0    引言

    逆變器" title="逆變器">逆變器主電路是一個(gè)開關(guān)式大功率放大器,，逆變過程的實(shí)質(zhì)是模－數(shù)－模的變化過程,，它包括模－數(shù)和數(shù)－模兩個(gè)變換，分別對(duì)應(yīng)于數(shù)字通信技術(shù)中的調(diào)制編碼與解調(diào)兩個(gè)過程[1],。SPWM調(diào)制與滯環(huán)調(diào)制" title="滯環(huán)調(diào)制">滯環(huán)調(diào)制是目前逆變器中最常見的兩種調(diào)制方式,，它們分別從數(shù)字通信的脈寬調(diào)制和Delta調(diào)制發(fā)展而來。通信中調(diào)制的目的是為了遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào),，而在電力電子裝置中則是為了減小系統(tǒng)的體積,、提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和降低輸出諧波含量。在逆變器的輸出端需要并聯(lián)輸出濾波器,，它相當(dāng)于數(shù)字通信技術(shù)中的解調(diào)環(huán)節(jié)，其作用是濾除輸出波形中無用的高次諧波,。通過這兩個(gè)環(huán)節(jié),，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)基準(zhǔn)波的功率放大。

    文獻(xiàn)[2]對(duì)SPWM調(diào)制和滯環(huán)調(diào)制做了仿真和實(shí)驗(yàn)分析,。文獻(xiàn)[3]討論了6kV·A電流滯環(huán)調(diào)制逆變器的研制并給出了輸出波形,。本文則從調(diào)制原理、系統(tǒng)的輸出濾波器設(shè)計(jì)和最終輸出波形THD等方面對(duì)兩臺(tái)分別采用電流滯環(huán)調(diào)制和電流型單極性SPWM調(diào)制" title="單極性SPWM調(diào)制">單極性SPWM調(diào)制的6kV·A單相逆變器實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了研究和比較" title="比較">比較。

1    主電路與電壓電流雙環(huán)反饋控制

    圖1為逆變器主電路和控制系統(tǒng)的框圖,，主電路采用了全橋結(jié)構(gòu),，輸出端連接了LC濾波器濾除高次諧波。兩個(gè)電路在控制上均采用了輸出電壓和電感電流雙環(huán)控制,，這種控制方式在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)還具有良好的動(dòng)態(tài)特性與輸出限流的特性,。從圖1可以看出，SPWM調(diào)制的逆變器和滯環(huán)調(diào)制的逆變器,，除了調(diào)制器部分不同外,，其余部分的電路在結(jié)構(gòu)上完全相同，只是在參數(shù)上有所不同,。因此,，這兩個(gè)系統(tǒng)在輸出特性以及輸出濾波器上的差異基本上可以認(rèn)為是由這兩種不同的調(diào)制方式所決定的。兩個(gè)系統(tǒng)的輸入均為DC380V,，輸出均為220V/50Hz,，輸出功率為6kV·A。

圖1    逆變器主電路與控制系統(tǒng)框圖

2    兩種調(diào)制方式原理

2.1    SPWM調(diào)制原理

    單極性SPWM調(diào)制又分為非倍頻和倍頻兩種方式,，本文所討論的SPWM調(diào)制的逆變器采用的是倍頻方式,，它在不改變開關(guān)管工作頻率的情況下，通過對(duì)門級(jí)脈沖控制,，可以使得輸出波形中最低次諧波頻率是開關(guān)頻率的2倍，從而可以減小濾波器的體積,。圖2是這種調(diào)制方法的原理,。

圖2    電流型單極性SPWM倍頻調(diào)制原理

    在電流型單極性SPWM倍頻調(diào)制中包含有兩個(gè)載波信號(hào)ic1和ic2，且有

    ic1=－ic2（1）

    調(diào)制信號(hào)ig與ic1與交截產(chǎn)生ug1與ug2信號(hào),，控制S1與S2的開關(guān),，ig與ic2交截產(chǎn)生ug3與ug4信號(hào),，控制S3與S4的開關(guān)。這種調(diào)制方式的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)全橋變換器拆分成兩個(gè)半橋變換器,，分別用兩個(gè)相位相反的正弦波進(jìn)行調(diào)制后得到的信號(hào)去控制它們（在這里采用的是載波ic1反相,，等價(jià)于將ig反相），這樣兩個(gè)橋臂輸出的基波就為帶相同直流偏置,、幅值相等且相位相反的正弦波,，將這兩個(gè)輸出相減再濾除高頻分量，就得到了標(biāo)準(zhǔn)的正弦輸出波形,。

2.2    滯環(huán)調(diào)制原理

    三態(tài)滯環(huán)調(diào)制是從基本的Delta調(diào)制發(fā)展而來,，圖3是它的調(diào)制原理。

圖3    電流滯環(huán)調(diào)制原理

    滯環(huán)調(diào)制沒有單獨(dú)的載波信號(hào),，而是將輸出信號(hào)通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)斜坡函數(shù)iLf做為載波,。h為滯環(huán)寬度，當(dāng)iLfig＋h時(shí),，S2及S3導(dǎo)通，iLf下降,，uab=－Uin,；當(dāng)ig－h(huán)

2.3    兩種調(diào)制方式原理的比較

    從兩種調(diào)制方式的原理可以看出滯環(huán)調(diào)制本身就包含了一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),。而SPWM調(diào)制則是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng),，其本身不包含反饋環(huán)節(jié)。因此,，滯環(huán)調(diào)制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性能要好于SPWM調(diào)制,。在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試中，滯環(huán)調(diào)制的逆變器系統(tǒng)控制環(huán)參數(shù)容易調(diào)到穩(wěn)定,，而單極性SPWM倍頻調(diào)制的逆變器系統(tǒng)控制環(huán)參數(shù),，則需要經(jīng)過多次的調(diào)整才能得到一個(gè)滿意的參數(shù)。

    另一方面滯環(huán)調(diào)制下的開關(guān)頻率并不固定,，而是跟隨正弦給定和負(fù)載大小的改變而改變,，因此，滯環(huán)調(diào)制下逆變器輸出電壓波形中包含了大量的較低次諧波,，而且很難從理論上分析其諧波分布,。在最大開關(guān)頻率限定在20kHz情況下，其最低次諧波頻率甚至?xí)椭翈譳Hz,，文獻(xiàn)[2]通過仿真驗(yàn)證了這一結(jié)論,。單極性SPWM調(diào)制下開關(guān)頻率是固定的，而且在倍頻方式下SPWM輸出電壓波形中的最低次諧波集中在2倍載波頻率附近,，在本文所討論的系統(tǒng)中為40kHz,。所以，SPWM調(diào)制方式下的逆變器輸出濾波器要比滯環(huán)調(diào)制方式的逆變器輸出濾波器小得多,。

3    輸出濾波器的設(shè)計(jì)

    逆變器兩個(gè)橋臂中點(diǎn)之間的輸出電壓是一個(gè)高頻的方波脈沖,，對(duì)其作頻譜分析可知它的基波頻率與調(diào)制波相同，而其高次諧波則由調(diào)制方式所決定,。高次諧波對(duì)逆變器負(fù)載是有害的,，甚至?xí)鹭?fù)載的不穩(wěn)定，所以,，在逆變器的輸出端需要使用一個(gè)低通濾波器將高次諧波濾除,。本文所提及的兩臺(tái)逆變器的輸出濾波器均采用Γ形的LC濾波器，在結(jié)構(gòu)上完全相同,，但其設(shè)計(jì)步驟和具體參數(shù)則有所不同,。

3.1    SPWM調(diào)制下濾波器的設(shè)計(jì)

    SPWM調(diào)制下輸出濾波電感的值一般是由電感電流的的最大紋波所決定，取該值為滿功率輸出時(shí)正弦電流峰值的15％,，即

        ΔImax=15％×2×=5.78A（2）

    在單極性SPWM倍頻調(diào)制下,，ua與ub兩點(diǎn)的電壓波形是單極性SPWM脈沖，其占空比

    D=（3）

    所以，可得電感電流紋波的表達(dá)式為

        ΔI=（4）

由式（4）可知,，當(dāng)uo=1/2Uin時(shí)，電感電流紋波最大,，且

        ΔImax=（5）

    綜合式（2）與式（5）可得

    L(>=)=0.43mH（6）

    實(shí)際電路中取電感值為0.5mH,。

    電路中電容的作用是和電感一起構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，因此,，在電感值確定后,，就可以根據(jù)L濾波器的截止頻率來確定電容C的值。由于SPWM倍頻調(diào)制方式下,，輸出諧波為開關(guān)頻率2倍及以上的高次諧波,，所以可以取截止頻率為最低次輸出諧波頻率的1/10，即

    （7）

推得

    C(>=)=3.17μF（8）

    實(shí)際電路中,，由于器件的非理想特性,、基準(zhǔn)波也非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波以及死區(qū)對(duì)輸出波形的影響，所以,，輸出波形中還包含有一定的低次諧波,，C的取值必須大一些，以對(duì)這些低次諧波有一定的抑制作用,，最終取電容值為16μF,。

3.2    滯環(huán)調(diào)制下濾波器的設(shè)計(jì)

    滯環(huán)調(diào)制下輸出濾波器的設(shè)計(jì)和單極性SPWM倍頻調(diào)制下有很大的不同。首先,，滯環(huán)調(diào)制中電感電流的紋波是由滯環(huán)寬度h所決定,，用電感電流的最大紋波值來確定電感值的方法并不適用。其次,，滯環(huán)調(diào)制下由于開關(guān)頻率并不固定,，其輸出電壓波形諧波分布廣且不含有特定頻率的諧波[3]，所以,，與單極性SPWM調(diào)制下根據(jù)器件開關(guān)頻率設(shè)定輸出濾波器的截止頻率不同,，其輸出濾波器的截止頻率應(yīng)該根據(jù)輸出的基波頻率來設(shè)定。本文中逆變器的輸出頻率為50Hz,，取輸出濾波器的截止頻率為輸出頻率的10倍即500Hz,，可得

    =500（9）

    從式（9）可以確定L和C的乘積值，再進(jìn)一步確定L和C的取值則多依賴于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合考慮,。如果L值過大將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)太慢,，甚至使得電感電流追蹤不上ig的變化導(dǎo)致系統(tǒng)失調(diào)；L值過小則會(huì)增加輸出的脈動(dòng),，增大損耗,。C值越大輸出電壓的THD就越好，但同時(shí)也會(huì)增大逆變器的無功電流，增大損耗,。工程中一般可以根據(jù)在剪切頻率附近使得

        ωL≈（10）

來確定L和C的取值,。

    根據(jù)式（9）和式（10），最終實(shí)際系統(tǒng)中取L為1mH,，C為80μF,。

3.3    輸出波形與THD

    圖4和圖5是兩種調(diào)制方式下6kV·A逆變器在阻性負(fù)載下的滿載輸出波形，表1則是使用功率分析儀測(cè)得逆變器在空載,、半載和滿載情況下輸出THD值,，可見SPWM調(diào)制方式下的輸出THD要明顯好于電流滯環(huán)調(diào)制方式下的輸出THD值。

圖4    電流滯環(huán)調(diào)制逆變器阻性滿載輸出波形

圖5    SPWM倍頻調(diào)制逆變器阻性滿載輸出波形

表1    兩種調(diào)制方式下空載與滿載輸出THD值

4    結(jié)語

    綜上所述,，電流滯環(huán)調(diào)制作為一種非線性的調(diào)制方式，和SPWM倍頻調(diào)制相比,，它具有穩(wěn)定性強(qiáng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn),。但滯環(huán)調(diào)制的逆變器輸出波形諧波分布廣，這使得濾波器的設(shè)計(jì)困難,，在相同的功率等級(jí)下,，盡管使用了大得多的濾波器，滯環(huán)調(diào)制逆變器輸出波形THD值仍達(dá)到接近兩倍SPWM倍頻調(diào)制逆變器輸出波形THD的值,。同時(shí)也由于諧波頻率豐富,，滯環(huán)調(diào)制的輸出濾波器的工作噪聲也要比SPWM倍頻控制大得多。所以,，從改善輸出波形和減小濾波器體積和噪聲角度考慮,，SPWM倍頻調(diào)制顯然是更好的選擇。