453
PWM 逆变电路谐波分析
载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量，这些谐波分量的频率和幅值是衡量 PWM 逆变电路性能的重要指标之一。
同步调制我们可以看成异步调制的特殊情况，所以我们只分析异步调制方式的谐波。以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数可以推导出 PWM 波的傅里叶级数表达式。这种分析方法的过程相当复杂，但是结论却是简单而又直观的。
单相桥式 PWM 逆变电路
输出电压频谱图如下：
所包含的谐波角频率为
nωc±kωr
式中，n=1,3,5,... 时，k=0,2,4,...；n=2,4,6,... 时，k=1,3,5,...
其 PWM 波中不含有低次谐波，只含有角频率为ωc 及其附近的谐波，以及 2ωc、3ωc 等及其附近的谐波。幅值最高影响最大的是角频率为ωc 的谐波分量。
三相桥式 PWM 逆变电路
输出电压频谱图如下：
nωc±kωr
式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m-1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…时，k=6m+1，m=0,1,.../k=6m-1,m=1,2,...
不含有低次谐波，载波角频率ωc 整数倍的角频率没有了，谐波中幅值较高的是ωc±2ωr 和 2ωc±ωr。
关于 PWM 逆变中谐波的几点小结：
②SPWM 波形中所含的谐波主要是角频率为ωc、2ωc 及其附近的谐波，一般情况下ωc>>ωr，是很容易滤除的。
提高直流电压利用率和减少开关次数
提高直流电压利用率、减少开关次数在 PWM 型逆变电路中是很重要的。
①直流电压利用率是指逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值 U1m 和直流电压 Ud 之比。
②提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力。
正弦波调制的三相 PWM 逆变电路的直流电压利用率很低。在调制度 a 为最大值 1 时，输出相电压的基波幅值为 Ud/2，输出线电压的基波幅值为(√3/2)Ud，即直流电压利用率仅为 0.866。实际电路工作时，考虑到功率器件的开通和关断都需要时间，如不采取其他措施，调制度不可能达到 1，实际能得到的直流电压利用率比 0.866 还要低。
采用梯形波作为调制信号
当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，可以有效地提高直流电压利用率。决定功率开关器件通断的方法和用正弦波作为调制信号波时完全相同;对梯形波的形状用三角化率σ=Ut/Uto 来描述，其中 Ut 为以横轴为底时梯形波的高，Uto 为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。
σ=0 时梯形波变为矩形波，σ=1 时梯形波变为三角波。
σ变化时的δ和直流电压利用率
σ变化时的各次谐波含量
由于梯形波中含有低次谐波，调制后的 PWM 波仍含有同样的低次谐波，设由这些低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为б，则三角化率σ不同时，б和直流电压利用率 U1m/Ud 也不同。σ=0.4 时，谐波含量也较少，约为 3.6%，直流电压利用率为 1.03，综合效果较好。
用梯形波调制时，输出波形中含有 5 次、7 次等低次谐波，这是梯形波调制的缺点，实际应用时，可以考虑将正弦波和梯形波结合使用。
线电压控制方式
目标是使输出的线电压波形中不含低次谐波，同时尽可能提高直流电压利用率，也应尽量减少功率器件的开关次数。
在相电压正弦波调制信号中叠加适当大小的 3 次谐波，使之成为鞍形波， 则经过 PWM 调制后逆变电路输出的相电压中也必然包含 3 次谐波，且三相的三次谐波相位相同，在合成线电压时，各相电压的 3 次谐波相互抵消，线电压为正弦波。
叠加 3 次谐波的调制信号
调制信号 ur 成为鞍形波，基波分量 ur1 的幅值更大，但 ur 的最大值不超过三角波载波最大值。基波 ur1 正峰值附近恰为 3 次谐波 ur3 的负半波，两者相互抵消。
可以在正弦调制信号中叠加 3 次谐波外，还可以叠加其他 3 倍频于正弦波的信号，也可以再叠加直流分量，这些都不会影响线电压。
阅读全文
