电力拖动自动控制系统第二十六讲

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1、第二十六讲,要求：1.掌握SPWM波产生的原理； 2.掌握消除指定次数谐波的方法； 3.掌握电流滞环跟踪控制技术； 4.掌握环宽与器件开关频率之间的关系； 5.理解空间矢量概念及其产生方法,6.4 变压变频调速系统中的 脉宽调制(PWM)技术 早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器）,这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。,为了改善交流电动机变压变频调速系统的

2、性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。 由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。,6.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)技 术 1、PWM调制原理 载波和调制波 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）,SPWM波 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

3、的一系列等幅不等宽的矩形波，如图618。,图6-18 PWM调制原理,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,2、SPWM控制方式 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。,如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

4、,3、PWM逆变器主电路及输出波形 图6-19为三相桥式PWM逆变器主电路，图中N为电机三相绕组的中性点，N为直流电源正负极之间的中性点。 在主电路器件的不同开关状态下，N与N间电位经常是不同的。,图6-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图,图6-20为三相PWM波形，其中 ura、urb、urc为A，B，C三相的正弦调制波，ut为双极性三角载波； uAO、uBO、uCO为A，B，C三相输出与电源中性点O之间的相电压矩形波形； uAB为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud或Ud ； uAO为三相输出与电机中点N之间的相电压。,图6-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形,6.4.2

5、 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的。,1、指定谐波消去法原理 图6-21中各脉冲起始与终了相位1，2， 2m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）。,图6-21 特定谐波消去法的输出PWM波形,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

6、压； i以相位角表示的PWM波形第i个起始或终了时刻。,2、指定谐波消去法应用 从理论上讲 要消除第k次谐波分量，只须令式（6-26）中的Ukm，并满足基波幅值为所要求的电压值，从而解出相应的值即可。,实际上 然而，图6-21的输出电压波形为一组正负相间的PWM波，它不仅半个周期对称，而且有1/4周期按纵轴对称的性质。在1/4周期内，有m个值，即m个待定参数，这些参数代表了可以用于消除指定谐波的自由度。 其中除了必须满足的基波幅值外，尚有（m-1）个可选的参数，它们分别代表了可消除谐波的数量。,例如，取m=5，可消除4个不同次数的谐波。 常常希望消除影响最大的5、7、11、13次谐波，就让这些

7、谐波电压的幅值为零，并令基波幅为需要值，代入式（6-26）可得一组三角函数的联立方程。,上述5个参数可采用数值法迭代，在上述方程组求解出开关时刻相位角1，2，然后再利用1/4周期对称性，计算出2m=1，以及2m1.各值。,这样的数值计算法在理论上虽能消除所指定的次数的谐波，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。,6.4.3 电流滞

8、环跟踪 PWM (CHB PWM)控制技术 1、必要性 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。,2、电流滞环跟踪PWM的实现 常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具

9、有电流滞环跟踪PWM控制的PWM变压变频器的A相控制原理图示于图6-22。图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。,图6-22 电流滞环跟踪控制的A相原理图,1、滞环比较方式电流跟踪控制原理分析 将给定电流 与输出电流ia进行比较，电流偏差ia超过h时，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电压波形示于图6-23。 在图中t0时刻，如果ia ，且 iah，滞环控制器HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件导通，变压变频器输出正电压，使ia增大。,当增长到与 相等时，虽然ia=0，

10、但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使ia继续增大，直到达到ia= +h，ia=h，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断，并经延时后驱动，但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流ia不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。,此后，ia逐渐减小，直到t=t0时，ia 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 给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波ia上下作锯齿状变化。,从图6-23中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。,图6-23 电流滞环跟踪控制时的电流波形,2、滞环比较方式的给定电流和输出电流 电流

11、波形 图6-23给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形ia=f(t)和相应的相电压波形。,可以看出，ia=f(t)在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在ia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。在ia的上升段，逆变器输出相电压是+0.5Ud，在ia下降段逆变器输出相电压是-0.5Ud 。,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。,影响因素 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，

12、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。,3、环宽与器件开关频率之间的关系 假定条件 为了分析环宽与器件开关频率之间的关系，先作如下的假定： A.忽略开关死区时间，认为同一桥臂上下两个开关器件的开和关是瞬时完成、互补工作的；,B.考虑到器件允许开关频率较高，电动机定子绕组漏感的作用远大于定子电阻的作用，可以忽略定子电阻的影响。,计算公式推导 设任何一相给定正弦波电流为：i*=Imsint 由图622和图623a写出以下二式：,对于图623a中电

13、流上升段，其持续时间为t=t1t0 由电流波形近似三角形可以写出： 因此可得,同理，对电流下降段,这样可得变压变频器的一个开关周期： 相应的开关频率：,计算公式含义 A.采用电流滞环跟踪控制时，开关频率和环宽2h成反比； B.开关频率与 和 有关，转速越低，开关频率越高； C.开关频率最大发生处是电动机堵转时,正弦电流时开关频率最大和最小值： 令 ，那么 ， 堵转时 ，,D.开关频率随转速升高而降低,4、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

14、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。,6.4.4 电压空间矢量 PWM ( SVP M )控制技术（或称磁链跟 踪控制技术）,0、问题的提出 经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。 而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。,实际上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。 如果对准这一目标，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

15、工作，其效果应该更好，这种控制方法称作“磁链跟踪控制” 。,下面的讨论将表明，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”。,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6-25所示，定义为空间矢量uA0， uB0 ， uC0 。,2、电压空间矢量的相互关系 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，时间相位互相错开的角度也是120。,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。,图6-25 电压空间矢量,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。 用公式表示有： us= uA0uB0uC0,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 。,3、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由三相平衡正弦电压供电时，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： 式中us 定子三相电压合成空间矢量； Is 定子