPWM单元逆变器的多重叠加。

对输出电压进行谐波分析为了进行有效的谐波分析和比较，采用了波形畸变系 数THD式中， 为对应调制度M的基波分量有效值和i次谐 波分量的有效值为了比较N个移相SPWM单元逆变器的多重叠加 与普通SPWM逆变器谐波含量的大小，我们将N=5， F=3的5个移相SPWM单元逆变器的多重叠加，以及 N=1，F=15的普通SPWM逆变器比较，两者总的开 关次数是相同的，而5个移相SPWM单元逆变器多重叠 加逆变器中，各单元SPWM逆变器的开关次数为F=3 ，只相当于普通SPWM逆变器的1/5，大大低于普通 SPWM逆变器当调制度M从0.1变化到1时，移 相SPWM逆变器多重叠加的波形 畸变系数THD基本不变，且数值 较小，大大优于一般SPWM逆变 器UM=1时的基波分量有效值为 U1max ，U1/U1max为归一化的基 波分量有效值，N=5，F=3的移 相SPWM逆变器多重叠加的M与 U1/U1max成正比，故可以通过调 节M线性地调节输出电压，同时 也可知，随着M的变化，THD基 本不变，这就说明,在通过M调 节输出电压的同时，谐波分量基 本不变由于这种逆变器的波形改善主要是以多重叠加为 主，SPWM主要是为了调压，所以这种移相SPWM逆 变器多重叠加方式很适合于大容量与特大容量逆变器 使用。

除了通过输出变压器的次级绕组进行串联叠加，如果 采用具有单独直流电源的单相全桥逆变器（Full-Bridge Inverter，简称FBI）时，就可以不用输出变压器，而采用直 接串联叠加的方式，这样的叠加方式还可以解决高压大功率 开关器件串联应用时的均压难题直接串联叠加方式中的单相全桥逆变器FBI， 可以工作在二阶SPWM状态，也可以工作在三阶 SPWM状态，并且其中的每一个FBI都工作在三阶 SPWM状态时，就可以使输出电压波形得到进一 步的改善如果FBI采用IGBT作开关，把FBI的开 关频率提高到基频的100倍时，就可以使输出电 压达到完美无谐波的程度当采用N个具有单独直流电源的SPWM单相全桥逆变器直接串 联叠加时，在A相输出电压中将得到（2N+1）个电平的电压输出 在输出电压的双重傅里叶级数中可以消除NF±1次以下的谐波在有限的单相全桥逆变器个数N和有限的载波比F的 条件下，用N个SPWM FBI的直接串联叠加，能够更有 效地消除低次谐波，它比多重叠加法多消除F/2倍的 低次谐波，比SPWM法多消除N倍的低次谐波，故称 为无谐波（Harmony）逆变器这种逆变器已在美国罗宾康公司生产的高压大功率 变频器中得到应用，称为完美无谐波高压变频器（ Perfect Harmony）。

容量可达315kW～10000kW ，输出波形能满足各国供电部门对谐波的最严格要求 ，无需再附加交流输出滤波器，变频器的总体效率高 达97%.以扩容为主要目的联合应用，消除谐波主要靠SPWM ，是以SPWM为主的一种应用方式，多重叠加（一般 为二重）叠加只是为了扩容，所以这种联合应用方式 主要应用于SPWM逆变器的并联与扩容，多重 叠加方 式一般为二重等幅并联叠加 以调压为主要目的的联合应用方式，消除谐波主要靠 多重叠加，是以多重叠加为主的一种应用方式， SPWM只是为了调压，所以这种联合应用方式主要应 用于大型与特大型多重叠加逆变器的调压与闭环控制 ，正弦脉宽调制度载波比一般为3.以扩容为主要目的联合应用，消除谐波主要靠SPWM ，所以它的叠加合成波形具有SPWM特点，仍然是 SPWM波形，只不过电压波形上增加了一个反应 多重叠加的台阶 以调压为主要目的的联合应用，消除谐波主要靠多重 叠加，所以它的叠加合成波形具有多重叠加的特点， 仍然是阶梯波，只不过在阶梯波波形上增加了几个反 应SPWM的小脉冲SPWM与多重叠加法联合应用后，具有较好的波形改善性能与调 压特性，它把SPWM与多重叠加法的优点集中到了一起，所以闭 环控制与扩容都比较方便，只不过使主电路与控制电路都具有不 同程度的复杂化。

SPWM与多重叠加法的联合应用在某种程度上可以减少逆变器的 开关频率，减小开关损耗，特别是以调压为主的联合应用，使单 元逆变器的开关频率降低到了3，大大低于一般SPWM逆变器，可 以使用像GTO那样的低速开关器件，为采用低速开关器件，制造 调压与消除谐波性能都比较好的高性能高效率逆变器创造力条件 SPWM与多重叠加法的联合应用既适用于电压型逆变器也适用于 电流型逆变器；既可以用输出变压器的次级绕组串联叠加，或直 接串联叠加，也可以用限流电抗器并联叠加；既可以变幅叠加， 也可以等幅叠加，叠加参数的计算用多重叠加法中的分组特性和 余弦规律的方程式进行载波为全波三角波的SPWM逆变器的采样有两种 方法： 自然采样法：由高频载波三角波与正弦调制波 的交点来自然地确定脉冲的采样点和开关点，即 自然采样法的采样点与开关点重合，采样点不能 预测 规则采样法：在载波三角波的固定点对正弦波 进行采样，以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并 不管此时是否发生正弦调制波与载波三角波相交 1）基波幅值与调制度M成正比，有利于调压：2）高次谐波随着载波比N与调制度M的增大而减小，有利于 波形的正弦化，适合于N大于。