PWM逆变电路的设计(2)

PWM逆变电路的设计

4 PWM逆变电路的谐波分析

使用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。

分析方法：

不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析，以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式，分析过程相当复杂，结论却简单而直观。

4.1 单相的分析结果

不同调制度a时的单相桥式PWM逆变电路在双极性调制方式下输出电压的频谱图如图4-1。其中所包含的谐波角频率为 n?c?k?r

式中，n＝1，3，5，…时，k=0，2，4，…；n=2，4，6，…时，k=1，3，5，…。 可以看出，PWM波中不含低次谐波，只含有角频率为ωc，及其附近的谐波，以及2ωc、3ωc等及其附近的谐波。在上述谐波中，幅值最高影响最大的是角频率为ωc的谐波分量。

图4-1 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图

4.2 三相的分析结果

三相桥式PWM逆变电路采用公用载波信号时不同调制度a时的三相桥式PWM逆变电路输出线电压的频谱图如图4-2。在输出线电压中，所包含的谐波角频率为

式中，n=1，3，5，…时，k=3(2m-1)±1，m=1，2，…；

6

n?c?k?rPWM逆变电路的设计

6m +1，m =0，1，…； n =2，4，6，…时，k = 6m -1，m =1，2，…。

和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率ωc整数倍的谐波被消去了，谐波中幅值较高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr。

图4-2 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图

当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。

7

PWM逆变电路的设计

5 直流电压的利用及其控制方式

直流电压利用率——逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。 提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力；减少器件的开关次数可以降低开关损耗；正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度a为1时，输出相电压的基波幅值为Ud输出线电压的基波幅值为(32)Ud2，

，即直流电压利用率仅为0.866。这个值是比较低的，

其原因是正弦调制信号的幅值不能超过三角波幅值，实际电路工作时，考虑到功率器件的开通和关断都需要时间，如不采取其他措施，调制度不可能达到1。采用这种调制方法实际能得到的直流电压利用率比0.866还要低。

5.1直流电压利用率的提高

当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。 梯形波调制方法的原理及波形，见图5-2形波的形状用三角化率s?UtUUt描述，为

t0以横轴为底时梯形波的高，Ut0为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。s =0时梯形波变为矩形波，s =1时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波，PWM波含

同样的低次谐波，低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为δ。

图5-1 ， δ和

U1mUd随s 变化的情况。

图5-3 ，s变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。

s = 0.4时，谐波含量也较少，δ 约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。

图5-1 ?变化时的各次谐波含量

8

PWM逆变电路的设计

图5-2 梯形波为调制信号的PWM控制

梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、7次等低次谐波。

实际使用时，可以考虑当输出电压较低时用正弦波作为调制信号，使输出电压不含低次谐波；当正弦波调制不能满足输出电压的要求时，改用梯形波调制，以提高直流电压利用率。

图5-3 s变化时的d 和直流电压利用率

9

PWM逆变电路的设计

5.2 两相控制方式

对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。

目标是使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。

在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波，且三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。如图所示。鞍形波的基波分量幅值大。

除叠加3次谐波外，还可叠加其他3倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。

图 5-4 加3次谐波的调制信号

叠加

up，既包含3倍次谐波，也包含直流分量，up大小随正弦信号的大小而变化。设

三角波载波幅值为1，三相调制信号的正弦分别为urU1、urV1和urW1，并令：

(rU,1urV,1urW)?1 5 up??minu1则三相的调制信号分别为

urU?urU1?up

urV?urV1?up

urW?urW1?up

不论urU1、urV1和urW1，幅值的大小，urU、urV、urW总有1/3周期的值和三角波负峰值相等。在这1/3周期中，不对调制信号值为-1的相进行控制，只对其他两相进行控制，因此，这种控制方式也称为两相控制方式。

两相控制方式的优点：

（1）在1/3周期内器件不动作，开关损耗减少1/3。

（2）最大输出线电压基波幅值为Ud，直流电压利用率提高。 （3）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式。

10