逆變器的PWM控制策略研究

張桂枝，郁 杰

(張家口職業(yè)技術學院電氣工程系，河北張家口075051)

1 引言

隨著電子器件性能的不斷提高，節(jié)能高效的交流調速控制系統(tǒng)占據(jù)調速控制系統(tǒng)的主導地位。其中交流變頻調速以其優(yōu)良的調速性能、明顯的節(jié)能效果，成為當今社會交流電機調速控制的首選方法。變頻器是變頻調速系統(tǒng)中的核心電器，而逆變器又是變頻器的重要輸出電路，逆變器的輸出電壓和電流波形直接影響電動機的運行性能。因此，研究逆變器的控制策略對確保逆變器輸出所需的電壓電流波形，保證交流電動機的優(yōu)良工作特性具有重要意義。目前應用最多的控制策略有正弦波脈寬調制(SPWM)法、電壓空間矢量PWM(SVPWM)法、特定諧波消除PWM(SHEPWM)法和開關頻率優(yōu)化PWM(SFOPWM)法等。

2 SPWM法

正弦波脈寬調制法的載波選用高頻的等腰三角波，調制波選用正弦波且要求其變化頻率和期望得到的正弦輸出波形頻率相一致，以載波與調制波二者的交匯點所對應的時刻點作為逆變器電子開關導通或關斷的切換點，這樣在半個調制周期中就可獲得中間最寬而兩邊逐漸變窄的一序列等高不等寬的矩形波，以此矩形波經(jīng)過驅動電路后作為逆變器開關的驅動脈沖序列，則可使逆變器輸出期望的正弦電壓。SPWM控制技術有單極性、雙極性兩種控制方式。如果載波在半個調制周期里，總呈現(xiàn)單一極性，即只為正信號或只為負信號，那么所獲的正弦波脈寬調制波也是單極性的，稱為單極性控制;如果載波在半個調制周期里，載波呈現(xiàn)正負信號連續(xù)交替變化，那么就生成同樣正負極性交替變化正弦波脈寬調制波，稱之雙極性控制。一般情況下，雙極性控制在三相逆變器中多用。二電平逆變器的雙極性SPWM波形如圖1所示。

圖1 二電平逆變器的雙極性SPWM波形

圖1 中ut為雙極三角形載波，uru、urv和 urw分別為 U、V、W 三相正弦調制波，uuo＇、uvo＇和 uwo＇為 U、V 和 W 三相輸出與直流電源中性點間的相電壓波形，uUV、uVW和uWU為逆變器輸出的三相線電壓波形。

3 SVPWM法

SPWM控制法的主要目的是使逆變器輸出正弦電壓波形，對逆變器輸出的電流未加控制，而電動機要實現(xiàn)恒轉矩控制時，不僅需要輸入正弦電壓也需要輸入正弦電流，以便在電動機空間產生圓形旋轉磁場(磁鏈圓)。這種用跟蹤圓形旋轉磁場的方法來控制逆變器的工作方式稱為磁鏈跟蹤控制，形成磁鏈圓是在交替變化使用不同電壓空間矢量作用下得到的，故亦稱為電壓空間矢量PWM法［1］，簡稱為SVPWM法。

SVPWM法在兩電平及三電平以上的多電平的控制應用中是類似的，電壓參考矢量均由某一三角形區(qū)域的三個開關矢量根據(jù)“伏秒積”相等理論合成，即:先用三角形區(qū)域的三個矢量分別乘以矢量自己的作用時間，再求三個乘積的和，就可得到一個作用周期的合成矢量。只要合理分配一個周期內三個矢量的作用時間，就可得到與參考電壓矢量一樣的空間合成矢量。SVPWM法可分為兩類:即最近矢量法和對比判斷SVPWM法;其中最近矢量法因其結構簡單、易控，應用比較廣泛。

逆變器所對應的電壓空間矢量隨電平數(shù)成級數(shù)增多。在兩電平中空間矢量的個數(shù)為8個，而三電平中空間矢量的個數(shù)為27，這樣合成某個電壓空間矢量時矢量可選范圍更大，所合成磁鏈更接近于圓形軌跡，輸出電壓諧波小，轉矩脈動減小，控制精度高;也可以通過合理選取不同電壓矢量的組合來達到保持電容中點電位平衡的目的。但電壓空間矢量增多時，在合成矢量時增加了很大計算量，控制電路也變得更為復雜，不易控制。另外，電平數(shù)增多時，所需開關數(shù)增加，開關損耗也相應增加。所以需要更為優(yōu)化的電壓空間矢量控制方法。

4 SHEPWM 法［2］

1963年F.G.Tumbull提出了消特定諧波的 PWM法。該法的目的是使逆變器輸出波形趨近正弦波，減少諧波分量，以滿足交流電機的需求。該PWM調制法的特點是直接計算如圖2所示逆變器輸出的相電壓PWM波形的各脈沖起始和終了相位 α1，α2，α3，α4，...，α2m，把相鄰相位間的位置設為“缺口”，恰當?shù)耐ㄟ^逆變器在半個周期中的多次換向來控制逆變器輸出的脈寬波形，再利用面積相等法把輸出的脈沖方波電壓轉換為等效的正弦波，消除某些特定諧波。每設一個“缺口”即可消去一種諧波。

圖2 逆變器的PWM波形

對圖2的PWM波形進行傅里葉解析，獲k次諧波相電壓幅值為:

其中Udc—變頻器直流側電壓;

αi—PWM波第i個開始或結束時的相位。

從原理上講，要消k次諧波分量，只要使Ukm=0，且使基波幅值U1m為要求的值，可從公式中解出對應的αi值。但是，因逆變器輸出的PWM波形在1/2及1/4周期中均呈軸對稱波形。有m個待定參數(shù)在1/4周期中，除了必須滿足基波幅值外，有m-1個參數(shù)可選，其表示可消除的諧波的數(shù)量，也即可消除m-1個不同次數(shù)的諧波。例如:m=5時，可消除4個不同次數(shù)的諧波。該方法在理論上雖然可消除指定次數(shù)的諧波，但是容易導致更高次的諧波增大。但，更高次的諧波對交流電動機運行特性影響較小，SHEPWM法的控制效果較為理想。該控制法由于求解數(shù)值方法復雜，不同基波頻率要求基波幅值不同，因此，該法不合適于實時控制。

5 SFOPWM 法［3］

開關頻率優(yōu)化PWM法也是經(jīng)過三角載波信號與調制波信號進行比較獲得所需的一系列脈沖信號，所不相同的是，調制波信號不再采用單獨的標準正弦波信號，而是把疊加了一定零序電壓的正弦波信號作為新的調制波信號，通常所疊加的零序信號為三次諧波電壓信號。設零序電壓為 Uo，三相均衡電壓參考值分別為:Ua，Ub，Uc，疊加了零序電壓后的三相電壓參考值分別為:Uaf，Ubf，Ucf，則各電壓之間的關系為:

Uaf=Ua+Uo Ubf=Ub+Uo Ucf=Uc+Uo

為了得到預期的脈寬調制效果必須對開關元件的特定開關時刻進行控制。三相系統(tǒng)中，在正弦調制信號上疊加零序信號后，相電壓將變成馬鞍波形，使波形系數(shù)達到2，可以使逆變器輸出的線電壓幅值提高15%，使線電壓利用率提高，開關損耗降低，線性調制范圍變大。但在單相系統(tǒng)中若注入零序電壓，將造成電壓分量間無法相消，而導致輸出波形中含有三次諧波。因此，開關頻率優(yōu)化PWM法只適用于三相交流調速系統(tǒng)。

6 總結

在變頻器逆變器的多種PWM控制方法中，各具控制優(yōu)點，同時也存在自身的控制缺陷。在實時控制時，一般在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎上，希望提高系統(tǒng)的快速響應性能，以提高生產效率。在以上的PWM控制方法中，SPWM法和SVPWM法計算相對簡單，控制特性優(yōu)越，在多電平逆變器的控制中應用較多。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.5.

［2］劉健.新型三電平高壓變頻調速關鍵技術及成套裝備研發(fā)［D］.武漢:華中科技大學，2008.

［3］楊毅.基于空間電壓矢量法(SVPWM)的三電平逆變器的研究［D］.上海:東華大學，2007.