新型非PWM功率单元在完美无谐波高压变频器中的应用

系统采用控制原则是两组桥在任意时刻只有一组投入工作，另一组关断，所以在两组桥之间不存在环流。变流器之间的切换过程是由逻辑单元控制的，因此称为逻辑无环流系统。

矩形波调制原理与原来三角波调制类似，在正弦波作调制波的情况下，把原来的三角波换成了矩形波做载波。以一个功率单元为例，用矩形波去截同频率的正弦波，当正弦波的幅值大于矩形波幅值时，使之有电压输出，其余时间内使输出为零，即可得到一个功率单元的输出。用9个单元的输出相叠加，即可得到完美接近正弦波的电压输出。

输入侧隔离变压器二次绕组经过移相降压，为每个功率单元提供独立电源，对6kv而言相当于30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，极大地抑制了网侧谐波的产生；变频器引起的网侧谐波含量可满足《电能质量公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器，并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于0.95，无需功率因数补偿电容；采用矩形波做载波，大大削弱了输出谐波含量，输出波形接近完美正弦波，无需输出滤波器装置，就可使总谐波含量(thd)降低到2%以下。

采用反并联电路虽然增加了晶闸管的数量。看似提高了成本，但是由于逆变部分采用与正弦波同频率的矩形波做载波，大大降低了管子的频率，在批量生产的情况下，又可以用低频开关管来替代高价的igbt，因此降低了成本；由于无高频，省略了高频保护电路，除了可以减小电网污染以外，还降低了成本。所以这种设计不但可以弥补由增加晶闸管造成的成本增加，还可以进一步降低总成本。

3.2 非pwm功率单元的计算机仿真

普通高压变频器中每个单元输出的pwm波的调制机理是由正弦波作信号波，三角波作载波调制产生的。而非pwm功率的实现思想则迥然不同，在每个单元采用频率不变，幅值变化的矩形波作载波，来调制输出所需要的非pwm波。

我们对额定输出电压为10kv的变频器进行了计算机仿真，每相由九个额定电压为650v的功率单元串联而成，输出相电压最高可达5850v，线电压可达10kv左右。非pwm功率单元的仿真电路如图4所示，仿真结果如图5所示。

由仿真结果可以看出，这种新型非pwm功率单元可以输出较之普通pwm功率单元更加完美的正弦波形。

3.3 非pwm功率单元的实现方法

控制系统中采用数字信号处理器dsp。dsp是一种具有特殊结构的微处理器，dsp芯片的内部采用程序区和数据区分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的dsp指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。系统控制电路中的主控部件采用tms320lf2407dsp芯片，多片dsp协同作业，通过控制器局域网(can)进行相互间的通讯联系，完成控制参数的传递，从而实现移相式npwm脉冲的触发，并且能够对各种故障中断做出及时地处理。

以额定输出电压为10kv的高压变频器为例，整个控制系统的实现方法如下：

系统采用的是主从多cpu控制系统。控制电路组成如图6所示。

假设实际主电路的每相为5单元串联结构，整个电路共有15个功率单元。对于各相中同一位置的3个功率单元，采用1片dsp进行控制，这样15个功率单元可以由5片dsp构成5个对称的子系统。再使用1片dsp作为主控芯片，对控制信号进行采样和运算以及必要的信息处理。对于每个子系统中的三个功率单元使用相同的载波信号，正弦调制波信号互差120°电角度;每相的5个功率单元共用1个正弦调制波信号。子系统时钟由主控单元给出，通过光纤传送，从而保证整个系统的时钟一致，不至于发生漂移。子控芯片根据给定的步长参数可以确定正弦调制波的频率，从而可以决定输出电压的频率。子控制系统同时还要对功率单元进行必要的保护。由于变频器系统的保护信号比较多，并且保护方式也不尽相同，在本设计中主要考虑的保护信号有：过流、过压、欠压和过热。在这4种典型故障情况下，子cpu将封锁其输出的全部npwm触发信号，同时向主cpu发出必要的信息，使其能够对发生的情况做出必要的响应和处理，并通过人机界面显示出故障情况。主控dsp主要负责对给定信号以及反馈信号的采样、实时计算、v/f查表求值、pi算法控制等等，并且通过数据和地址总线以及串行通讯接口与人机接口系统相连，从而完成信息的接收和显示。同时它还要对由子系统发送的信息进行分析和处理，监测系统的运行状况。同时，主控芯片将对电机回路进行必要的保护和处理。这样可以更加充分地发挥dsp处理器的强大的运算和实时处理能力。

主控芯片与从控芯片通过控制器局域网(can)相互连接。从而完成相互之间的一些必要的信息