變頻調(diào)速系統(tǒng)三種CPWM調(diào)制策略的比較

1、變頻調(diào)速系統(tǒng)三種CPWM調(diào)制策略的比較 李紅梅，李忠杰，張學(xué)（合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程系，安徽合肥） 摘要：建立了考慮主磁路飽和時(shí)異步電動(dòng)機(jī)在三種連續(xù)PWM（CPWM）調(diào)制策略（SPWM、SVPWM、THIPWM）運(yùn)行下的變頻調(diào)速系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)在不同CPW M調(diào)制策略下的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行比較。較之SPWM調(diào)制策略，SVPWM、THIPW M調(diào)制策略不僅提高了饋電給逆變器的直流電壓利用率，而且減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 關(guān)鍵詞：逆變器異步電動(dòng)機(jī)；CPWM調(diào)制策略；數(shù)學(xué)模型；逆變器直流電壓；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 1引言 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)脈寬調(diào)制策略SPWM已廣泛應(yīng)用于交流變

2、頻調(diào)速系統(tǒng)中，但是SPWM法不能充分利用饋電給逆變器的直流電壓；SPWM逆變器是基于調(diào)節(jié)脈沖寬度和間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)接近于正弦波的輸出電流，但是這種調(diào)節(jié)仍產(chǎn)生某些高次諧波分量，引起電機(jī)發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)甚至造成系統(tǒng)振蕩。為提高饋電給逆變器的直流電壓利用率、減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，一些學(xué)者又先后提出了連續(xù)脈寬調(diào)制策略SVPWM和THIPWM1，2，本文建立了考慮主磁路飽和時(shí)異步電動(dòng)機(jī)在三種CPWM調(diào)制策略（SPWM、SVPWM、THIPWM）運(yùn)行下的變頻調(diào)速系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)在不同CPWM調(diào)制策略下的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行比較。2CPWM逆變器模型 系統(tǒng)使用的電壓型逆變器原理圖如圖1所示，設(shè)PWM逆變器a相開關(guān)函數(shù)為S

3、1（t）（圖1中的S1和S4所在支路），b相開關(guān)函數(shù)為S3（t）（S3和S6所在支路），c相開關(guān)函數(shù)為S5（t）（S5和S2所在支路）。SPWM調(diào)制相電壓是一組三相對(duì)稱正弦電壓。電壓空間矢量源于交流調(diào)速中磁通為圓的思想，它具有直流電壓利用率高、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便、物理概念清晰等特點(diǎn)，一經(jīng)提出即受到關(guān)注，SVPWM目前已經(jīng)得到應(yīng)用，其具體實(shí)現(xiàn)可按相電壓合成，SVPWM調(diào)制波相電壓及其構(gòu)成波形如圖2所示。該波形相當(dāng)于在SPWM方式下正弦調(diào)制波中注入三角形3次諧波，三角形3次諧波可由各項(xiàng)正弦波減去三相正弦波正負(fù)包絡(luò)線的中點(diǎn)而形成3。 減少逆變器輸入電壓脈動(dòng)的THIPWM調(diào)制波是在正弦調(diào)制波上疊加3次諧波

4、的，其調(diào)制波相 電壓及其構(gòu)成波形如圖3所示。 令三角載波電壓為Ut，CPWM逆變器調(diào)制相電壓為Ua、Ub、Uc，開關(guān)函數(shù)S1（t）、S3（t）、S5（t）表達(dá)式如下：3CPWM逆變器異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 將Im分解為q及d軸分量，經(jīng)推導(dǎo)可得異步電機(jī)考慮主磁路飽和后，在靜止坐標(biāo)系中的電壓矩陣方程為4： 式中，R、L、分別表示電機(jī)電阻、漏電感及轉(zhuǎn)子角速度，下標(biāo)s、r分別表示定、轉(zhuǎn)子的量，m是激磁磁鏈，Pddt。 選取電流、磁鏈及轉(zhuǎn)子角速度為狀態(tài)變量，考慮主磁路飽和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型為： 式中，NP、Te、J、Tl分別表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電壓矩陣V的表達(dá)式如下： 聯(lián)

5、立上述兩式即是CPWM逆變器控制異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型。4 仿真比較 研究樣機(jī)是11kW、4極鼠籠異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)有關(guān)常數(shù)：Rs0268 7，Rr0229 4（50Hz），Ls1731 6103H，Lr3059103H，J0125kgm2，逆變器輸出線電壓Ul的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和擬合直線見(jiàn)圖4。逆變器輸入電壓UD513V，載波頻率fc900Hz，系統(tǒng)在50Hz空載起動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的相電流、電磁轉(zhuǎn)矩波形見(jiàn)圖5、圖6。比較兩圖可知SVPWM、THIPWM調(diào)制策略較之SPWM調(diào)制策略，不僅電流諧波減少，而且諧波轉(zhuǎn)矩亦減少，尤其是THIPWM調(diào)制策略，明顯地抑制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 比較圖2、圖3，當(dāng)正弦

6、調(diào)制波的幅值為1時(shí)，形成的SVPWM調(diào)制相電壓波幅值為THIPWM調(diào)制相電壓波幅值為0891 1。因此，當(dāng)SVPWM模式達(dá)到其最大調(diào)制系數(shù)MD1時(shí)，此時(shí)的SPWM模式調(diào)制系數(shù)為可見(jiàn)SVPWM模式較SPWM模式對(duì)逆變器直流電壓的利用率提高1547。同理，當(dāng)THIPWM模式達(dá)到其最大調(diào)制系數(shù)MD1時(shí)，此時(shí)的SPWM模式調(diào)制系數(shù)為，THIPWM模式較SPWM模式對(duì)逆變器直流電壓的利用率提高1222。 SPWM、SVPWM、THIPWM不是孤立的調(diào)制方式，它們之間有著內(nèi)在聯(lián)系，SVPWM是在SPWM調(diào)制波中加入三角形零序分量后進(jìn)行采樣得到的結(jié)果，SPWM易于硬件電路實(shí)現(xiàn)，而SVPWM更適合于數(shù)字化控制

7、系統(tǒng)；THIPWM是在SPWM調(diào)制波中注入3次諧波而形成，明顯地抑制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是存在正弦調(diào)制波與注入的3次諧波如何同步的問(wèn)題5。以微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)是發(fā)展趨勢(shì)，所以SVPWM應(yīng)是優(yōu)先的選擇。5結(jié)論（1）建立了考慮主磁路飽和時(shí)異步電動(dòng)機(jī)在三種CPWM調(diào)制策略（SPWM、SVPWM、THIPWM）運(yùn)行下的變頻調(diào)速系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)在不同CPWM調(diào)制策略下的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行比較。（2）較之SPWM調(diào)制策略，SVPWM調(diào)制策略對(duì)系統(tǒng)中的逆變器直流電壓的利用率提高1547，THIPWM調(diào)制策略對(duì)系統(tǒng)中的逆變器直流電壓的利用率提高1222。（3）較之SPWM調(diào)制策略，SVPWM、T

8、HIPWM調(diào)制策略均減少諧波轉(zhuǎn)矩，因而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，THIPWM調(diào)制策略降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)效果最佳。（4）THIPWM是在SPWM調(diào)制波中注入3次諧波而形成，雖然明顯地抑制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是存在正弦調(diào)制波與注入的3次諧波如何同步的問(wèn)題，所以SVPWM應(yīng)是優(yōu)先的選擇。參考文獻(xiàn) 1Ahmet MHaveA Highperformance Generalized Discontinuous PWM AlgorithmJIEEE TransOnIndAppl，1998（5）：105910712Perkik ArgoAnalysis and Minimization of RippleComponents of Input Current and Voltage of PW MInvertersJIEEE TransOn IndAppl，1996（4）：9459503李紅梅，李忠杰，