DOI:10.16545/j.cnki.cmet.2014.06.038 改进CPS-PWM调制法三相五电平逆变器的实现张忠1，高小朋2，汪玉凤2(1．吉林省珲春矿业集团供电分公司，吉林珲春133300;2．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)摘要:为克服基于载波的多电平逆变调制法需要载波数量多、PWM输出端口多的问题，在对基于载波的多电平调制法研究的基础上，对载波移相调制法进行了改进。即对改进的调制法在相同载波周期内，采用不同形状的载波与同一调制波比较，得到不同级H桥的驱动信号，从而控制不同H桥的电压输出，最终得到五电平的电压输出波形。新的调制法能利用单片DSPTMS320F2812芯片，而不需借助现场可编程逻辑门阵列等器件就能实现对三相五电平的控制。仿真和实验证明，改进的调制法能有效实现三相五电平逆变。关键词:多电平逆变;调制法;载波采样中图分类号:TP212;TM464文献标识码:A文章编号:1001－0874(2014)06－0077－04ImprovedModulationofCPS-PWMforThreePhaseFiveLevelInverterZhangZhong1，GaoXiaopeng2，WangYufeng2(1．PowerSupplyCompany，JilinHuichunMiningGroup，Huichun133300，China;2．SchoolofElectricalandControlEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Huludao125105，China)Abstract:Inordertoovercometheproblemsthatthemodulationofmulti-levelinverterrequiredmorecarrierwavesandPWMoutputports，thecarrierphaseshiftmodulationmethodwasimprovedbasedontheresearchofmulti-levelmodulationonthecarrier．Withtheimprovedmodulationmethod，thecarrierofdifferentshapes，inthesameperiodofcarrier，werecomparedwiththesamemodulationwavedrivingdifferentstageHbridges，andthevoltageoutputofdifferentHbridgeswerecontrolled，finallygettingtheoutputvoltagewaveformoffivelevel．OnlyasingleDSPTMS320F2812chipwithnewmodulationmethodwithoutusingfieldprogrammablelogicgatearraydevice，canrealizethecontrolofathree-phasefivelevelinverter．Simulationsandexperimentalresultsprovedtheimprovedmodulationmethodthatachievedthethreephasefivelevelinvertereffectively．Keywords:multi-levelinverter;modulation;carriersampling0引言级联型多电平逆变器具有输出电压谐波含量少、相同电平数所需元件最少、易实现模块化、易扩展等优点，近年来得到广泛应用［1］。在有源电力滤波器中应用多电平技术，不仅能减小设备的体积、减小器件的耐压值，还能提高系统的动态性能，文献［4］提出的新型滞环控制方法，特别适合中高压大功率场合。目前级联型多电平逆变器的调制方法主要有阶梯波调制法、基于载波的PWM(SPWM)调制法和空间矢量调制(SVPWM)法［1，2，4］，其中阶梯波调制法需预先计算开关角消谐波且存在收敛性问题;空间矢量调制法因其控制的复杂性，一般仅限于四电平以下使用，在实际应用中多使用SPWM调制法［2，3］，SPWM调制法又分为载波移相(CPS-PWM)调制法和载波移幅(CD-PWM)调制法，前者能较好地克服功率平衡问题［3，5］。本文在对基于载波多电平调制法研究的基础上，对CPS-PWM调制法进行了改进，使其能在保持CPS-PWM调制法优良性能的基础上，大量减少控制芯片PWM输出个数，能利·77·2014年第6期煤矿机电中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

用单片DSP芯片而不借助CPLD或FPGA实现三相五电平调制，通过仿真和实验，证明了改进的调制法的正确性和实用性。1三相五电平逆变器调制新方法1．1五电平拓扑结构如图1所示，三相五电平逆变器采用基本的级联H桥结构。以A相为例，上下两H桥均可输出－Ud、0、Ud三种电平，两者级联后便可输出－2Ud、－Ud、0、Ud、2Ud五种电平。图1三相级联H桥式五电平拓扑1．2调制方式1．2．1载波移相调制法载波移相调制法(CPS-PWM)中，所有三角载波均具有相同的频率和幅值，但任意相邻载波的相位均有相移，其值为:cr=2π/(m－1)(1)式中，m为单相电平数。调制信号通常为幅值和频率都可调节的正弦波，通过调制波和载波的比较可产生所需要的门极驱动信号。以图1中三相五电平逆变器的A相为例，图2给出了移相载波调制法的的调制规则。其中包含4个三角载波，任意相邻载波有90°相移。载波Vcr1+、Vcr2+分别与调制波VmA比较产生H桥单元HAH、HAL左桥上臂两个开关器件GA1、GA5的门极信号，其余两个载波Vcr1－、Vcr2－与载波Vcr1+、Vcr2+分别有180°相移，分别用来产生H桥单元右上臂GA3、GA7的门极信号。所有H桥单元下部开关元件的门极信号由对应上部器件的门极信号进行互补得到。图2CPS-PWM调制法波形图1．2．2改进的调制法移相载波调制法本质上也是单极性调制法，但需要的载波数目多、PWM端口多，这使得单片数字处理器难以实现。同时，一个载波周期内每个桥臂的开关器件都要动作，这会导致相同载波频率下开关器件的动作频率较高、损耗大效率低。为解决这些问题，本文对CPS-PWM法进行了改进，提出一种在载波周期内错位采样的新SPWM调制方法。根据SPWM调制法原理可知，各级H桥相互独立控制，随着各级占空比的变化，输出波形叠加成多电平。根据SPWM调制法的原理，对PWM的控制方法进行调整，如图3所示(以A相为例)。图3改进的SPWM调制法波形图1)图1中H桥单元HAH、HAL的左上臂两个开关器件的驱动信号GA1、GA5为前半个调制波周期导通后半个调制波周期关断。2)H桥右臂的载波改用斜三角载波。其中，HAH的载波为斜升三角HAL的为斜降三角。门极信号GA3、GA7由载波Vcr1和Vcr2与调制波VmA比较产·87·煤矿机电2014年第6期中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

生，载波大于调制波时相应器件导通，载波小于调制波时相应器件关断。3)所有H桥单元下部开关元件的门极信号由对应上部器件的门极信号进行互补得到。2调制法的仿真分析利用Matlab/Simulink仿真软件对逆变部分进行仿真，并将本文调制新方法与其它调制法进行对比，以验证该调制法的正确性和可行性。仿真基本参数设置为:直流侧电压Ud为300V，调制波频率f为50Hz，载波频率fc为10kHz，调制度M为1．0，仿真结果如图4所示。利用FFT对仿真结果进行分析得总的谐波畸变率(totalharmo-nicdistortion，THD)为27．09%，而同条件下CPS-PWM法的THD为27．21%。图4单相五电平输出波形图在基于载波的PWM控制法中主要有载波移相控制法(CPS-PWM)和移幅载波调制法。载波移幅调制法又分为同相层叠(In-PhaseDisposition，IPD)法、相邻反相层叠(AlternativePhaseOppositeDispo-sition，APOD)法和正负反相层叠(PhaseOppositeDisposition，POD)法，其中，IPD调制法效果最好［2］。为更好了解本文调制法的性能，在不改变其他条件下，通过改变采样频率fc或调制度M将其与CPS-PWM、IPD进一步比较。仿真结果如表1、表2所示。表1fc变化时不同调制方式的THDfc/kHz新SPWMTHD/%CPS-PWMTHD/%IPDTHD/%125．2526．9426．81226．6426．9126．93326．8926．6626．81426．9226．9226．98526．8227．2326．95626．6625．8626．65726．6725．8226．63826．8927．1126．92926．8326．2026．811027．0927．2127．08比较表1、表2可知，三种调制方式的THD均对调制度M变换较为敏感，对载波频率fc变化相对稳表2M变化时三种调制方式的THDM新SPWMTHD/%CPS-PWMTHD/%IPDTHD/%0．70041．9341．7141．920．72541．2141．0341．120．75040．3240．3640．330．77539．2739．2739．400．80038．4838．5938．450．82537．2537．2737．230．85036．0135．9436．100．87534．9235．0134．890．90033．6333．3833．58定;无论是调制度变化还是载波频率变化，本文所述调制法均与CPS-PWM法和IPD法具有近似等效的控制效果。3实验验证3．1单片DSP实现调制方法以TI公司的DSP芯片TMS320LF2812为控制芯片，三相逆变中六个H桥的右臂用DSP的两个事件管理器(EVA和EVB)输出的12路PWM控制。由于EVA、EVB工作时，均由一个定时器分别控制3对含死区的PWM端口，故无法用CPS-PWM法(至少需要4个定时器分别控制不同的PWM输出)调制。按本文所述调制方法将EVA中定时器的计数模式设置为斜升三角，与普通I/O口一起控制三相逆变桥每相的上桥，将EVB中定时器的计数模式设置为斜降三角，控制三相逆变桥每相的下桥，如图5(a)所示。EBA控制PWM1、PWM2与普通I/O口GPIO1结合控制A相HAH桥，EVB控制PWM7、PWM8并与GPIO1结合控制A相HAL桥。X1、X2、X3(内部电路如图5(b)所示)为逻辑转换与死区控制电路(调节电阻和电容的大小可改变死区时间)，用以产生两路互补并含死区的驱动信号。通过对事件管理器的设置将载波频率设定为10kHz，死区时间设置为2μs。在主程序中对正弦波表格进行初始化，在每个PWM定时器周期中断中从正弦表中获得相应数值，并将其赋值给相应比较寄存器，然后事件管理器根据初始设定自行决定输出PWM信号电平的高低。同时，在每次中断中都要判断I/O输出电平。3．2实验结果实验以国际整流公司的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)IＲF540为开关器件制作样机，直流侧电压经隔离调压器降压，并整流滤波得到24V直流电压。逆变器输出波形如图6所示。·97·2014年第6期煤矿机电中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

(a)DSP输出外围电路(b)驱动信号的逻辑转换与死区控制图5DSP外围接口电路4结语通过对级联型多电平调制法的研究，分析了CPS-PWM调制法的调制机理，并依据调制机理对其改进，新的调制法能用单片DSP实现对三相五电平逆变的调制。仿真和实验证明，新的调制法能有效又更容易实现对级联型三相五电平电平的调制，而且与CPS-PWM调制法和IPD调制法的调制性能相近。图6逆变器A、B相输出相电压波形参考文献:［1］刘凤君．多电平逆变技术及其应用［M］．北京:机械工业出版社，2007．［2］BinWu．大功率变频器及交流传动［M］．北京:机械工业出版社，2007．［3］牟伟．级联多电平变频器相位移载波SPWM调制方法的研究［D］．成都:西南交通大学，2006．［4］李建林．载波相移级联H桥型多电平变流器及其在有源电力滤波器中的应用研究［D］．杭州:浙江大学，2005．［5］孙宜峰，阮新波．级联型多电平逆变器的功率均衡控制策略［J］．中国电机工程学报，2006(4):126-133．作者简介:张忠(1962－)，男，高级工程师。毕业于阜新矿业学院，主要研究方向为煤矿供配电和供配电自动化，发表论文4篇。(收稿日期:2014－07－29;责任编辑:姚克檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿)(上接第76页)2)传统行走机构齿轮内部轴承为普通调心滚子轴承和液压用O型圈，承载力低，密封效果差。新型结构内部安装满装双列圆柱滚子轴承，承载力提高，并安装专门用于密封固体煤尘的格来圈，密封效果好。3)传统行走机构的齿轮轴承润滑通过中心油道注油，油道经常堵塞，导致轴承因摩擦而损坏。新型结构在齿轨轮侧面增加注油孔，并增加油杯结构，注油部位正好位于轴承内外圈之间，注油方便、快捷，保证轴承良好润滑。4)在同等条件下(1500mm宽支架)，新型结构齿轨轮节距为151mm且比传统采煤机行走机构126mm节距用齿轨轮齿厚增加12．5mm，齿宽增加15mm，齿形更加合理，强度提高，有效地降低了采煤机行走事故率。4结语该新型结构齿轨轮组推向市场后，有效解决了采煤机行走机构在采煤工作面大坡度时的适应性问题，使用寿命延长至半年以上，得到了用户的一致认可。参考文献:［1］李贵轩，李晓豁．采煤机设计［M］．沈阳:辽宁大学出版社，1994．［2］李占权，赵宏梅．采煤机行走部的设计［J］．煤炭技术，2006，25(7)．［3］刘伟忠．关于采煤机行走轮的分析［J］．煤炭技术，2008，27(8)．［4］刘浩宇．电牵引采煤机行走润滑系统的改进设计［J］．应用技术，2012(3)．作者简介:高宏伟(1984－)，男，工程师。2007年毕业于成都理工大学，现在西安煤矿机械有限公司从事采煤机研发和营销工作，发表论文1篇。(收稿日期:2014－05－13;责任编辑:边永梅)·08·煤矿机电2014年第6期中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net