逆变器的PWM控制策略研究

张桂枝，郁 杰

(张家口职业技术学院电气工程系，河北张家口075051)

1 引言

随着电子器件性能的不断提高，节能高效的交流调速控制系统占据调速控制系统的主导地位。其中交流变频调速以其优良的调速性能、明显的节能效果，成为当今社会交流电机调速控制的首选方法。变频器是变频调速系统中的核心电器，而逆变器又是变频器的重要输出电路，逆变器的输出电压和电流波形直接影响电动机的运行性能。因此，研究逆变器的控制策略对确保逆变器输出所需的电压电流波形，保证交流电动机的优良工作特性具有重要意义。目前应用最多的控制策略有正弦波脉宽调制(SPWM)法、电压空间矢量PWM(SVPWM)法、特定谐波消除PWM(SHEPWM)法和开关频率优化PWM(SFOPWM)法等。

2 SPWM法

正弦波脉宽调制法的载波选用高频的等腰三角波，调制波选用正弦波且要求其变化频率和期望得到的正弦输出波形频率相一致，以载波与调制波二者的交汇点所对应的时刻点作为逆变器电子开关导通或关断的切换点，这样在半个调制周期中就可获得中间最宽而两边逐渐变窄的一序列等高不等宽的矩形波，以此矩形波经过驱动电路后作为逆变器开关的驱动脉冲序列，则可使逆变器输出期望的正弦电压。SPWM控制技术有单极性、双极性两种控制方式。如果载波在半个调制周期里，总呈现单一极性，即只为正信号或只为负信号，那么所获的正弦波脉宽调制波也是单极性的，称为单极性控制;如果载波在半个调制周期里，载波呈现正负信号连续交替变化，那么就生成同样正负极性交替变化正弦波脉宽调制波，称之双极性控制。一般情况下，双极性控制在三相逆变器中多用。二电平逆变器的双极性SPWM波形如图1所示。

图1 二电平逆变器的双极性SPWM波形

图1 中ut为双极三角形载波，uru、urv和 urw分别为 U、V、W 三相正弦调制波，uuo＇、uvo＇和 uwo＇为 U、V 和 W 三相输出与直流电源中性点间的相电压波形，uUV、uVW和uWU为逆变器输出的三相线电压波形。

3 SVPWM法

SPWM控制法的主要目的是使逆变器输出正弦电压波形，对逆变器输出的电流未加控制，而电动机要实现恒转矩控制时，不仅需要输入正弦电压也需要输入正弦电流，以便在电动机空间产生圆形旋转磁场(磁链圆)。这种用跟踪圆形旋转磁场的方法来控制逆变器的工作方式称为磁链跟踪控制，形成磁链圆是在交替变化使用不同电压空间矢量作用下得到的，故亦称为电压空间矢量PWM法［1］，简称为SVPWM法。

SVPWM法在两电平及三电平以上的多电平的控制应用中是类似的，电压参考矢量均由某一三角形区域的三个开关矢量根据“伏秒积”相等理论合成，即:先用三角形区域的三个矢量分别乘以矢量自己的作用时间，再求三个乘积的和，就可得到一个作用周期的合成矢量。只要合理分配一个周期内三个矢量的作用时间，就可得到与参考电压矢量一样的空间合成矢量。SVPWM法可分为两类:即最近矢量法和对比判断SVPWM法;其中最近矢量法因其结构简单、易控，应用比较广泛。

逆变器所对应的电压空间矢量随电平数成级数增多。在两电平中空间矢量的个数为8个，而三电平中空间矢量的个数为27，这样合成某个电压空间矢量时矢量可选范围更大，所合成磁链更接近于圆形轨迹，输出电压谐波小，转矩脉动减小，控制精度高;也可以通过合理选取不同电压矢量的组合来达到保持电容中点电位平衡的目的。但电压空间矢量增多时，在合成矢量时增加了很大计算量，控制电路也变得更为复杂，不易控制。另外，电平数增多时，所需开关数增加，开关损耗也相应增加。所以需要更为优化的电压空间矢量控制方法。

4 SHEPWM 法［2］

1963年F.G.Tumbull提出了消特定谐波的 PWM法。该法的目的是使逆变器输出波形趋近正弦波，减少谐波分量，以满足交流电机的需求。该PWM调制法的特点是直接计算如图2所示逆变器输出的相电压PWM波形的各脉冲起始和终了相位 α1，α2，α3，α4，...，α2m，把相邻相位间的位置设为“缺口”，恰当的通过逆变器在半个周期中的多次换向来控制逆变器输出的脉宽波形，再利用面积相等法把输出的脉冲方波电压转换为等效的正弦波，消除某些特定谐波。每设一个“缺口”即可消去一种谐波。

图2 逆变器的PWM波形

对图2的PWM波形进行傅里叶解析，获k次谐波相电压幅值为:

其中Udc—变频器直流侧电压;

αi—PWM波第i个开始或结束时的相位。

从原理上讲，要消k次谐波分量，只要使Ukm=0，且使基波幅值U1m为要求的值，可从公式中解出对应的αi值。但是，因逆变器输出的PWM波形在1/2及1/4周期中均呈轴对称波形。有m个待定参数在1/4周期中，除了必须满足基波幅值外，有m-1个参数可选，其表示可消除的谐波的数量，也即可消除m-1个不同次数的谐波。例如:m=5时，可消除4个不同次数的谐波。该方法在理论上虽然可消除指定次数的谐波，但是容易导致更高次的谐波增大。但，更高次的谐波对交流电动机运行特性影响较小，SHEPWM法的控制效果较为理想。该控制法由于求解数值方法复杂，不同基波频率要求基波幅值不同，因此，该法不合适于实时控制。

5 SFOPWM 法［3］

开关频率优化PWM法也是经过三角载波信号与调制波信号进行比较获得所需的一系列脉冲信号，所不相同的是，调制波信号不再采用单独的标准正弦波信号，而是把叠加了一定零序电压的正弦波信号作为新的调制波信号，通常所叠加的零序信号为三次谐波电压信号。设零序电压为 Uo，三相均衡电压参考值分别为:Ua，Ub，Uc，叠加了零序电压后的三相电压参考值分别为:Uaf，Ubf，Ucf，则各电压之间的关系为:

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

为了得到预期的脉宽调制效果必须对开关元件的特定开关时刻进行控制。三相系统中，在正弦调制信号上叠加零序信号后，相电压将变成马鞍波形，使波形系数达到2，可以使逆变器输出的线电压幅值提高15%，使线电压利用率提高，开关损耗降低，线性调制范围变大。但在单相系统中若注入零序电压，将造成电压分量间无法相消，而导致输出波形中含有三次谐波。因此，开关频率优化PWM法只适用于三相交流调速系统。

6 总结

在变频器逆变器的多种PWM控制方法中，各具控制优点，同时也存在自身的控制缺陷。在实时控制时，一般在保证控制系统稳定性的基础上，希望提高系统的快速响应性能，以提高生产效率。在以上的PWM控制方法中，SPWM法和SVPWM法计算相对简单，控制特性优越，在多电平逆变器的控制中应用较多。

［1］陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2006.5.

［2］刘健.新型三电平高压变频调速关键技术及成套装备研发［D］.武汉:华中科技大学，2008.

［3］杨毅.基于空间电压矢量法(SVPWM)的三电平逆变器的研究［D］.上海:东华大学，2007.