朱鵬 ，張曉鋒 ，喬鳴忠 ，蔡巍 ，張成勝

（1.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033；2.空軍預警學院 信息對抗系，湖北 武漢 430033）

1 引言

H橋型逆變器由于其結構特點，在多相電機推進系統(tǒng)中得到廣泛的應用［1－2］。由于每個H橋為一相，易于通過注入諧波電壓改善系統(tǒng)的運行性能。學者Toliyat，Xu H S等提出在多相電機系統(tǒng)中通過注入3次諧波電壓，從而提高電機的轉矩密度［3－5］。 H 橋型逆變器開關管數(shù)量的增多，輸出電平狀態(tài)的增加，可以實現(xiàn)相電壓多電平輸出。例如H橋兩電平逆變器，可以實現(xiàn)三電平輸出，卻不會帶來三電平結構逆變器中性點電位波動等問題［6－8］。

在控制方式上，H橋型逆變器一般采用相移載波 PWM 方式［9－10］，該方式可以方便地拓展到多相系統(tǒng)中。文獻［11-12］深入研究了逆變器的三角載波PWM調制方式，但是，這些討論都是基于自然采樣方式。本文對規(guī)則采樣方式下相移載波PWM調制算法進行了研究，通過雙傅里葉分析了輸出電壓和共模電壓的頻譜特性。并針對調制波和載波分別移不同角度時的情形，進行了仿真和實驗驗證。

2 H橋型逆變器主電路拓撲結構

H橋型兩電平逆變器的拓撲結構如圖1所示，UDC為直流母線電壓，C1，C2為支撐電容。每個H橋由左、右2個橋臂組成，每個橋臂分別有2個輸出狀態(tài)：上管導通，下管截止時，輸出電壓為+UDC/2；下管導通，上管截止時，輸出電壓為-UDC/2。因此，通過對每相H橋左右橋臂開關狀態(tài)的組合，可以使逆變器的相電壓輸出為三電平，分別為：+UDC，0 和-UDC。

圖1 H橋型逆變器主電路Fig.1 The main circuit of H-bridge inverter

逆變器采用H橋型結構時，左右橋臂輸出端電壓均可由載波PWM實現(xiàn)，從而增加了控制的自由度。根據(jù)相移SPWM方法的思想，采用調制波與載波均相移的方法，與傳統(tǒng)相移方法調制波相比，控制更為靈活，能夠綜合考慮直流電壓利用率、輸出差模電壓以及共模電壓，使其控制性能達到最優(yōu)。

3 規(guī)則采樣方式下相移載波PWM調制

在實際實現(xiàn)過程中，為了便于數(shù)字化實現(xiàn)，在1個載波周期Ts（開關周期）內(nèi)，進行規(guī)則采樣［13］。圖2為規(guī)則采樣方式下采用移相載波調制方式時，第k個采樣周期的PWM波示意圖。圖2中 tk為采樣時刻，tk=（2k+1）π/ωc。

圖2 規(guī)則采樣方式下移相載波PWM示意圖Fig.2 The sketch diagram of phase-shifted PWM based on regular sampling method

比較自然采樣方式與規(guī)則采樣方式可以看出，規(guī)則采樣方式相當于在時刻tk對調制波進行采樣，再將采樣后的波形與三角載波作比較，從而生成相應的PWM脈沖波。

假設右橋臂調制波相對于左橋臂移α角，即令左、右橋臂調制波表達式為

則采用對稱采樣時，左右橋臂調制輸出的電壓波形為

假設右橋臂載波相對于左橋臂移β角，通過求解載波與調制波在三角波頂點對應時刻值相等處滿足的關系，如圖2所示。則左、右橋臂調制輸出電壓脈沖波形的時間函數(shù)為

4 規(guī)則采樣方式下相移載波PWM調制雙傅里葉分析

將左、右橋臂端電壓輸出脈沖時間函數(shù)序列進行雙傅里葉分析，表達式如下：

式中：Nf為載波比，Nf=ωc/ωe，一般取整數(shù)。則H橋每相調制輸出相電壓的表達式為

對電容中點O的共模電壓表達式為

由式（6）和式（7）可知，當 α=π，β=π 時，共模電壓為零，但輸出電壓諧波較大；當α=π，β=0時，直流母線電壓利用率最高，輸出電壓諧波最小。

對于逆變器帶電機負載來說，考慮輸出相電壓諧波含量最小，取α=π，β=0。此時，可以得到H橋逆變器相電壓具有以下頻譜特性：1）不含載波的倍數(shù)次諧波分量（包括載波的基波分量）；2）諧波分量為邊波分量（頻率 f=mfc±nfe處）；3）隨著載波比的增大，基波分量幅值接近調制波。

而逆變器共模電壓具有以下頻譜特性：1）不含開關頻率偶數(shù)倍分量；2）共模電壓中開關頻率處分量幅值最大。

可以證明，隨著載波比的增大，規(guī)則采樣方式逼近自然采樣方式［11－12］。

前面分析都是以調制波只含基波分量為例分析，至于調制波為非正弦時，可同理進行分析。

5 仿真與實驗驗證

為了驗證以上分析，分別對這兩種方式進行了Matlab/Simulink仿真。仿真條件為：直流母線電壓UDC=100 V，調制波頻率fe=50 Hz，開關頻率fc=2 kHz，調制系數(shù)m1=0.5。圖3分別給出了不同的α和β角度時仿真結果。

圖3 基于規(guī)則采樣移相載波PWM仿真結果（m1=0.5）Fig.3 Simulation results of phase-shifted PWM method based on regular sampling mode

圖3a為調制波、載波均移π角度時相電壓及其頻譜；圖3b、圖3c為只有調制波移π角度時相電壓、共模電壓及其頻譜。由圖3可以看出，當α=π，β=π時，輸出相電壓諧波含量較大，主要是由于開關頻率處諧波含量較大；當α=π，β=0時，共模電壓諧波在開關頻率處的幅值較大，而輸出相電壓諧波相對較小，通過調制波移相控制后使得開關頻率處的諧波減小為零，主要諧波含量集中在頻率 f=（4000±50）Hz附近。 此時，對于逆變器來說，相當于開關頻率提高了1倍。對照仿真結果與傅里葉分析結論，兩者是一致的。

為了進一步研究，在實驗室搭建的5相H橋變頻器實驗平臺上，對文中提出控制方法進行了實驗驗證。逆變器接LC負載，其中L=4 mH，C=22μF，實驗條件與仿真條件一致。

圖4 基于規(guī)則采樣PWM實驗結果（m1=0.5）Fig.4 Experimental results of phase-shifted PWM method based on regular sampling mode

圖4為規(guī)則采樣方式下載波移相PWM方法實驗結果，分別與仿真相對照。從圖4中可以看出，實驗與仿真結果相吻合。

6 結論

文中對H橋型逆變器規(guī)則采樣方式下相移載波PWM調制方法進行了研究。利用雙重傅里葉變換，分析了規(guī)則采樣方式下輸出共模電壓和輸出相電壓的頻譜特性?？梢缘玫揭韵陆Y論：

1）當調制波、載波均移π角時，共模電壓最?。榱悖?；

2）當調制波移π角時，直流母線電壓利用率最高，輸出電壓諧波最小。

通過對輸出電壓和共模電壓的頻譜特性分析，可以進一步為逆變器共模電壓抑制和輸出濾波器設計等問題的解決提供理論依據(jù)。

［1］Levi E，Bojoi R，Profumo F，et al.Multiphase Induction Motor Drives-a T echnology Status Review［J］.IET Electric Power Application，2007，1（4）：489－516.

［2］劉大勇.多相永磁同步電動機電力推進控制系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2001.

［3］Toliyat H A，Shailesh P W，Lipo T A.Analysis and Simulation of Five-phase Synchronous Reluctance Machines Including Third Harmonic of Air-gap MMF［J］.IEEE Transactions on Industry Application，1998，34（2）：332－339.

［4］Xu H S.Enhanced Rotor F ield Oriented Control of Five-phase Induction Motor with the Combined Fundamental and Third Harmonic Currents［D］.USA：Texas A＆M University，2001.

［5］王東，吳新振，馬偉明，等.非正弦供電十五相感應電機氣隙磁勢分析［J］.中國電機工程學報，2009，29（15）：88－94.

［6］宋文祥，陳國呈，束滿堂，等.中點箝位式三電平逆變器空間矢量調制及其中點控制研究［J］.中國電機工程學報，2006，36（5）：105－108.

［7］金舜，鐘彥儒.一種新穎的同時考慮中點電位平衡和窄脈沖消除及死區(qū)補償?shù)娜娖娇臻g電壓矢量脈寬調制方法［J］.中國電機工程學報，2005，25（6）：60－66.

［8］朱鵬，喬鳴忠，張曉峰，等.五相三電平H橋逆變器的空間矢量控制算法研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（2）：353－356.

［9］王立喬，胡長生，劉兆燊，等.載波相移SPWM技術傳輸帶寬的研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28（9）：49－54.

［10］王立喬，王長永，黃玉水，等.基于相移SPWM技術的級聯(lián)型多電平變流器［J］.高電壓技術，2007，28（7）：17－21.

［11］何湘寧，陳阿蓮.多電平變換器的理論和應用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［12］劉鳳君.多電平逆變器技術及其應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［13］王曉明，王玲.電動機的DSP控制——TI公司DSP應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.