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1、30.10.2020,1,4.5 电流跟踪PWM控制技术,电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。,30.10.2020,2,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，为此前面所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。,1.问题的提出,30.10.2020,3,但是，在交流电机中，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
2、电流，才能在空间建立圆形磁链轨迹，从而产生恒定的电磁转矩，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。 常用的一种电流闭环控制方法是电流跟踪PWM（Current Follow PWM CFPWM）控制。,30.10.2020,4,2. 滞环比较式电流跟踪控制原理 具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变压变频器的A相控制原理图示于下图所示。,图4-13 电流滞环跟踪控制的A相原理图,30.10.2020,5,图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。 将给定电流 i*a 与输出电流 ia 进行比较，电流偏差 ia 超过 h时
3、，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与此相同。,采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形 与PWM电压波形示于下图。,30.10.2020,6,图a) 电流波形 t0时刻, ia i*a ，且 ia =i*a - ia h，滞环控制器 HBC输出正电平， -VT1导通，变压变频器输出正电压，使ia增大。 当ia = i*a时，虽然ia =0，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大.,图b) 电压波形,30.10.2020,7,t=t1时刻，达到ia = i*a + h ， ia = h ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断VT1
4、，并经延时后驱动VT4。,30.10.2020,8,但此时VT4未必能够导通。 由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管VD4 续流，使受到反向钳位而不能导通。此后， ia逐渐减小，直到t=t2时， ia = i*a - h ，到达滞环偏差的下限值，使HBC再翻转，又重复使VT1导通。 这样，VT1与VD4交替工作，使输出电流ia与给定值i*a之间的偏差保持在h 范围内，在正弦波i*a上下作锯齿状变化。从电流波形图中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。,30.10.2020,9,图中给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波
5、作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。,30.10.2020,10,三相电流跟踪型PWM逆变电路,三相电流跟踪型PWM逆变电路,30.10.2020,11,三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形,30.10.2020,12,因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。,30.10.2020,13,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
6、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。,30.10.2020,14,小 结,优点：电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快， 且易于实现。 缺点：但受功率开关器件允许开关频率的限制， 仅在电机堵转且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。,30.10.2020,15,4.6电压空间矢量PWM控制技术,经典的SPWM控制着
7、眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并没顾及输出电流的波形。输出电流的波形会受负载参数的影响，电动机电流谐波不仅使损耗增加，还会产生脉动转矩，影响电动机性能。 电流滞环跟踪控制直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，比只要求正弦电压前进了一步。 把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称：,电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制。,30.10.2020,16,1. 空间矢量的定义,电压空间矢量的定义,（4-50）,旋转因子,设电源电压
8、为：,30.10.2020,17,三相合成矢量,图4-16 电压空间矢量,30.10.2020,18,三相平衡正弦电压合成矢量,是一个以电源角频率 为电气角速度作恒速旋转的空间矢量，它的幅值不变，是相电压幅值的3/2倍，当某一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。,（4-52）,旋转的空间电压矢量（链接动画）,30.10.2020,19,定子电流和磁链的空间矢量,（4-53）,（4-54）,30.10.2020,20,2. 电压与磁链空间矢量的关系,当异步电动机的三相对称定子绕组（Y接）由三相电压供电时，对每一相都可写出一个电压平衡方程式，求三相电压平衡方程式的矢量和，即得用合成空
9、间矢量表示的定子电压方程式,（4-55）,30.10.2020,21,电压与磁链空间矢量的关系,当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，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,（4-56）,30.10.2020,22,电压与磁链空间矢量的关系,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（简称为磁链圆）。定子磁链旋转矢量,（4-58）,30.10.2020,23,电压与磁链空间矢量的关系,式（4-58）对 t 求导得,（4-59）,磁链幅值等于电压与频率之比 ，方向与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，
10、如图4-17所示。,30.10.2020,24,电压与磁链空间矢量的关系,图4-17 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,图4-18 电压矢量圆轨迹,30.10.2020,25,3. PWM逆变器基本输出电压矢量,三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图,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？,30.10.2020,26,直流电源中点和交流电动机中点的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。,（4-60）,30.10.2020,27,图6-27 三相逆变器-异步电动机调速系统主电路
11、原理图,主电路原理图,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？,30.10.2020,28,30.10.2020,29,开关工作状态,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 6 种有效开关状态； 2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电） 上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通 下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通,30.10.2020,30,开关状态表,30.10.2020,31,PWM逆变器基本输出电压矢量,PWM逆变器共有8种工作状态，当（ ， ， ）=（1，0，0
12、）时，（ ， ， ）=（ ， ， ）， 代入式（4-60）得：,（4-61）,30.10.2020,32,PWM逆变器基本输出电压矢量,当 （ ， ， ）=（1，1，0）时， （ ， ， ）=（ ， ， ），得,（4-62）,30.10.2020,33,PWM逆变器基本输出电压矢量,依此类推，可得8个基本空间矢量，见表4-2，其中6个有效工作矢量 ，幅值为直流电压 ，在空间互差 。 另2个为零矢量 和 。,30.10.2020,34,PWM逆变器基本输出电压矢量,图4-19 基本电压空间矢量图,30.10.2020,35,4. 正六边形空间旋转磁场,6个有效工作矢量按 u1 至 u6 的顺序分
13、别作用时间 t，并使,（4-63）,每个有效工作矢量作用/3 弧度，6个有效 工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频 率,30.10.2020,36,正六边形空间旋转磁场2,在时间t内，定子磁链矢量的增量为,（4-64）,定子磁链矢量的增量方向与电压矢量相同，幅值等于直流侧电压与作用时间的乘积。,k=1,2,3,4,5,6,30.10.2020,37,正六边形空间旋转磁场 3,定子磁链矢量的运动轨迹为,（4-65）,图4-20 定子磁链矢量增量与电压矢量和时间增量的关系,30.10.2020,38,图4-21 正六边形定子磁链轨迹,正六边形空间旋转磁场4,30.10.2020,39,正六边形空
14、间旋转磁场5,由正六边形的性质可知,（4-66）,正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正 比，而与电源角频率成反比。在基频以下调速 时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒 定 。,30.10.2020,40,正六边形空间旋转磁场6,要保持正六边形定子磁链不变，必须使 为常数，这意味着在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。 有效的方法是插入零矢量，使有效工作矢量的作用时间仅为 ，其余的时间,。,用零矢量来补。,30.10.2020,41,正六边形空间旋转磁场7,在/3弧度内定子磁链矢量的增量为,正六边形定子磁链的最大值,（4-67）,（4-68）,30.10.2020,42,正六边形空
15、间旋转磁场 8,在直流电压不变的条件下，要保持 恒定，只要使 为常数。 零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。,30.10.2020,43,正六边形空间旋转磁场9,在时间段 内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。 在时间段 内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。 电源角频率越低，零矢量作用时间也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。,30.10.2020,44,5. 期望电压空间矢量的合成与SVPWM控制,每个有效工作矢量在一个周期内只作用一次的方式只能生成正六边形的旋转磁场，与在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场相差甚远，六
16、边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。,30.10.2020,45,SVPWM基本思想,要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择，但PWM逆变器只有8个基本电压矢量，能否用这8个基本矢量合成其他多个矢量? 答案是肯定的，按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM（SVPWM）的基本思想。,30.10.2020,46,SVPWM基本思想,按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，每个扇区对应/3，当期望的输出电压矢量落在某个扇区内时，就用该扇区的两条边等效合成期望的输出矢量。 所谓等效是指在一个开关周期内，产生的定子磁链的增量近似相等。,30.10.2020,47,电压空间矢量的6个扇区,图4-22 电压空间矢量的6个扇区,30.10.2020,48,期望电压空间矢量的合成,以期望输出矢量落在第I扇区为例，分析电压空间矢量
