交流控制技术-第五章

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1、交流电机控制技术 第五章第五章 PWMPWM逆变器逆变器 第五章 PWM逆变器 引言引言5.1 PWM5.1 PWM逆变器基本工作原理逆变器基本工作原理5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术 5.3 5.3 PWMPWM交流调速交流调速 引言一、背景 说明：PWM的思想源于通信技术，全控型器件的发展促进了PWM技术的应用和完善；PWM技术以其对波形调制的灵活性和通用型，在交流调速和电力电子等领域得到 了广泛的应用，成为逆变器控制的基础。需要性能更好的波形调制方 式1800导电型和1200导电型采用的波形调制方式六拍控 制。 六拍控制的问题：低次谐波丰富 ，逼近正弦波能力差。P W M引言二、

2、PWM PWM (Pulse Width Modulation)指脉宽调制技术： 通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（含形状和幅值)。PWM 的用途： 利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列 实现变压、变频控制，并且消除谐波的技术PWM 原理：面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。d)单位脉冲函数f (t) d (t)tO a)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同引言PWM调制信号生成方法：载波调制法 采用模拟

3、电路的硬件调制软件生成法 自然采样法 规则采样法 利用软件计算开关角谐波消去法 输出电压波形按傅氏级数展开 ，令谐波表达式为零三次谐波注入法 注入3倍频于正弦波信号的谐波 ，合成后线电压无三次谐波滞环比较法 使实际电流跟踪给定电流的变化磁场轨迹法 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的引言PWM调制信号生成举例利用三角波电压和给定电压相比 较来确定脉冲宽度。如电压比较 器：调制uruc 时 输出高电平；uruc 时 输出低电平改变调制脉冲电压的调制周期，可以改变输出电压 的频率，改变电压的脉冲宽度可以改变输出基波电压的大小 。载波三角波峰值一定，改变参考信号Vr的频率和幅值，可以控制逆变器

4、输出基波电压频率和电压幅值 的大小。5.1 PWM逆变器的基本工作原理一、单相PWM逆变器1、电路结构VT功率开关续流二极管电流正方向电压正方向感性负载5.1 PWM逆变器2、工作原理负载电压Ud1.2导通负载电压Ud3.4导通负载电压01.3导通负载电压 04.2导通5.1 PWM逆变器3、工作过程单极性脉宽调制驱动信号 控制下的输出电压和电流 波形；Vc是峰值恒定的载波三角 波；Vr是单极性正弦参考信号 （调制信号）；Vg1Vg4分别为开关 VT1VT4的驱动信号；驱动信号高电平接通，低 电平分断。单相PWM逆变器5.1 PWM逆变器的基本工作原理4、调制信号的极性Vc和Vr均为单极性没有

5、负值，载波信号极性单一时为单极性调制，否则为双极性凋制；不论是单极性调制或者是双极性调制，逆变器输出都是有正有负的交流；单极性调制逆变器的输出电压有三种状态：Ud、0、Ud，因此电压和电流波动较小谐波含量也小； 双极性调制逆变器的输出电压有二种状态： Ud、Ud；单极性输出波动较双极性要小，谐波含量少，控制比双极性复杂。同步调制：在参考波每半个周期内包含的载波三角波数一定，可保持输出脉冲 正、负半周对称，载波Vc的频率c与参考波频率r之比称为载波比，在调频过程 中保持载波比c/r。=常数；异步调制式：载波频率c恒定，只改变参考波的频率和幅值进行调频调压。5、载波信号Vc与参考信号Vr的关系单相

6、PWM逆变器5.1 PWM逆变器的基本工作原理6、双极性调制单相PWM逆变器5.1 PWM逆变器的基本工作原理二、三相PWM逆变器三相PWM逆变器用三个单相逆变器组合而成，共用一个直流电 源供电，构成三相桥式逆变器，每相的脉宽调制波互差1200。电路结构5.1 PWM逆变器的基本工作原理三相PWM逆变器调制方法调制波形输出电压三相PWM逆变器通过改变三相参考信号Vra, Vrb,和Vrc的调制周期来改变输出 电压频率，通过改变三相参考信号的幅度来改变输出电压的大小。PWM逆变器用于异步电动机变频调速，为了维持电机气隙磁通恒定，输出频 率和电压大小必须进行协调控制。urUu 0t00000ttt

7、tturVucurWuUN0.5Ud-0.5UduVNuWNUd-UduUVuUN2Ud/3Ud/35.2 脉宽调制技术一、SPWM载波比为：调制系数为：过调制当调制系数M大于1时，即为过调制。 希望输出幅值大，但 SPWM的调制能力有限？ urUu 0turVucurW1、HIPWM（改进SPWM ）uucr1uOturur1 uOtur3叠加三次 谐波在相电压调制信号中叠加3次 谐波，使之成为鞍形波，逆变 器输出电压中也含3次谐波， 合成线电压时，3次谐波相互 抵消，线电压为正弦波。鞍形波的基波分量幅值大。 除叠加3次谐波外，还可叠加其他3 倍频的信号，都不会影响线电压。3倍次谐波如何被抵

8、 消的？ 5.2 脉宽调制技术负载相电压负载中点电压3倍次谐波被抵消的机理SPWM输出电压的幅值最大能解决实际 问题吗？ 设计三次谐波注入法关键： uUN、 uVN、 uWN的幅值小于Ud/2结论： 输出电压幅值提高 2、规则采样法 一种工程实用方法ucuOturTcAD BOtuotAtDtBdd d 2d 2d方法 脉冲中点D时刻的ur采样值与三角波比较 ，确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关 器件的通断。特点 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲 宽度非常接近； 计算大为减化。设三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc5.2 脉宽调制技术3、谐波消除法 波形设计原则： 输出电压半周期内，

9、器件通、断各3次（不包括 0和），共6个开关时刻可控。 为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。Otuo Ud-Ud2 a1a2 a35.2 脉宽调制技术 首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期对称，即 其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内 前后1/4周期以/2为轴线对称 同时满足上两式的波形，用傅里叶级数表示为式中：波形设计方法：谐波消除法5.2 脉宽调制技术式中n=1,3,5,基波 ：谐波 ：适当的安排开关角（令谐波表达式0）若消除K个谐波，需要K+1个可控开关时刻，则低次谐波幅值大Otuo Ud-Ud2 a1a2 a3谐波消除法5.2 脉宽调制技术 将两种特定频率谐波的幅值

10、设 计为0，形成两个独立方程波形计算举例在三相对称电路中，相电压所含的 3次谐波相互抵消。可设计消去5次 和7次谐波，则正弦波幅 值a1、a2和a3待求解的量 ？ 还需要两个独立方 程可得a1 、a2和 a3。谐波消除法5.2 脉宽调制技术谐波消除法小结k的取值越大，消去的特定谐波越多，波形越理想，但开关时刻的计 算越复杂。有没有更好的产生SPWM的方法？ 这种方法能够取很大的k值又无需复 杂的计算4、电流跟踪控制 PWM5.2 脉宽调制技术电流控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2 2h h。将给定电流与输出电流比较，经滞环控制器控制将给定电流与输出电流比较，经滞

11、环控制器控制A A相桥臂的功率器件动作。相桥臂的功率器件动作。B B、C C二二 相的原理图均与此相同。相的原理图均与此相同。A A相控制原理相控制原理电流跟踪控制5.2 脉宽调制技术i ia a i*i*a a ，且，且i*i*a a - - i ia a h h，滞环控制器，滞环控制器 驱动驱动VT1VT1导通，变频器输出正电压，导通，变频器输出正电压， 电流增大；电流增大；当当i ia a = = i*i*a a + + h h ，使滞环翻转，关断，使滞环翻转，关断 VT1 VT1 ，并经延时后驱动，并经延时后驱动VT4VT4导通，由导通，由 于电机绕组的电感作用，电流不会反于电机绕组的

12、电感作用，电流不会反 向，而是通过二极管向，而是通过二极管VD4VD4续流，电流续流，电流 逐渐减小，逐渐减小，VT4VT4受到反向钳位而不能受到反向钳位而不能 导通，直到导通，直到i ia a = = i*i*a a - - h h ，到达滞环偏，到达滞环偏 差的下限值，又重复使差的下限值，又重复使VT1VT1导通。导通。输出电流保持在给定值范围内，围绕输出电流保持在给定值范围内，围绕 正弦波作锯齿状变化。正弦波作锯齿状变化。工作原理工作原理电流正向，电流正向，VT1VT1与与VD4VD4工作工作电流负向，电流负向，VT4VT4与与VD1VD1工作工作5.2 脉宽调制技术电流跟踪控制+-iU

13、i*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5 UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT55.2 脉宽调制技术二、SVPWM空间矢量空间矢量PWM(SVPWM) PWM(SVPWM) 或称磁链跟踪控制技术或称磁链跟踪控制技术问题的提出 交流电动机需要输入三相正弦电流的最终 目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而 产生恒定的电磁转矩。对准这一目标 把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的 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（Space Vector PWM）。磁通轨迹1800

14、导电型SVPWM5.2 脉宽调制技术1、空间矢量SVPWM空间电压矢量的特点定子电压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，时间和相位 互相错开的角度也是120。合成空间矢量：由三相定子电压合成的矢量us 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是相 电压幅值的3/2倍。 合成空间矢量us以电源角频率1作恒速旋转 。5.2 脉宽调制技术SVPWM2、电压与磁链空间矢量的关系 us 定子三相电压合成空间矢量；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。 磁链轨迹忽略定子电阻压降，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为若则当磁链幅值一定时，其大小与供电

15、电压幅值和频率成正比，其方 向与电压矢量正交（900），即磁链圆的切线方向。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）5.2 脉宽调制技术SVPWM3、开关状态与空间矢量定子电压状态空间矢量通用表示形式：定子电压状态空间矢量通用表示形式： 幅值标幺化幅值标幺化 5.2 脉宽调制技术SVPWM（a）开关状态001描述的空间矢量O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2u1uAO-uCO-uBOABC（SaSa，SbSb，ScSc）=100 =100 时，时，u1u1矢量矢量5.2 脉宽调制技术SVPWM（b）开关状态110描述的空间矢量（SaSa，SbSb，ScSc）=1 1 0 =1 1 0 时，时，u2u2矢量矢量u2uAO-uCO uBOABC（1 1 01 1 0）对应对应对应对应 位于位于距离距离 轴轴轴轴的的 方向上。方向上。 （c）开关状态010描述的空间矢量 （SaSa，SbSb，ScSc）=0 1 0 =0 1 0 时，时，u3u3矢量矢量5.2 脉宽调制技术SVPWM（d）开关状态011描述的空间矢量（SaSa，SbSb，ScSc）=011 =011