摘 要：该文提出将PWM技术应用于阶梯波合成逆变器，以实现逆变器的输出电压调节。该文分析了方案的基本原理和性能，将单脉冲调制应用于12阶梯波逆变器，可以在较大的输入电压范围内调节输出电压同时保证波形具有良好的正弦性。研制的80kVA逆变器证明了该技术的可行性，由于功率管开关频率低，具有效率高的突出优点。
关键词：电力电子；逆变器；阶梯波合成；脉宽调制
1 引言
阶梯波合成逆变器具有开关频率低、波形质量好、损耗小、输出电气隔离等优点，适用于大功率场合[1,2]。但是，阶梯波合成逆变器自身不具备调压能力，无法形成有效的闭环电压控制，一般还需依靠前级的直流变换器调压或采用移相调压技术[3,4]。前者增加了直流环节，限制了功率容量，同时降低了效率；后者则需要增加变换器和变压器的容量，即增加了系统的体积重量和成本，特别是在功率较大和输入电压变化范围大的场合，这一缺点更加突出[5,6]。
脉宽调制（PWM）技术是常用于稳定和调节电压及进行波形变换的一种重要技术[7,8]。通过改变输出脉冲的宽度，可以达到改变输出电压大小的目的。将PWM调压技术和阶梯波合成技术相结合，可以综合阶梯波合成技术和PWM技术的优点，得到性能良好的大功率逆变器。
2 阶梯波合成逆变器的PWM调压基本原理及性能分析
传统的三相阶梯波合成逆变器一般采用p导通型三相逆变桥。若三相逆变桥的每个功率管驱动信号不是p宽，而是在半周期内增加几次开关，即采用脉宽调制技术，使得逆变器输出线电压为脉宽调制波，在原2p/3宽准矩形波上多几个缺口，这样该桥臂输出电压基波幅值发生变化，变压器合成电压的基波幅值也就变化了。但是采用PWM技术后，输出电压的波形质量将变化，总谐波含量加大，因而要合理设计PWM方案，以既实现调压，又保证输出电压的正弦性。
以12阶梯波合成逆变器为例，主电路如图1所示。合成逆变器由两个完全相同的三相逆变桥以及两个变压器构成。每个桥臂上下管互补开关，两个逆变桥的控制信号完全一样，只是II号桥的控制脉冲比Ⅰ号桥提前p /6。因此，各功率开关的控制信号按照Q7、Q1、Q8、Q2、Q9、Q3、Q10、Q4、Q11、Q5、Q12、Q6的顺序依次相差p/6。
变压器副边各线圈上的电压相位如图2所示。按“谐波抵消”原理取变压器匝比，使五次谐波相互抵消，可以得到近似正弦波的12阶阶梯波。
该逆变器输出电压的表达式如式(1)，其基波大小仅与直流电压大小和变压器变比有关。
式中 A1、A2为变压器变比。
若功率管开关次数增加，使桥臂中点一个周期内输出3个脉冲，如图3(a)所示。另一桥臂中点输出同样的波形，相位滞后2p/3如图3(b)，则得到如图3(c)所示逆变器线电压波形。与图2中波形比较可见，采用这种控制方式，输出电压波形多了一个宽度2q 可以控制的缺口。显然，调节q 的大小，可以改变输出电压基波幅值。这就是阶梯波逆变器单脉宽PWM调压的基本原理。采用PWM技术的阶梯波合成逆变器的功率管控制信号是一个特殊设计的波形。
3 单脉宽调制12阶梯波逆变器性能分析
以12阶梯波逆变器为例，分析采用单脉宽调制技术后的特性。
图3的波形可表示为
该PWM波的谐波含量与q 的关系如图4。
PWM波施加于如图1的12阶梯波逆变器，则A相输出电压表达式为
式中
所以
由“谐波抵消”原理，12阶梯波逆变器可以抵消5、7次等12N±5(N=1, 2, …)次谐波，最低次谐波为11、13次，从而大大降低了总谐波含量THD，谐波含量随q 变化而变化，其总谐波含量如表1。
各次谐波以及THD与q 的关系如图5所示。
由图5可见，在q =15°处，THD存在一个最小点，与普通阶梯波合成逆变器输出电压的THD相同。如果将逆变器的额定工作点设计在该点，使q 在15°附近变化以调整输出电压，采用适当的输出滤波器后，可以保证系统在较宽的输出电压调节范围内具有较好的电压波形。
若增加逆变器的阶梯数，将11和13次谐波抵消，则输出电压的总谐波含量将更小。
4 80kVA逆变器设计及实验结果
某80kVA逆变器，额定直流输入电压为1500V，工作范围为1200~1800V，输出电压为三相四线，50Hz，相电压220V。采用二个三相逆变桥级联，若设计额定工作电压时q =15°，在全部输入电压范围内保证输出基波电压大小不变，逆变器的控制角q 变化范围为7º~18º，未滤波的输出电压最大失真度为50.3%，在采用11次和13次陷阱滤波器后，可以使得输出电压的THD小于10%，可以满足各类用电设备的供电要求。图6为该逆变器在不同的输入电压下的输出波形及谐波分析。该变换器在1500V输入额定负载输出时的效率h 高达98.4％。
5 结论
（1）本文对阶梯波合成逆变器的PWM调压技术进行了研究，分析了阶梯波合成逆变器采用PWM技术调压的原理；
（2）结合12阶梯波逆变器分析了单脉宽调制方案，分析了逆变器性能，可以在较大的输入电压范围内调节输出电压的同时保证波形具有良好的正弦性；
（3）完成80kVA样机实验，给出了实验波形，实验证明该方案是实现大功率逆变器的一种较理想方案，开关频率低仅为输出频率的3倍，具有波形质量良好，效率高的突出优点。
参考文献
[1] Agrawal J P．Power electronic systems-theory and design [M]．Prentice-Hall．2001．
[2] Seguier G．Power electronics converters：DC/AC conversion [M]．Springer Verleg，1993．
[3] 张勇（Zhang Yong）．大功率三相静止变流器研究（Research on three-phase static converter with high power output）[J]．南京航空航天大学学（Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronau-tics），2002，34(1)：55-59．
[4] Zhang Z C，Kuang J，Wang X，et al．Force commutated HVDC and SVC based on phase shifted multi-converter modules[J]．IEEE Trans on Power Delivery，1993，8(4)：712-718．
[5] Leon M T，Peng F Z，Thomas G H．Multilevel PWM methods at low modulation indices [J]．IEEE Trans on P.E.，2000，15(4)：719-725．
[6] Peng F Z，Lai Jinsheng，Mckeever J，et al．A multilevel voltage-source inverter with separate DC sources for static VAR generation [J]．IEEE Trans on I.A.，1996，32(5)：1130-1137．
[7] Bakhshai A R，Joos G，Jin H．Space vector pattern generators for multi-model low switching frequency high power compensators[A]．In： IEEE，PESC’97[C]．1997：344-349．
[8] 吴洪洋，何湘宁（Wu Hongyang，He Xiangning）．多电平载波PWM法与SVPWM法之间的本质联系及其应用（Relationship between multilevel carrier-based PWM and SVPWM and its applications）[J]．中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2002，22(5)：10-15．
