《精编》现代电力电子控制技术基础知识

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1、教案编写 肖强晖廖无限 授课教师 肖强晖 电气工程系电气工程教研室 现代电力电子技术ModernPowerElectronics 第9章现代电力电子控制技术基础 重点和难点 1 掌握PWM控制技术的类型及其工作原理 2 掌握空间矢量和坐标变换原理3 了解通用瞬时功率理论4 电力电子数字控制结构5 了解微控制器 MCU 数字信号处理器 DSP 复杂可编程逻辑器件 CPLD 在电力电子技术中的基本应用 6 在电力电子技术中运算放大器的选择原则及其常用的运放电路 第9章现代电力电子控制技术基础 9 1PWM控制技术9 2空间矢量和坐标变换9 3通用瞬时功率理论简介9 4电力电子数字控制结构9 5微控

2、制器 MCU 9 6数字信号处理器 DSP 9 7复杂可编程逻辑器件 CPLD 9 8运算放大器的选择9 9电力电子控制常用运放电路 9 1PWM控制技术 9 1 1PWM控制技术概述9 1 2正弦PWM技术9 1 3优化PWM技术9 1 4随机PWM技术9 1 5小结 9 1 1PWM控制技术概述 随着采用电机控制专用型DSP芯片实现PWM技术数字化以后 花样更是不断地翻新 从最初追求电压波形的正弦 到电流波形的正弦 再到磁链的正弦 从效率最优 转矩脉动最小 再到消除噪声等 PWM控制技术经历了一个不断完善与发展的过程 9 1 1PWM控制技术概述 1964年 A Schonung和H St

3、emmler在 BBC评论 上发表文章 将通信系统中的调制技术引入到交流电气传动中 产生了正弦脉宽调制 SPWM 变频变压的思想 从而为交流电气传动的推广应用开辟了新的局面 所谓PWM技术就是利用电力半导体器件的开通和关断产生一定形状的电压脉冲序列 再经过一定的低通滤波器后 来实现电能变换 并有效地控制和消除谐波的一种技术 9 1 1PWM控制技术概述 PWM控制技术可以分为三大类 正弦PWM 包括以电压 电流或磁链波形的正弦为目标的各种PWM方案 优化PWM及随机PWM 当然从实现的方法上看 大致有模拟式和数字式两种 9 1 1PWM控制技术概述 以PWM控制方式运行所引起的主要问题有电流畸

4、变 变换器的开关损耗 负载的谐波损耗以及用于交流调速系统时电机的转矩脉动 这些影响可以用以下性能指标来描述 1 电流谐波 谐波电流有效值为 9 1 其中 为电流的基波分量 不仅与变流器的PWM控制方式有关 而且还与负载的阻抗特性有关 9 1 1PWM控制技术概述 电流谐波畸变率 TotalHarmonicDistortion 9 2 9 1 1PWM控制技术概述 2 谐波频谱各频率分量在非正弦电流中所占的份额可用谐波电流频谱来表示 它能够比电流谐波畸变率THD提供更详细的说明 在同步PWM中 可以得到离散电流频谱 载波频率为 9 3 9 1 1PWM控制技术概述 2 谐波频谱其中 N是载波比

5、载波比N值受到 9 4 条件的限制 为电力半导体开关器件的允许频率 为最高基波频率 9 1 1PWM控制技术概述 3 最大调制度调制度m定义为调制信号峰值与三角载波信号峰值之比 即 9 5 m值在0 1之间变化 以调节变换器输出电压的大小 它体现了直流侧母线电压的利用率 在N值较大时 一般取最高的m 0 8 0 9 9 1 1PWM控制技术概述 4 转矩脉动在交流电机中 转矩脉动的标么值表示为 9 6 其中 Tmax为最大电磁转矩 Tav为平均转矩 TN为电机额定转矩 虽然谐波转矩是由谐波电流产生的 但两者之间并没有精确的关系 9 1 1PWM控制技术概述 5 开关频率和开关损耗一般而言 电力

6、半导体器件开关频率的增加可以使变流器交流侧的电流谐波畸变减少 从而提高系统的性能 但是由于开关器件受到开关损耗的限制 开关频率并不能够随便增加 这是因为 开关器件的开关损耗与其开关频率成正比 开关器件的开关频率随着器件容量的增加而趋于降低 例如 大功率GTO 如6000V 6000A容量的GTO 的开关频率只有500Hz左右 而大功率IGBT 如4500V 1200A容量的IGBT 的开关频率只有2 10kHz 9 1PWM控制技术 9 1 1PWM控制技术概述9 1 2正弦PWM技术9 1 3优化PWM技术9 1 4随机PWM技术9 1 5小结 9 1 2正弦PWM技术 最常用的PWM技术就

7、是正弦PWM SinePWM SPWM 这种SPWM的脉冲宽度按正弦规律变化 因此可以有效地抑制低次谐波 从而大大改善了变流器 包括整流器和逆变器 的各项性能 主要有 1 电压正弦PWM技术2 电流正弦PWM技术3 磁链正弦PWM技术 9 1 2正弦PWM技术 1 电压正弦PWM技术电压SPWM技术可以采用拟电路 数字电路或大规模集成电路芯片来实现 采用模拟电路时模 先由振荡器分别产生正弦波和三角波信号 然后通过比较器产生出PWM控制信号 以此来确定变流器某一相桥臂的上下开关器件的开通与关断 这种实现方法 使得系统的分立元器件过多 控制线路复杂 精度也难以得到保证 目前 随着电机控制专用DSP

8、芯片开始普及与应用 数字化PWM技术得到了迅速的发展 典型的数字化PWM方法有自然采样PWM和规则采样PWM两种方法 在数字化PWM控制中 首先需要通过CPU计算出一个采样周期内的输出脉冲宽度和间隙时间 时间的改变则通过定时器来完成 9 1 2正弦PWM技术 自然采样PWM见下图所示 虽然自然采样PWM可以真实地反映输出脉冲宽度信息 但是其脉冲宽度为 9 7 其中 时间ta tb是未知的 所以这是一个超越方程 需要计算机迭代求解 难以适用于计算机实时控制 图9 1自然采样PWM 9 1 2正弦PWM技术 规则采样PWM则是对自然采样PWM的一种简单近似处理 它又可以分为对称规则采样PWM和不对

9、称规则采样PWM两种方法 分别如图9 2 a 和 b 所示 此时脉冲宽度分别为 a 对称规则采样PWM b 不对称规则采样PWM 图9 2规则采样PWM 9 1 2正弦PWM技术 规则采样PWM对称规则采样PWM和不对称规则采样PWM脉冲宽度分别为 9 8 9 9 式 9 8 是采用对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式 式 9 9 则是使用不对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式 由于此时的 是已知的 通过采样时刻得到的采样值可以反推出 因此可以采用CPU快速地计算出每相的脉冲宽度和间隙时间 9 1 2正弦PWM技术 规则采样PWM具有实时实现容易 线性度好等优点 但是和自然采样PWM一样 具有电压

10、利用率低的缺点 输出线电压的峰值只能达到直流侧母线电压的0 866倍 电压SPWM技术还有其他的实现方法 如等面积法 连续移相法等 这里就不一一介绍 9 1 2正弦PWM技术 2 电流正弦PWM技术变流器的控制性能主要取决于电流的控制质量 为了满足电机控制良好的动态性能 经常采用电流的闭环控制 即采用电流正弦PWM技术 此外 在电力电子其他应用领域中如有源电力滤波器等也广泛应用这一技术 目前实现电流SPWM的方法很多 包括PI控制 滞环电流控制 固定开关频率的Delta电流控制 无差拍控制及预测电流控制等几种 它们均具有控制简单和动态响应速度快的特点 但是其直流侧母线电压的利用率仍然较低 9

11、1 2正弦PWM技术 2 电流正弦PWM技术最初的电流反馈控制就是采用通常的PI调节器的方法分别控制三相电流 PI调节器的输出和三角波信号进行比较后产生出PWM控制信号 这种方法的问题是电流反馈需要加较大的滤波 以保证PI调节效果 另外 还存在电流移相 此方法的一种改进是在 坐标系中 将需要调节的三相电流变换为轴和轴直流量 而PI调节器则直接对轴和轴电流进行调节 其输出再经旋转坐标变换为三相正弦电压 再和三角波比较输出PWM控制信号 9 1 2正弦PWM技术 2 电流正弦PWM技术在电流SPWM控制方式中 最简单 曾经广泛应用于小功率调速系统中的是电流滞环PWM控制 即将正弦电流参考波形和电流

12、的实际波形通过滞环比较器进行比较 其结果决定逆变器桥臂的上下开关器件的开通和关断 这种方法可以使得实际电流与电流参考的误差约束在滞环带内 而且采用模拟电路实现简单 动态性能优良 具有强鲁棒性 9 1 2正弦PWM技术 2 电流正弦PWM技术电流滞环PWM控制方式也存在明显的缺陷 存在非优化的开关过程 在低调制度时造成开关频率很高 由于相间实际存在相互影响 电流误差经常超出滞环带 开关频率不固定 与电路参数 负载情况及滞环宽度等因素有关 谐波电流频谱随机分布 不利于交流侧LC滤波器的设计 之后 发展了固定开关频率的Delta电流控制 实际上 这种控制方法就和全数字化PWM控制非常接近了 9 1

13、2正弦PWM技术 2 电流正弦PWM技术为了解决有限采样频率下实现电流的有效控制 J Holtz和A Kawamura等人提出了电流预测控制和无差拍控制的思想 所谓电流预测控制就是在采样周期的开始 根据电流的当前误差和负载情况选择一个使误差趋于零的电压矢量去控制变流器中开关器件的通断 也就是说以开关顺序的在线优化为出发点 选择一定的电压矢量来控制电流矢量的轨迹 使它相对于参考电流矢量保持最小的空间误差 因此 这是一种典型的全数字化PWM方案 该控制方式的控制精度依赖于系统的参数 这里对电流预测控制和无差拍控制不做进一步的讨论 9 1 2正弦PWM技术 3 磁链正弦PWM技术磁链正弦PWM 即电

14、压空间矢量PWM SpaceVectorPWM 简称SVPWM 与电压SPWM不同 它是从电机的角度出发 着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁链 即正弦磁链 在理想三相供电电压下的空间电压合成矢量为 9 10 9 1 2正弦PWM技术 3 磁链正弦PWM技术在理想情况下 电压空间矢量为圆形旋转矢量 而磁链为电压矢量的时间积分 也是圆形的旋转矢量 为了使逆变器的输出电压矢量接近圆形 并最终获得圆形的旋转磁链 必须利用逆变器的输出电压矢量的时间组合 形成多边形电压矢量轨迹 使之更加接近圆形 目前 磁链SPWM多采用控制电压矢量的导通时间的方法 用尽可能多的多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁链 9

15、1 2正弦PWM技术 3 磁链正弦PWM技术在一个开关周期中利用两个有效电压矢量的平均值等效给定电压矢量在此开关周期中的采样值 即 9 11 9 12 9 1 2正弦PWM技术 3 磁链正弦PWM技术在下一个开关周期内 电压矢量的作用顺序为 一种具体的PWM脉冲分布如图9 3所示 各电压矢量的作用顺序要遵守以下的原则 任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂的开关动作 表现在二进制矢量表示中只有一位变化 这是因为如果允许有两个或三个桥臂的开关同时动作 则在线电压的半周期内会出现反极性电压脉冲 产生反向转矩 引起转矩脉动和电磁噪声 9 1 2正弦PWM技术 3 磁链正弦PWM技术 图9 3一种具体的

16、PWM脉冲分布 9 1 2正弦PWM技术 3 磁链正弦PWM技术的幅值达到上限时 逆变器的输出线电压基波幅值就等于直流侧母线电压 比SPWM高出15 而且谐波电流的总有效值接近于优化 可以说SVPWM实质上是一种带谐波注入的调制方法 9 1PWM控制技术 9 1 1PWM控制技术概述9 1 2正弦PWM技术9 1 3优化PWM技术9 1 4随机PWM技术9 1 5小结 9 1 3优化PWM技术 正弦PWM一般随着电力半导体器件开关频率的提高会获得很好的性能 因此在中小功率电机控制系统中得到广泛应用 但是 对于大容量电力电子系统来说 较高的开关频率会导致较大的开关损耗 因而是不可取的 所谓优化PWM就是根据某一优化目标将所有工作频率范围内的开关角度预先计算出来 然后通过查表或其他方式输出PWM控制信号 由于每个周期只有可数的几次开关动作 因此开关角度的小变化对谐波含量的影响较大 目前都采用存表 然后通过少量的插值计算或近似简化计算的方法来输出PWM波形 9 1 3优化PWM技术 1 谐波消除法事实上 人们早在20世纪60年代就发现 在方波电压中增加几次开关动作 可以大大削弱某次特定的低次