電壓型正弦波脈寬調製逆變器研究

1 概述
    逆變器是將直流變為定頻定壓或調頻調壓交流電的變換器，傳統方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實現，但由於其含有較大成分低次諧波等缺點，近十餘年來，由於電力電子技術的迅速發展，全控型快速半導體器件BJT，IGBT，GTO 等的發展和PWM 的控制技術的日趨完善，使SPWM 逆變器得以迅速發展並廣泛使用。PWM 控制技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈衝列，並通過控制電壓脈衝寬度和周期以達到變壓目的或者控制電壓脈衝寬度和脈衝列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術，SPWM 控制技術又有許多種，並且還在不斷發展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁鏈追蹤型PWM 法和電流跟蹤型PWM 法，其中利用SPWM 控制技術做成的SPWM 逆變器具有以下主要特點：
（1）逆變器同時實現調頻調壓，系統的動態響應不受中間直流環節濾波器參數的影響。
（2）可獲得比常規六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動中，可使傳動系統轉矩脈衝的大大減少，擴大調速範圍，提高系統性能。
（3）組成變頻器時，主電路只有一組可控的功率環節，簡化了結構，由於採用不可控整流器，使電網功率因數接近於1，且與輸出電壓大小無關。

2 SPWM 逆變器原理
2.1 SPWM 波形
    所謂的SPWM 波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈衝波形如圖1 所示，等效的原則是每一區間的面積相等。如圖把一個正弦波分作幾等分（如圖1a 中，n=12）然後把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈衝來代替，矩形脈衝的幅值不變，各脈衝的中點與正弦波每一等分的中點相重合（如圖1b），這樣由幾個等幅不等寬的矩形脈衝所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM 波形。同樣，正弦波的負半周也用同樣的方法與一系列負脈衝波等效。
 
    圖2 為SPWM濾波線為等效正弦波UmSinω1t,SPWM 脈衝序列波的幅值為Us/2,各脈衝不等寬，但中心間距相同為π/n ，n 為正弦波半個周期內的脈衝數，令第i 個矩形脈衝寬度為δi , 其中心點相位角為θi ，則根據面積相等的等效原則，可分成
 
    這就是說，第i 個脈衝的寬度與該處正弦波值近似成正比，因此半個周期正弦波的SPWM 波是兩側窄，中間寬，脈寬按正弦規律逐漸變化的序列脈衝波形。
 
2.2 SPWM 調製及逆變橋工作原理
    今以SPWM 三相逆變橋為例進行說明，SPWM三相逆變器主電路由六個全控式功率開關器件構成三相逆變橋，它們各有一個繼流二極體反並聯結，整個逆變器由三相不可控整流器提供電壓為Us的直流電壓。圖3 為單極式脈寬調製波的形式圖。a 圖中Ut 為等腰三角形的載波，Ura 及Ura’為正弦調製波，調製波和載波的交點決定了SPWM 脈衝序列的寬度和脈衝間的間隔寬度，如圖b 所示，當A 相的Ura＞Ut 時，VT1 導通，輸出正弦脈衝電壓Us/2，當Ura＜Ut 時，VT1 關斷Uda=0,在Ura 負半周，用同樣方法控制VT4，輸出負的脈衝電壓序列，改變調製波頻率時，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調製波幅值時如Ura，各段脈衝的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。這種SPWM 每相只有一個開關器件反覆通斷，稱單極性SPWM 波形。
  
    若有同一橋臂上下兩個開關交替地導通與關斷，則輸出脈衝在“+”和“－”之間變化，這樣得到雙極式的SPWM 波形，如圖4 所示，其調製方法與單極式相似，只是輸出脈衝電壓的極性不同，當Ura＞Ut 時，VT1 導通VT4 關斷，Uao=+Us/2；當Urs＜Ut 時VT1 關斷，VT4 導通，輸出相電壓Uao=-Us/2,同理VT3 和VT6，VT3 和VT5 交替導通得到UAO，UCO 如圖c 和d 所示，UAB=UAO-UBO，可得逆變器輸出的線電壓波形UAB=f(t)如e 所示。
 

3 SPWM 波形的分析
    對負載(交流非同步電機)來說，有用的是電壓的基波，希望SPWM 波形中基波成分越大越好，通過對SPWM 脈衝序列波U (t)展開成付利葉極數分析可知，輸出基波電壓幅值Um 與δi 有著直接的關係，它說明調節調製波幅值從而改變各個脈衝寬度時，可使逆變器輸出電壓基波幅值平滑調節。
     SPWM 逆變器輸出脈衝序列波的基波電壓正是調製時所要求的等效正弦波，當然這必須是在滿足n 不太小
  近似條件下得到的。
    但SPWM 逆變器輸出相電壓的基波幅值有常規六拍階梯波的86%～90%，為彌補這一不足，常在SPWM 逆變器的直流迴路中並聯相當大的濾波電容，以提高逆變器的直流電壓Us.
    由以上分析可知n 越大即功率開關器件半周內要開關n 次，脈衝數n=N/2，其中N 為載波比，即：
N=ft/fr=載波頻率/參考調製波頻率
    即希望N 越大越好。但從功率開關器件本身的允許開關頻率來看，N 不能太大：
N ≤功率開關器件的允許開關頻率/最高的正弦調製信號頻率
    上式中分母實際上就是SPWM 變頻器的最高輸出頻率。現常用功率開關頻率如下：
BJT（1～5 kHz） GTO(1～2 kHz)
MOSFET（50 kHz） IGBT（20 kHz）
    隨著全控型快速半導體器件性能價格比的提高和PWM 技術的日漸完善和新技術新工藝新材料的使用，SPWM 技術將在電氣傳動及電力系統中得到更廣泛的運用。