青岛科技大学本科毕业设计（论文）1.绪论载波相移技术是一种适用于大功率变流器的优秀调制策略，能够在较低的器件开关频率下，通过组合装置中各变流器单元开关间的相互配合，实现较高等效开关频率的效果，不但使SPWM技术应用于特大功率场合成为可能多电平电路是指其输出具有多个电平的大功率变换电路和其它电路相比，多电平电路不是依靠高开关频率来实现谐波抑制的，而是通过特定的电路拓扑来提高电路的总容量和输出电压的总电平数，并使输出接近正弦波，从而实现扩大容量和抑制谐波的作用由于其独特的优势，自其诞生的那天起，发展就十分迅速，现在已成为电力电子学科发展前沿之一多电平变流器的拓扑结构多种多样，近年，多种新型拓扑不断涌现，但目前已经工业化应用的多电平变流器拓扑结构主要有三相中点钳位型和级联型两种，其中级联型拓扑又以易于模块化、直流侧相互独立等显著优点被人们广泛应用于各种大功率电力电子装置中对于级联型变流器而言，目前广泛采用的开关调制技术是载波相移 SPWM 技术，该技术具有开关负荷均衡、谐波特性优越等优点，能在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率的输出载波相移 SPWM 技术在理论上和实践上取得了很多重要的成果，已经成为级联型多电平变流器的标准调制技术。
当今，随着数字信号处理器(DSP)，现场可编程门阵列(FPGA)等数字控制芯片成本的降价，其应用也越来越广泛数字控制以其灵活性等特点，在很多领域内正逐步取代模拟控制，成为控制系统的新趋势因此，不久的将来，数字控制必然将在控制领域占据主导地位随着数字控制技术的蓬勃发展，载波相移 SPWM 技术的数字化也成为了一种趋势然而，在载波相移调制技术数字化的过程中，遇到了一个棘手的问题，即 PWM 脉冲发生器的问题载波相移 SPWM 技术对 PWM 发生器数目的要求是极其庞大的对于一个三相 2N+1 电平的级联型多电平变流器而言，采用载波相移 SPWM 调制时需要 6N 对互补的 PWM 驱动脉冲，即 6N 个 PWM 发生器目前，常用的工业用的 DSP 芯片，如 TI 公司的TMS320LF2407和TMS320F2812，均只有6个能够生成互补脉冲的PWM1发生器，也就是说，以现有的硬件资源只能实现对三相三电平的控制如果需要更多的 PWM 发生器，只能通过 FPGA 扩展实现即便如此，数量庞大的 PWM 发生器依旧会占用大量的系统资源为了改善和优化载波相移 SPWM 数字化实现面临的问题，本文将单极性 SPWM 技术引入到载波相移 SPWM 技术之中，提出了一种新型载波相移 SPWM 技术，简称CPS-SPWM技术。
这种新型调制技术与传统调制技术相比，能够在不改变系统性能的情况下省去一半的 PWM 发生器因此，新型载波相移 SPWM 技术节省了硬件资源，大大降低了系统的成本，对载波相移 SPWM 技术的数字化实现有着重要的理论意义和实用价值载波相移SPWM技术主要是用于组合变流器或级联多电平逆变器，具有等效频率高，开关损耗低，大大减小了所需要的无源滤波装置的尺寸和容量；同时，相移SPWM组合变流器传输线性好，传输频带宽，容易引入一些优秀的控制方法因此，CPS-SPWM技术在大功率场合得以广泛应用相对于CPS-SPWM技术，CPS-SVM技术最初是建立在交流异步电机磁场理论基础上的一种调制策略，但随着技术的不断改进，逐渐成为一种能够普遍应用的PWM技术它具有直流电压的利用率比SPWM提高15%；采用最小开关损耗时，开股器件的开关损耗降低1/3；调制方法便于和数字实现但其不足是在多数情况下必须通过变压器或电抗器实现变流器单元间的联结，使其应用受到效率、体积和价格方面的限制本论文主要通过对载波相移技术的理论研究，载波相移在载波相移SPWM技术中的具体体现和在三电平变流器中的应用，系统的介绍载波相移技术1.1移相载波技术的发展目前，大功率变流器主要包括普通变流器（又称为两电平变流器），组合变流器，多电平变流器。
其中多电平变流器又分为二极管箝位型多电平变流器、电容箝位型多电平变流器和级联H桥多电平变流器传统大功率变流器由于体积大、性能差以及对电网产生较多谐波，因此应用领域越来越多的受到限制多电平变流器具有输出功率大、器件开关频率低、变流器等效开关频率高、输出谐波小、动态响应快、传输频带宽、电磁兼容性好等优点而得到人们的普遍关注为满足大功率变流器的发展，人们引入了各种先进的控制策略，优化整个系统的性能指标人们陆续的提出了载波相移SPWM技术（CPS-SPWM）和相移SVM技术(CPS-SVM)近年来，正弦脉宽调制（SPWM）技术以其优良的传输特性成为电力电子装置中调制技术的基本方式SPWM技术可以看成为一种采样技术要求输出较好的反映输入的条件是，要有较高的采样频率从频域模型上来看，SPWM的载波频率越高，载波谐波和边带谐波的次数越高，越容易滤除但是，大功率器件（如GTO晶闸管、大功率IGBT、SITH等）的开关频率往往较低因此，在一些特大功率场合，多重化和PWM技术的并用成为关键技术在此背景下由张仲超教授和加拿大Boon-Teck Ooi教授提出了组合变流器载波相移SPWM（CPS-SPWM）技术。
与SPWM技术相对应的电压空间矢量调制（SVM）技术是建立在交流异步电动机磁场理论上的一种调制策略，受CPS-SPWM技术启发，融合SVM方法而得到一种适合多电平变流器的空间矢量调制方法，得出了CPS-SVM1.2载波相移技术的应用载波相移技术主要应用于大功率场合，如中高压电动机传动，、有源电力滤波、超导储能等场合,多重化或者多电平变流器与PWM技术往往需要配合使用1)载波相移技术在CPS-SPWM技术中的应用载波相移 SPWM 调制法的基本思想是 N 个串联的逆变器单元均采用低开关频率的 SPWM，具有相同的频率调制比 和相同的幅度调制比 ，并采用共同的正弦调制波信号，而各个逆变器单元的三角载波的相位角依次相差 360 / （N k），利用SPWM 调制的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生载波相移 SPWM 波形CPS-PWM技术可以在较低的开关频率下实现较高开关频率的效果，使SPWM技术应用于大功率场合成为可能，而且在提高装置的容量的同时，有效的减小了谐波的输出，提高整个装置的信号传输带宽考虑到各种PWM技术在本质上的一致性，因此一些特性更好的PWM技术完全有可能被引入载波相移技术，也就是CPS-SPWM技术的拓展应用。
2)载波相移技术在CPS-SVM技术中的应用载波相移SVM简言之就是将各个变流器单元的采样时间错开具体来讲，在组合变流器中，Lx个变流单元在相同调制比Kc、幅度调制比m下，进行SVM；各变流器单元采样时间相位差依次为2π/（LxKc）由于CPS-SVM技术尚存一定缺陷，这里只作简要介绍1.3论文的主要内容本文在大量阅读国内外相关文献的基础上，提出了一种新型载波相移 SPWM 技术（CPS-SPWM）本论文重点介绍了载波相移技术的基本原理，载波相移SPWM技术理论，自然采样中的对称规则采样和不对称规则采样，三电平以及载波相移SPWM在单相和三相三电平逆变器中的应用最后，通过与传统载波相移SPWM技术相比总结了载波相移技术的优势和不足，提出一些其他的调制方法，并展望其发展前景2.载波相移SPWM技术的理论研究CPS-SPWM技术是一种适用于大功率变流器的优秀调制策略，能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果，有效的减小输出谐波，提高了信号传输带宽因此，CPS-SPWM技术在大功率逆变器中得以广泛应用2.1载波相移SPWM技术的基本原理及简要数学分析载波相移SPWM技术实质上是SPWM技术与多重化技术的有机结合，下面将详细介绍载波相移技术的基本原理和简要数学分析2.1.1载波相移SPWM技术的基本原理图2-1组合变流器相移SPWM技术的原理载波相移SPWM技术的基本思想是：在变流器单元（指电压型三相六开关变流器）为N的电压型组合变流器中，各变流器单元采用共同的调制波信号Sm，频率为w。
各变流器单元三角载波频率为，将各三角载波的相位相互错开三角载波周期的1/N，以二逻辑组合变流器相移SPWM为例，如图2-1a，（变流器单元数N=5,SPWM频率调制比Kc=3，幅度调制比=0.8）图2-17b所示的N个变流器单元的输出N个变流器单元的输出波形，如图2-17c所示对输出进行频谱分析，变流器单元之一的输出波形的频谱如图2-17d所示，叠加后组合变流器输出波形频谱如图2-17-e所示叠加后谐波得到了有效抑制2.1.2电压型SPWM波形的简单数学分析电压型SPWM的调制如图2-2a所示三角载波与正弦调制波相比较，焦点作为开关点以变流器直流侧电容中点N作为参考点，交流侧电压如图2-2b所示SPWM输出幅值为变流器直流侧电压的1/2，记为E，正负两种电平，称为“二逻辑信号” 、分别为调制波和调制载波的相位T为调制波的周期调制波信号表示为式中，为调制波频率；为调制波幅值，不大于三角载波幅值三角波信号以c为脚标，幅值设为π/2，频率为，相位为图2-2 自然逻辑采样二逻辑SPWM调制对SPWM做二重傅立叶分析，得图2-18b所示的SPWM输出的傅立叶表达式为 （2-1）式中，幅值系数,除以上情况外均为0。
1.基波分量 = （2-2） 2.载波谐波当K=m(m=1，2，3，……,)时， （2-3） 式中，为零阶贝塞尔函数当m为偶数时，=0，所以载波谐波的次数仅限于奇数次，如，3，5…载波谐波的相位与调制波的相位无关，仅仅取决于载波本身3.边带谐波当K=m+n时（m=1，2，3，…；n=…） （2-4） 式中，为n阶贝塞尔函数边带谐波的频率为、、、…，其相位同时依赖于调制波相位和载波相位2.1．3载波相移SPWM波形的简单数学分析假设由N个变流器单元构成的组合变流器，采用载波相移SPWM技术，其中第L个变流器单元输出波形的傅立叶级数展开为 （2-5）变流器单元的输出波形叠加后，总的输出为 = = = （2-6）在参考文献[8],对式（2-6）进行了详细的数学分析，结论是组合变流器总输出的幅值系数除以下情况外，均为0.1.基波分析 = (2-7) 2.载波谐波当K=MN时，M=1，2，3，…, (2-8) 3.边带谐波当K=MN+n时（M=1，2，3，…；N=…） （2-9） 可以看出，组合变流器的总输出是各单元变流器输出信号的代数和，传输功率比单个变流器提高了N倍，同时完全保留了单个变流器单元的传输特性。