PWM逆变器的新型开关对策

2007-3-27 11:02:00 来源：中国自动化网网友评论 0条 点击查看
摘 要：本文提出PWM型逆变器的一种新型开关对策，它用于高基波的电压脉宽调制，并介绍了“双调制”的完整理论。对新型开关对策每个周期不同换流次数的开关角(ακ）进行了计算。
关键词：脉宽调制 开关对策 “双调制”
1 引言
在交流变频电气传动中，PWM(Pulse Width Modulation)型逆变器输出波形中除基波成分外还含有较丰富的谐波成分，它对调速性能的不良影响是一个具有普遍性的严重问题。一方面会使电机产生脉动转矩、恶化其输出机械特性、使传动系统运行的稳定性降低；另一方面由于谐波损耗的产生使电机附加损耗增加，从而降低传动系统能量转换效率。因此，对PWM逆变器的谐波抑制和消除是一个十分重要的研究课题。目前已有不少解决这个问题的有效方法，PWM技术就是其中一种。
现有的PWM技术主要可分为两类：取样PWM和最优PWM，前者是通过调制波(正弦波或梯形波)和载波(三角波或锯齿波)的比较产生输出波形的换相序列，因而输出波形能在一定程度上反映调制波的特性，但这种输出波形谐波对电机运行的不良影响是不容忽视的；后一种PWM方法是预先通过在某些指标意义下优化计算，确定逆变器的输出换相序列，逆变器运行时依据 样一些序列进行输出换相，显然这直接有效地抑制由谐波引起的对电机性能的不良影响，十分利于提高调速系统的运行性能。
PWM技术的关键是脉冲宽度的调制方法，如何寻找一个效果好、容易实现的PWM方法是目前急待解决的问题，为此本文研究了新的最优PWM方法，采用了“双调制”技术，得到了十分理想的调制效果，所以这种开关对策是很有实际应用价值的。
新型开关对策的基础PWM逆变器的新型开关对策——最优PWM方法包括：
(1)确定与电压谐波有害效应有关的运行指标。
(2)适当选择开关模式，也就是适当选择换流角的方法使电压谐波效应达到最小。
假定逆变器输出相应电压V的波形如图1所示。开关角ακ（κ＝１、２、３、４…N)满足下列条件。

其中n=1,3,5,7…；N是电压V的1/4周期内换相次数。
在交流电动机中总的谐波电波畸变(Ttotal Harmonic current Distortion)简称THD，其定义为：

其中In=An/nWoL,L是电动机漏抗，n是仅仅等于除了三的倍数以外的奇整数。以THD作为运行指标，在THD极小化条件下，选择合适的开关模式，可在主计算机上用数值最小搜索法确定THD极小时的最优开关角ακ。当N=2时开关角ακ随基波电压的变化如图2所示。


由图示可见最优开关角和基波电压之间的关系是高度非线性的，并且随脉冲数目N增加脉冲位置的可连续的数目也增加，这种特性的复杂性排除了我们推导出一个数字关系式来表示的可能性，“双调制”技术给这个问题的解决提供了有效的方法。
3 新型开关对策原理—“双调制”
为要获得最优脉冲宽度和脉冲位置，而采用非线性的采样方法。我们把现存的PWM发生过程表示如下：

式中，S(t)表示载波波形，在规则采样情况下，通常采用三角波的形式，m(t)是调制函数，而f(t)则是最后得到的PWM函数。通过一个中间调制函数I(t)，可将非组性采样引入到S(t)的预调制过程中去，以便产生一个非线性采样函数S′(t)。这种非线性脉冲采样特性的PWM发生过程，表示如下：

这样，正如式中所表明的那样，从规则采样函数Ｓ(t)(三角形载波波形)到PWM函数f(t)的变换涉及到一种双调制的过程。
载波的预调制过程是用来调制脉冲的位置的，以便随着基波电压的增加，脉冲向PWM波形的边缘方向移动。如果第k个采样点的初始(未加调制的)位置可定义成Pok，则载波预调制将这个采样点转换成由下述关系式定义的亲的位置P1k

式中ＰＰM定义为波调制脉冲位置变换，当然一般说，实现PPM变换的可能性是大的，为此必需定义一个用于合适I(t)的标准，通常人们是寻找最简单的变换形式。因此，选择一个线性连续预调制函数I(t)，以便于随着PWM函数f(t)的基波电压增加，所有的采样的都与其相对位置成比例地向PWM波形边缘移动。PPM关系可用下面的关系来描述：

式中，A为与调制波形幅值有关的常数。由于PWM波形是对称的，所以只需确定1/4周期采样点即可。这样利用I(Pok）在90°，180°和270°左右的对称性就可以将本过程扩大到E个周期的其它部分，于是就得到PWM波形的全部采样位置。
4 结论
这种新型开关对策的主要特点是使用高频比来产生具有低脉冲数的PWM波形。采用的频比可直接与PWM脉冲数相关，因此这个频比是虚构的，而频比对PWM谐波谱的影响是随频比和基波电压的增加，电压谐波向高频段的谐波移动特性，其最大的谐波移到较高的频带。
这种新型开关对策的主要优点是应用“双调制”技术得到了调制深度M与基波电压V1之间是线性关系，则大大简化了微处理机对PWM波的执行过程，即能效果好，又能简便地用微处理机软件来实时产生PWM波形。