PWM技術中載波對輸出電壓影響的分析

方成輝，姜凱文

（上海海事大學 物流工程學院，上海201306）

0 引 言

逆變器在電力電子領域占據著重要的地位，它的主要作用就是把直流電壓或者電流轉化成期望頻率和幅值的交流電壓或電流。逆變器的調制技術決定了輸出波形的質量，好的調制策略具有輸出電壓的諧波少、逆變器的開關次數少、逆變器的控制簡單等優點。目前常用的兩種調制方式是載波調制PWM策略和空間矢量脈寬調制策略（SVPWM）。

載波調制PWM法是一種利用調制波與載波的比較結果來決定逆變器輸出電平的方法，其中調制波一般采用正弦波，為提高直流側的電壓利用率，可以往正弦波中注入三次諧波，載波一般采用三角波或者鋸齒波［1］。近年來，多位學者在PWM技術中的載波方面做了大量研究，例如載波移相調制［2－4］、隨機脈寬調制［5，6］等。

本文將詳細分析單H橋及多H橋的情況下載波相位對輸出電壓的影響，并觀察變載波頻率調制下輸出電壓的頻譜分布。

1 載波的相位移動對輸出電壓的影響

載波調制PWM技術的基本原理是通過正弦調制波與三角波或鋸齒波的比較確定開關的觸發脈沖。本文選取三角波做為載波，下面將具體分析載波的相位移動對輸出電壓產生的影響。

1．1 一個H橋的情況下載波相位對輸出電壓的影響

當逆變電路中只包含一個H橋，且以兩電平的方式運行時，相應的仿真電路模型如圖1所示。

圖1 兩電平逆變器仿真電路

仿真電路參數設置：直流側電壓Udc＝100 V，調制比M＝0．9，基波頻率ω0＝50 Hz，載波頻率ωc＝1 500 Hz，設定當載波的初相角為0時，載波的電壓值為負的峰值，仿真結果如圖2所示。

利用圖1的仿真電路模型，載波每次相移45°角進行一次仿真，對每次的仿真輸出波形做FFT分析，將得到的仿真數據列入表1。

圖2 一個H橋情況下逆變器的輸出電壓波形及頻譜分布（載波初相角為0）

表1 載波相移對輸出電壓的基波和THD的影響（一個H橋）

由表1的數據可知，在只有一個H橋的情況下，載波的相移對輸出電壓的基波幅值和THD的影響可以忽略。

1．2 多個H橋的情況下載波相移對輸出電壓的影響

一個H橋在兩電平方式運行情況下的輸出電壓的傅里葉級數表達式為

式中，Jn（x）為貝塞爾函數；ω0為調制波角頻率；ωc為載波角頻率；正弦調制波的初相角設置為0。由式（1）可知，若每個H橋的載波以2（i－1）×180／N（i為 H橋的序號，N為H橋的個數）的方式進行移相，則輸出相電壓的高于N次載波諧波及所有低于N次的載波諧波及其邊帶諧波將被消除。這個結論與多電平PSCPWM調制策略（H橋采用兩電平調制）的結論相吻合。仿真結果如圖3、圖4所示，仿真數據如表2所示。

由表2可以看出，在多個H橋的情況下，采用載波相移方式可以顯著減小輸出電壓的諧波畸變率。

圖3 兩個H橋情況下逆變器的輸出電壓波形及頻譜分布

圖4 四個H橋情況下逆變器的輸出電壓波形及頻譜分布

表2 載波相移對輸出電壓的影響（多H橋）

2 載波變頻對輸出電壓的影響

由以上分析可知，用載波調制PWM策略調制出輸出電壓的諧波主要集中在n次（n＝1，2，3，……）載波頻率處。因此，要改變輸出電壓的頻譜分布可以通過改變載波頻率來實現。要使諧波在頻率軸上的分布盡量均勻，可以在一個基波周期內采用變載波頻率的方式進行調制。

兩個載波頻率交替調制的仿真電路模型如圖5所示。

仿真電路參數設置：直流側電壓Udc＝100 V，調制比M＝0．9，基波頻率ω0＝50 Hz，載波頻率ωc1＝1 500 Hz，ωc2＝3 000 Hz。ωc1、ωc2的作用時間比為1∶1，仿真結果如圖6。當ωc1、ωc2的作用時間比為3∶7時，仿真結果如圖7。

圖5 兩個頻率交替調制的仿真電路模型

圖6 ωc1、ωc2作用時間比為1∶1時的輸出電壓及諧波頻譜

圖7 ωc1、ωc2作用時間比為3∶7時的輸出電壓及諧波頻譜

當采用三個頻率的載波交替調制時，仿真結果如圖8，取ωc1＝1 500 Hz，ωc2＝3 000 Hz，ωc3＝4 500 Hz，其余參數同上，ωc1、ωc2、ωc3的作用時間之比取1∶1∶1。

由圖6、圖7、圖8可以看出，某一載波頻率的作用時間越長，該頻率處的諧波幅值就越大，一個基波周期內包含載波頻率的個數越多，頻譜分布越均勻。

圖8 ωc1、ωc2、ωc3的作用時間之比為1∶1∶1時的輸出電壓及諧波頻譜

3 結 論

本文詳細分析了載波相位對輸出電壓的影響，通過載波移相疊加方式調制出的輸出電壓在諧波畸變率方面有很大的改善。

本文研究了變載波頻率調制對輸出電壓頻譜的影響，通過在一個基波周期內改變載波的頻率可以使輸出電壓頻譜分布更加均勻。實際應用中，電壓頻譜越均勻，系統的電磁兼容性越好。當輸出電壓的諧波頻率與機械設備的固有頻率相同時，常常會產生噪聲干擾，對設備的運行帶來不利影響，使電壓頻譜均勻化可以削弱特定頻率諧波的幅值，降低這種不利的影響。通過Matlab／Simulink軟件的仿真結果驗證了結論的正確性。

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