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基于基本PWM技术的三相电压源逆变器性能分析与仿真
关键词:SPWM, THPWM，梯形PWM，阶梯PWM, 60°PWM，滤波器。
文摘:介绍了利用Matlab Simulink软件实现三相电压源逆变器的不同脉宽技术。这些技术有助于减少电力供应中的谐波含量，以及控制输出电压和频率。我们所演示的技术有多重PWM、正弦PWM、梯形PWM、阶梯PWM、60°PWM和三次谐波PWM。虽然这些技术在降低低次谐波方面有很好的效果，但由于高次谐波的存在，无法有效地提高逆变器的效率。为了消除这些谐波，设计了滤波器。
1.介绍
设计在基频下运行的电力系统容易出现不理想的运行，有时会在受到含有谐波的电压和电流时发生故障。谐波是周期波的一个分量，其频率是基本电力线频率的整数倍。目前，纯正弦波是一个概念量，因为谐波总是存在于周期波中。这种畸变的正弦波通常是由非线性负载和逆变器产生的。由于谐波对电力系统的各个组成部分都有各种各样的不利影响，因此降低谐波是非常重要的。其中一些讨论1-4:
导体过热—导体过热是导体单位体积的平方均方根电流的函数。谐波电流会引起“趋肤效应”，并随频率增加而增加。
电容器寿命缩短——电容器受到因功率损耗而引起的温升增加的影响。过电压和谐振会引起电介质失效。
熔断器和断路器的误操作-谐波会导致误操作和跳闸，在没有明显原因的情况下损坏或击穿元件。
变压器绕组过热-变压器由于杂散磁通损耗导致变压器绕组过热，从而增加了铁和铜的损耗或涡流。
电机在磁芯中增加了磁滞和涡流损耗，导致磁芯和周围绕组的工作温度升高。
因此，本文研究了逆变器输出电压波形中谐波的降低。一种方法是在负载和逆变器之间插入滤波器。如果逆变器的输出电压中含有高频谐波，则可以通过一个小滤波器来减小高频谐波，但对于低频谐波的衰减，滤波器元件的尺寸增大。滤波电路变得昂贵、笨重，此外，系统的瞬态响应变得缓慢。这表明，低频谐波应该通过滤波器以外的其他方法来降低，因此高频分量可以通过一个低尺寸、低成本的滤波器来轻松衰减。因此，本文采用PWM技术来降低低频谐波，并在此基础上加入低通滤波器来滤除高频分量。
2.脉宽调制技术
在这些技术中，给逆变器一个固定的直流输入电压，通过调节逆变器元件的开关周期来获得一个受控的交流输出电压。逆变器的通断周期由不同的PWM信号控制。PWM信号是频率、幅度固定、脉冲宽度可变的脉冲。这些主要是由两种技术产生，基于三角形比较的PWM和基于空间矢量的PWM7。在这里，讨论了基于三角比较的PWM，其中三角载波与基频调制波进行了比较。脉宽调制脉冲的宽度随着调制波的变化而变化。载波信号的频率必须比调制信号的频率高得多，以便向负载传输的能量主要取决于调制信号。
PWM技术的优点8:
bull;这些很容易实现和控制。
bull;更低的功耗。
bull;降低低阶谐波。
过滤要求被最小化，因为只有高次谐波存在。
bull;硬件实现很容易，因为它是兼容的
用今天的数字微处理器。PWM技术的缺点8:
bull;他们减弱了要基本的成分。
bull;生成高频组件。
本文介绍了以下几种PWM技术，并对每种技术的性能进行了分析。
bull;多重脉冲宽度调制。
bull;梯形脉冲宽度调制。
bull;阶梯脉宽调制。
bull;正弦脉冲宽度调制(SPWM)。
60度脉宽调制。
bull;三次谐波脉冲宽度调制(THPWM)。
2.1多脉宽调制在该调制中，调制信号为基频方波。将该信号与更高频率的三角形载波进行比较，生成等宽脉冲，如图1所示。对于相位b和相位c，方波分别延迟120度和-120度，然后与载波进行比较，得到所需的脉冲。
2.2梯形脉宽调制
在这种技术中，调制信号是基频的梯形波。通过限制三角波的模量可以得到梯形波。将该信号与更高频率的三角形载波进行比较，生成如图2所示的门脉冲。
2.3阶梯脉冲宽度调制
阶梯型PWM配置与上述两种技术相同，不同之处在于调制信号为基频阶梯波，如图3所示。与更高频率的三角形载波相比，可以产生门脉冲。
2.4正弦脉宽调制
SPWM中有三个正弦参考波，每个参考波偏移120度。将三角形载波与对应相位的参考信号进行比较，生成该相位的门控信号，如图4所示。
2.5 60度调制
接近正弦波峰值的脉冲宽度随调制指数的变化不明显。因此，在60度调制中，每半个周期的第一个和最后一个60度间隔使用三角形载波，如图5所示。基本电压增加了分量，改善了谐波特性。此外，还减少了开关损耗
2.6三次谐波调制
三次谐波PWM与正弦PWM相似，不同之处在于参考交流波形不是正弦，而是由基波分量和三次谐波分量组成。三次谐波分量的加入有效地消除了导体中性点处的三次谐波分量，使得在参考电压和输出电压中提高基波的最大振幅成为可能。
3.滤波器的设计
谐波滤波器用于消除输出波形中的谐波失真。有各种各样的过滤器可以用于这个目的;设计了一种简单的恒k型低通无源滤波器。如图7所示，为单T段滤波器。根据图像法推导出的公式进行设计。给出了滤波器参数的计算公式。
式中:Zo =负载阻抗，fc =截止频率。
对于三个相，使用三个单T段，每个T段与一个相串联，如图8所示。
4.仿真结果
上述技术的输出波形和谐波电压谱如下图所示。通过MATLAB Simulink对其进行仿真得到。考虑的数据如下:调制指数= 0.8
载波频率= 3khz
基频= 50hz
直流输入电压= 400V
滤波器的截止频率= 1khz
电阻负载= 200欧姆
调制指数保持不变对于所有的PWM技术。所有技术的输出电压和带滤波器和不带滤波器的FFT分析如图9至图13所示。最后，将各技术的总谐波失真和基波电压从仿真结果对比如表1所示。
5.结论
从谐波谱和总谐波失真的角度对这两种技术进行了比较研究，证明了SPWM和THPWM技术与其他技术相比具有更好的性能。实验证明，在加入滤波器后，高次谐波被消除，THD值降低。
参考文献
[1]“谐波对电力系统的影响-第1部分”，中华电力学会网站，1999年10月1日，中午12时。
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[3]“谐波成因与影响”电力品质应用指南，2001年3月。
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[5]穆罕默德·拉希德，“电力电子-电路、器件与应用”，培生教育股份有限公司，2005年。
[6]刘振宇，“三种PWM技术的研究与应用”，中国电机工业协会，1997年6月。
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[8] Mahesh A. Patel, Ankit R. Patel, Dhaval R. Vyas和Ketul M。帕特尔，“PWM技术在电能质量改善中的应用”，《国际工程趋势》，第1卷，第4期，2009年5月。
[9]Berrezzek Farid和Omeiri Amar，”新研究控制PWM逆变器的技术科学研究杂志，第32卷，2009年第1期。郭福全，“网路分析与综合”威利，约翰1966年。
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