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1、6.4 变压变频调速系统中的脉 宽调制 (PWM)技术 1 早期六拍阶梯逆变器存在的主要问题 l采用半控式的晶闸管 l开关频率较低 l主电路两个变流器需要协调控制。 l电压（直流环节）变化动态响应慢 。 l交流输入侧功率因数差。 l逆变器输出谐波分量大。 2 逆变器一个工作周期中，其开关 元件根据目标函数要求按一定规律作 多次开工作，称为基于PWM控制技 术的逆变器。 前提：全控式电力电子开关的出现 解决途径 l应用PWM控制技术 。 3 控制目标 l电压正弦波 SPWM l电流正弦波 CHBPWM l消除指定次数谐波 SHEPWM l圆形旋转磁场 SVPWM 4 6.4.1 正弦波脉宽调制(
2、SPWM)技术 1. PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频 率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（ Carrier wave），并用频率和期望波相同的正 弦波作为调制波（Modulation wave），当调 制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器 开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波 的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不 等宽的矩形波。 5 2. PWM逆变器主电路及输出波形 三相桥式PWM逆变器主电路原理图 调制 电路 V1 V2 V3 V4 VD1 VD2 VD3 VD4 uc V6 VD6 V5 VD5 V U W NN C + C + urU urV ur
3、W 2 Ud 2 Ud VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 6 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 1 t O O O O Ud 2 -Ud 2 1 t 1 t 1 t 1 t uraurburcut uAO -Ud 2 Ud 2 -Ud 2 -Ud Ud 2 Ud uCO uBO uAB 7 在模拟电子电路中，采用正弦波发生器 、三角波发生器和比较器来实现上述的 SPWM控制； 改成数字控制后，开始时只是把同样的 方法数字化，称作“自然采样法” 。自然采样 法的运算比较复杂，在工程上更实用的是简 化后的“规则采样法”。 由于PWM变压变频器的应用非常广泛， 已制成多种专用集
4、成电路芯片作为SPWM信 号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯 片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电 机控制用的8位、16位微机和DSP芯片。 8 6.4.2 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM) 控制技术 脉宽调制（PWM）的目的是使变压变频器 输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波 ，以满足交流电机的需要。要达到这一目的 ，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以 外，还可以采用直接计算下图中各脉冲起始 与终了相位1, 2, 2m的方法，以消除指定 次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形（ Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。 9 特定谐
5、波消去法的输出波形 图6-21变压变频器输出的相电压PWM波形 10 对图6-21的PWM波形作傅氏分析可知，其 k次谐波相电压幅值的表达式为 （6-26） 式中 Ud变压变频器直流侧电压； i以相位角表示的PWM波形第i个起始 或终了时刻。 11 12 上述5个方程中共有1，2 ，5，这5 个需要求解的开关时刻相位角，一般采用数值法 迭代求解。这样的数值计算法在理论上虽能消除 所指定次数的谐波，但更高次数的谐波却可能反 而增大，不过它们对电动机电流和转矩的影响已 经不大，所以这种控制技术的效果还是不错的。 由于上述数值求解方法的复杂性，而且对应 于不同基波频率应有不同的基波电压幅值，求解 出
6、的脉冲开关时刻也不一样。所以这种方法不宜 用于实时控制，须用计算机离线求出开关角的数 值，放入微机内存，以备控制时调用。 13 6.4.3 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型 的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面 两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦 波为目标的。 但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波 电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦 电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。 因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形， 显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。 14 电流滞环跟
7、踪控制的A相原理图 1. 滞环比较方式电流跟踪控制原理 15 滞环比较方式的指令电流和输出电流 a) 电流波形 b) 电压波形 16 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 17 电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关， 同时还受到功率开关器件允许开关频率的制 约。 当环宽选得较大时，可降低开关频率，但 电流波形失真较多，谐波分量高； 如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使 开关频率增大了。 这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分 利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽 可能小的环宽。 18 小 结 电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快 ，且易于实现。但受功率开关器件允许开关 频率的限制，仅在电机堵转且
8、在给定电流峰 值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下 ，器件的允许开关频率都未得到充分利用。 为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开 关频率的电流控制器，或者在局部范围内限 制开关频率，但这样对电流波形都会产生影 响。 只须改变电流给定信号的频率即可实现变 频调速，无须再人为地调节逆变器电压 19 6.4.4 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术 （或称磁链跟踪控制技术） 本节提要 l问题的提出 l空间矢量的定义 l电压与磁链空间矢量的关系 l六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 l电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 20 问题的提出 把逆变器和交流电动机视为一体，按 照跟踪圆形旋转磁
9、场来控制逆变器的工 作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制 ”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压 空间矢量得到的，所以又称“电压空间 矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM） 控制”。 21 1. 空间矢量的定义 交流电动机绕组的电 压、电流、磁链等物理 量都是随时间变化的， 分析时常用时间相量来 表示，但如果考虑到它 们所在绕组的空间位置 ，也可以如图所示，定 义为空间矢量uA0， uB0 ， uC0 。 电压空间矢量 22 电压空间矢量的相互关系 l定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向 始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时 间按正弦规律脉动，时间相位互相错
10、开的角 度也是120。 l合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相 加合成的空间矢量 us 是一个旋转的空间矢 量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。 23 电压空间矢量的相互关系（续） 当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角频 率1 为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最 大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上。用 公式表示，则有 （7-39） 与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电 流和磁链的空间矢量 Is 和s 。 24 2. 电压与磁链空间矢量的关系 三相的电压平衡方程式相加，即得用合成 空间矢量表示的定子电压方程式为 （6-40） 式中 us 定子三相电压合成空间
11、矢量； Is 定子三相电流合成空间矢量； s 定子三相磁链合成空间矢量。 25 近似关系 当电动机转速不是很低时，定子电阻压 降在式（6-40）中所占的成分很小，可忽略 不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量 的近似关系为 （6-41） （6-42） 或 26 磁链轨迹 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机 定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁 链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链 圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。 （6-43） 其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。 27 由式（6-41）和式（6-43）可得 （6-44） 上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小
12、 与1（或供电电压频率）成正比，其方向 则与磁链矢量s正交，即磁链圆的切线方 向， 28 磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系 如图所示，当磁链矢量 在空间旋转一周时，电压 矢量也连续地按磁链圆的 切线方向运动2弧度， 其轨迹与磁链圆重合。 这样，电动机旋转磁 场的轨迹问题就可转化为 电压空间矢量的运动轨迹 问题。 旋转磁场与电压空间矢量的 运动轨迹 29 3. 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 （1）电压空间矢量运动轨迹 在常规的 PWM 变压变频调速系统中，异 步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的 电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？ 为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步 电动机调速
13、系统主电路的原理图绘出，图6- 27中六个功率开关器件都用开关符号代替， 可以代表任意一种开关器件。 30 主电路原理图 三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图 31 开关工作状态 如果，图中的逆变器采用180导通型，功率开关 器件共有8种工作状态（见附表） ，其中 l6 种有效开关状态； l2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压） ： u上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通 u下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通 32 开关状态表 33 开关控制模式 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个 周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变 器每隔 /3 时刻就切换一次工作
14、状态（即换 相），而在这 /3 时刻内则保持不变。 34 （a）开关模式分析 l设工作周期从100状态 开始，这时VT6、VT1 、VT2导通，其等效电 路如图所示。各相对 直流电源中点的电压 都是幅值为 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2 O + - iC Ud iA iB id VT1 VT6VT2 35 （b）工作状态100的合成电压空间矢量 l由图可知，三相的合 成空间矢量为 u1，其 幅值等于Ud，方向沿A 轴（即X轴）。 u1 uAO -uCO -uBO A B C 36 （c）工作状态110的合成电压空间矢量 l u1 存在的时间为/3 ，在这段时间
15、以后， 工作状态转为110，和 上面的分析相似，合 成空间矢量变成图中 的 u2 ，它在空间上滞 后于u1 的相位为 /3 弧度，存在的时间也 是 /3 。 u2 uAO -uCO uBO A B C 37 （d）每个周期的六边形合成电压空间矢量 u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7 u8 依此类推，随着逆变 器工作状态的切换，电 压空间矢量的幅值不变 ，而相位每次旋转 /3 ，直到一个周期结束。 这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转 过 2 弧度，形成一个 封闭的正六边形，如图 所示。 38 （2）定子磁链矢量端点的运动轨迹 l电压空间矢量与磁链矢量的关系 一个由电压空间矢量运动所形成的正六边 形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢 量端点的运动轨迹。对于这个关系，进一步 说明如下： 39 六拍逆变器供电时电动机电压空间矢 量与磁链矢量的关系 设在逆变器工作开始 时定子磁链空间矢量为 1，在第一个 /3 期间 ，电动机上施加的电压 空间矢量为图6
