正弦波输出变压变频电源调制方式的研究

摘要：介绍了正弦波输出变压变频电源系统。对正弦波输出变压变频电源三种SPWM调制方式厦数字化控制策略进行了研究，以期得到一种较理想的调制方式，使变压变频电源的开关管损耗、可靠性及输出电压质量得以改善。并以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，实现逆变电源变频、变压输出，最后给出实验结果。
关键词：变压变频；正弦脉宽调制；谐波分析；多环控制
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：()219 2713(2005106 0025—05

O 引言
    随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。
    在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大[1]。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。

1 变频变压电源系统
    图l为变压变频电源系统结构。单相正弦输入电压UAC经Boost PFC环节变成400V稳定的直流电压。逆变部分采用了全桥结构，L及C分别是逆变器的输出滤波电感和滤波电容，R1为负载阻抗。

    本文所设计的变压变频电源输出电压频率及电压变化范围较宽，输出频率为40～1000Hz，输出电压为30~250V。只有选择合适的控制策略，才能使得在整个输出范围内都有较小的THD。

    在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。本文所采用的是外环为平均值环、内环为瞬时值环的双环控制策略。内环通过瞬时值控制获得快速的动态性能，保证变压变频电源输出电压畸变率较低，外环使得变压变频电源在各个频率段的输出电压具有较高的精度，并使用DSPTMS320F240全数字的控制实现。

2 正弦脉宽调制技术
    随着逆变器控制技水的发展．电压型逆变器出现了多种的变压、变频控制方法。目前采用较多的是正弦脉宽调制技术即sPwM控制技术。
    单相全桥式电压型SPWM逆变器电路拓扑结构图如图2所示。图2中S1~S4的通断由正弦脉宽调制产生的信号来控制。
SPWM正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍频调制方式[2]。

2.1 3种调制方式特点
2.1.1单极性调制方式
    单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频[载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半
周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。

2.l.2 双极性调制方式
    双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。

2.l.3单极性倍频调制方式
    单极性倍频调制方式的特点足输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，因此，开关管损耗与双极性相同。
2.2 3种调制方式下逆变器输出电压谐波分析[3]
    用MathcAD可推导出3种不同调制方式下逆变器输出电压各次谐波有效值与频率的关系式。
    1)对双极性调制方式

   
式中：M为调制比；
      N为载波比；
      f0为正弦波输出变频变压电源的输出电压频率。
    图3～图5为根据式(1)～(3)做出的3种不同调制方式逆变器输出电压频谱图(取M=0.8，开关频率为50kHz，N=1000，f0=501Hz，E=400V)。

    从图3～图5可知，3种调制方式下逆变器输出电压未经滤波前，单极性调制方式及双极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量主要集巾在升关频率及其倍频附近，且单极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量比双极性要小。单极性倍频调制方式下输出电压的谐波分量主要在2倍升关频率及4倍开关频率附近。选择WPWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率为开关频率的I／I0，LC滤波器对开关频率及其倍频附近的谐波具有明显的衰减作用。
2.3 3种调制方式下滤波器输出电压THD比较
    下面用MathCAD来分析3种不同调制方式下，逆变器输出电压经过LC滤波器后的THD值。首先假定开关频率为50kHz，直流侧输入电压E=400V，正弦波输出变压变频电源频率为40～1000Hz。取Lc滤波器的电感L=360μH，电容C=2.8μF。滤波器转折频率为5kHz，满载RL=60Ω。
    THD值的计算公式为

   

式中：Ua1为滤波器输出电压基波分量的有效值；Uai为滤波器输山电压各次谐波分量的有效值。
    根据LC滤波器特点，当滤波器输出电压谐波频率为转折频率的100倍时，谐波电压被衰减到原来的0.01％，100倍转折频率及更高的谐波被滤波器滤波以后町以忽略不计，使用MathCAD只分析到100倍转折频率。
    从图6可以看出，在无死区的情况下，单极性倍频调制方式下滤波器输出电压的THD值小于其它两种调制方式。在实际电路中，由于同一桥臂的两个开关管工作在互补状态，为避免直通，均要采用开通延迟技术，使得同一桥臂对管安全关断以后才导通，开通的延迟时间即为死区时间。

    图7～图9为M=O.8时3种不同调制方式下，加入不同死区时的滤波器输出电压的THD值与频率的关系仿真图。图lO为M=0.4时3种不同调制方式下，加入相同死区时的滤波器输出电骶的THD值与频率的关系仿真图。从阔7，图10可知，3种调制方式下滤波器输出电压的THD值都随着死Ix时间的增大和M减小而增大，在同样的仿真条件下，单极性调制方式下滤波器输出电压的THD值小于其它两种调制方式。

    用11为肘=0 8时3种不同调制方式下，加入200ns死区时用TEK示波器实测变压变频电源开环输出电压的THD值与频率的关系图，与前面仿真结果相符。

3  控制信号DS[，实现
    控制电路采用r TMS320F240数宁信号处理器，主要任务是在定时中断内完成变压变频控制。控制程序由主程序和一个定时中断程序组成，主程序主要完成读取给定电压，过流判断，平均值外环计算等功能。定时中断程序完成采样输出电压，实时计算出下个开关周期输出的脉宽。

4 实验结果
    图12～图14为用TDK示波器测取的3种不同调制方式下采用双环控制策略的正弦波输出变压变频电源在不同输出电压及不同输出频率下THD值比较。

5 结语
    本文对正弦波输出变频变压电源的不同调制方式进行了分析研究，研究结果表明，在输出电压要求的频率范围内，无论是变压变频电源输出电压的THD仿真结果，还是实际输出电压的THD实测数据(包括开环、闭环)，单极性调制方式下正弦波输出变压变频电源输出电压的THD值比其它两种调制方式小；而且单极性调制方式下功率管的损耗小于其它两种调制方式，因此，对正弦波
输出变频变压电源来说，单极性调制方式无论输出电压波形的质量还是开关损耗，都优于其它两种调制方式。