6kV A逆變器滯環調制與單極性SPWM倍頻調制的比較

分析了電流型滯環調制和單極性SPWM倍頻調制逆變器的原理，然后討論了兩種調制方式下輸出濾波器的設計，并在此基礎上制作了兩臺6kV·A逆變器樣機并給出了輸出波形和輸出THD。通過理論分析和實驗結果可知電流型滯環調制的逆變器穩定性要優于SPWM調制的逆變器，但要獲得相近的輸出THD值，前者所需要的輸出濾波器要遠大于后者。

關鍵詞：逆變器；單極性SPWM調制；滯環調制；比較 　

0 引言

逆變器主電路是一個開關式大功率放大器，逆變過程的實質是模－數－模的變化過程，它包括模－數和數－模兩個變換，分別對應于數字通信技術中的調制編碼與解調兩個過程[1]。SPWM調制與滯環調制是目前逆變器中最常見的兩種調制方式，它們分別從數字通信的脈寬調制和Delta調制發展而來。通信中調制的目的是為了遠距離傳輸信號，而在電力電子裝置中則是為了減小系統的體積、提高系統的動態響應和降低輸出諧波含量。在逆變器的輸出端需要并聯輸出濾波器，它相當于數字通信技術中的解調環節，其作用是濾除輸出波形中無用的高次諧波。通過這兩個環節，就實現了對基準波的功率放大。

文獻[2]對SPWM調制和滯環調制做了仿真和實驗分析。文獻[3]討論了6kV·A電流滯環調制逆變器的研制并給出了輸出波形。本文則從調制原理、系統的輸出濾波器設計和最終輸出波形THD等方面對兩臺分別采用電流滯環調制和電流型單極性SPWM調制的6kV·A單相逆變器實際系統進行了研究和比較。

1 主電路與電壓電流雙環反饋控制

圖1為逆變器主電路和控制系統的框圖，主電路采用了全橋結構，輸出端連接了LC濾波器濾除高次諧波。兩個電路在控制上均采用了輸出電壓和電感電流雙環控制，這種控制方式在保證系統穩定的同時還具有良好的動態特性與輸出限流的特性。從圖1可以看出，SPWM調制的逆變器和滯環調制的逆變器，除了調制器部分不同外，其余部分的電路在結構上完全相同，只是在參數上有所不同。因此，這兩個系統在輸出特性以及輸出濾波器上的差異基本上可以認為是由這兩種不同的調制方式所決定的。兩個系統的輸入均為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框圖

2 兩種調制方式原理

2.1 SPWM調制原理

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

圖2 電流型單極性SPWM倍頻調制原理

在電流型單極性SPWM倍頻調制中包含有兩個載波信號ic1和ic2，且有

ic1=－ic2（1）

調制信號ig與ic1與交截產生ug1與ug2信號，控制S1與S2的開關，ig與ic2交截產生ug3與ug4信號，控制S3與S4的開關。這種調制方式的實質是將一個全橋變換器拆分成兩個半橋變換器，分別用兩個相位相反的正弦波進行調制后得到的信號去控制它們（在這里采用的是載波ic1反相，等價于將ig反相），這樣兩個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，將這兩個輸出相減再濾除高頻分量，就得到了標準的正弦輸出波形。