變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制技術(shù)

變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制技術(shù)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制技術(shù)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制技術(shù)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制技術(shù)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制技術(shù)1

逆變器一個工作周期中，其開關(guān)元件根據(jù)目標(biāo)函數(shù)要求按一定規(guī)律作多次開工作，稱為基于PWM控制技術(shù)的逆變器。

前提：全控式電力電子開關(guān)的出現(xiàn)解決途徑應(yīng)用PWM控制技術(shù)。2024/4/32逆變器一個工作周期中，其開關(guān)元件根據(jù)目標(biāo)函數(shù)要求控制目標(biāo)電壓正弦波 SPWM電流正弦波 CHBPWM消除指定次數(shù)諧波SHEPWM圓形旋轉(zhuǎn)磁場 SVPWM2024/4/33控制目標(biāo)電壓正弦波 SPWM2024/4/236.5.3電流滯環(huán)跟蹤PWM控制技術(shù)

應(yīng)用PWM控制技術(shù)的變壓變頻器一般都是電壓源型的，它可以按需要方便地控制其輸出電壓，為此前面兩小節(jié)所述的PWM控制技術(shù)都是以輸出電壓近似正弦波為目標(biāo)的。

但是，在交流電機(jī)中，實(shí)際需要保證的應(yīng)該是正弦波電流，因?yàn)樵诮涣麟姍C(jī)繞組中只有通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動分量。因此，若能對電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環(huán)控制能夠獲得更好的性能。2024/4/346.5.3電流滯環(huán)跟蹤PWM控制技術(shù)應(yīng)基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入通過比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷V1（或VD1）通時，i增大V2（或VD2）通時，i減小通過環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*2024/4/352024/4/251.滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理

電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流2024/4/361.滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原

如果在i*a正半周，ia<i*a

，且i*a-ia

≥

h，滯環(huán)控制器HBC輸出正電平，驅(qū)動上橋臂功率開關(guān)器件V1導(dǎo)通，變壓變頻器輸出正電壓，使ia增大。當(dāng)ia增長到及i*a相等時，HBC仍保持正電平輸出，VT1保持導(dǎo)通，使ia繼續(xù)增大直到達(dá)到ia

=i*a

+h

，

ia

=–h

，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC輸出負(fù)電平，關(guān)斷VT1

，并經(jīng)延時后驅(qū)動VT42024/4/372024/4/27但此時未必能夠?qū)?，由于電機(jī)繞組的電感作用，電流不會反向，而是通過二極管VD4續(xù)流，使VT4受到反向鉗位而不能導(dǎo)通。此后，ia逐漸減小，直到ia

=i*a

-h時，到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值，使HBC再翻轉(zhuǎn)，又重復(fù)使VT1導(dǎo)通。這樣，VT1及VD4交替工作，使輸出電流ia及給定值i*a之間的偏差保持在范圍內(nèi)，在正弦波上下作鋸齒狀變化。從圖中可以看到，輸出電流是十分接近正弦波的。2024/4/38但此時未必能夠?qū)?，由于電機(jī)繞組的電感作用，電滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流

a)電流波形b)電壓波形2024/4/39滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流a)電流波形b)電壓波三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形

三相電流跟蹤型PWM逆變電路

三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形2024/4/310三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形三相電流跟蹤型PW

電流跟蹤控制的精度及滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對矛盾的因素，實(shí)用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。2024/4/311電流跟蹤控制的精度及滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時還小結(jié)

電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但受功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的限制，僅在電機(jī)堵轉(zhuǎn)且在給定電流峰值處才發(fā)揮出最高開關(guān)頻率，在其他情況下，器件的允許開關(guān)頻率都未得到充分利用。為了克服這個缺點(diǎn)，可以采用具有恒定開關(guān)頻率的電流控制器，或者在局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對電流波形都會產(chǎn)生影響。只須改變電流給定信號的頻率即可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，無須再人為地調(diào)節(jié)逆變器電壓2024/4/312小結(jié)電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，6.5.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)

（或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)）本節(jié)提要問題的提出空間矢量的定義電壓及磁鏈空間矢量的關(guān)系六拍階梯波逆變器及正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場電壓空間矢量的線性組合及SVPWM控制

2024/4/3136.5.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)

問題的提出經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步。然而交流電動機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。2024/4/314問題的提出經(jīng)典的SPWM控制主要著如果對準(zhǔn)這一目標(biāo)，把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，下面的討論將表明，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。2024/4/315如果對準(zhǔn)這一目標(biāo)，把逆變器和交流電動機(jī)1.空間矢量的定義

交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量uA0，uB0，uC0

。圖電壓空間矢量

2024/4/3161.空間矢量的定義交流電動機(jī)繞組的電壓、電流

電壓空間矢量的相互關(guān)系定子電壓空間矢量：uA0

、uB0

、uC0

的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律脈動，時間相位互相錯開的角度也是120°。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量us是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。2024/4/317電壓空間矢量的相互關(guān)系定子電壓空間矢量：uA0、uB0電壓空間矢量的相互關(guān)系（續(xù)）

當(dāng)電源頻率不變時，合成空間矢量us以電源角頻率

1為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)某一相電壓為最大值時，合成電壓矢量us就落在該相的軸線上。用公式表示，則有（6-23）

及定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量Is和Ψs

。2024/4/318電壓空間矢量的相互關(guān)系（續(xù)）當(dāng)電源頻率不變時，2.電壓及磁鏈空間矢量的關(guān)系

三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為（6-24）

式中

us—

定子三相電壓合成空間矢量；

Is—

定子三相電流合成空間矢量；Ψs—

定子三相磁鏈合成空間矢量。2024/4/3192.電壓及磁鏈空間矢量的關(guān)系三相的電壓平衡方近似關(guān)系當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降在式中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電壓及合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為（6-25）

或2024/4/320近似關(guān)系當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降

磁鏈軌跡

當(dāng)電動機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時，電動機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示。（6-26）

其中Ψm是磁鏈Ψs的幅值，

1為其旋轉(zhuǎn)角速度。2024/4/321磁鏈軌跡當(dāng)電動機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時，電動機(jī)由式（6-25）和式（6-26）可得（6-27）

上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時，的大小及（或供電電壓頻率）成正比，其方向則及磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，2024/4/322由式（6-25）和式（6-26）可得（6-27）上式表明，磁場軌跡及電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的關(guān)系

如圖所示，當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動2

弧度，其軌跡及磁鏈圓重合。這樣，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡問題。

圖旋轉(zhuǎn)磁場及電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡2024/4/323磁場軌跡及電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的關(guān)系如圖所示3.六拍階梯波逆變器及正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場

（1）電壓空間矢量運(yùn)動軌跡在常規(guī)的PWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機(jī)由六拍階梯波逆變器供電，這時的電壓空間矢量運(yùn)動軌跡是怎樣的呢？為了討論方便起見，再把三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖繪出，圖6-29中六個功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號代替，可以代表任意一種開關(guān)器件。2024/4/3243.六拍階梯波逆變器及正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場（1）電壓空間

主電路原理圖圖6-29三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖

2024/4/325主電路原理圖圖6-29三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主

開關(guān)工作狀態(tài)如果，圖中的逆變器采用180°導(dǎo)通型，功率開關(guān)器件共有8種工作狀態(tài)（見附表），其中6種有效開關(guān)狀態(tài)；2種無效狀態(tài)（因?yàn)槟孀兤鬟@時并沒有輸出電壓）：上橋臂開關(guān)VT1、VT3、VT5全部導(dǎo)通下橋臂開關(guān)VT2、VT4、VT6全部導(dǎo)通2024/4/326開關(guān)工作狀態(tài)如果，圖中的逆變器采用180°導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)表2024/4/327開關(guān)狀態(tài)表2024/4/227

開關(guān)控制模式

對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔

/3時刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這

/3時刻內(nèi)則保持不變。

2024/4/328開關(guān)控制模式對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出

（a）開關(guān)模式分析

設(shè)工作周期從100狀態(tài)開始，這時VT6、VT1、VT2導(dǎo)通，其等效電路如圖所示。各相對直流電源中點(diǎn)的電壓都是幅值為

UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT22024/4/329（a）開關(guān)模式分析設(shè)工作周期從100狀態(tài)開始，這時VT6（b）工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量由圖可知，三相的合成空間矢量為u1，其幅值等于Ud，方向沿A軸（即X軸）。u1uAO’-uCO’-uBO’ABC2024/4/330（b）工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量由圖可知，三相的合成空（c）工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量

u1存在的時間為

/3，在這段時間以后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110，和上面的分析相似，合成空間矢量變成圖中的u2

，它在空間上滯后于u1的相位為

/3弧度，存在的時間也是

/3

。u2uAO’-uCO’uBO’ABC2024/4/331（c）工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量u1存在的時間為（d）每個周期的六邊形合成電壓空間矢量

依此類推，隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn)

/3

，直到一個周期結(jié)束。這樣，在一個周期中6個電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過2

弧度，形成一個封閉的正六邊形，如圖所示。u1u2u3u4u5u6u7

u82024/4/332（d）每個周期的六邊形合成電壓空間矢量依此類推，隨著（2）定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡

電壓空間矢量及磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系

一個由電壓空間矢量運(yùn)動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡。對于這個關(guān)系，進(jìn)一步說明如下：

2024/4/333（2）定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡電壓空間矢量及磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)圖6-29六拍逆變器供電時電動機(jī)電壓空間矢量及磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系

設(shè)在逆變器工作開始時定子磁鏈空間矢量為

1，在第一個

/3期間，電動機(jī)上施加的電壓空間矢量為u1

，把它們再畫在圖6-29中。按照式（6-25）可以寫成（6-28）

2024/4/334圖6-29六拍逆變器供電時電動機(jī)電壓空間矢量及磁鏈?zhǔn)噶康?/p>

也就是說，在

/3所對應(yīng)的時間

t內(nèi)，施加u1的結(jié)果是使定子磁鏈

1產(chǎn)生一個增量

，其幅值及|u1|成正比，方向及u1一致，最后得到圖6-29所示的新的磁鏈，而

（6-29）

2024/4/335也就是說，在/3所對應(yīng)的時間t內(nèi)依此類推，可以寫成

的通式（6-30）

（6-31）

總之，在一個周期內(nèi)，6個磁鏈空間矢量呈放射狀，矢量的尾部都在O點(diǎn)，其頂端的運(yùn)動軌跡也就是6個電壓空間矢量所圍成的正六邊形。2024/4/336依此類推，可以寫成的通式（6-30）（6-31）

磁鏈?zhǔn)噶吭隽考半妷菏噶?、時間增量的關(guān)系

如果u1的作用時間

t小于

/3，則

i

的幅值也按比例地減小，如圖6-30中的矢量?？梢?，在任何時刻，所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向決定于所施加的電壓，其幅值則正比于施加電壓的時間。圖磁鏈?zhǔn)噶吭隽考半妷菏噶?、時間增量的關(guān)系2024/4/337磁鏈?zhǔn)噶吭隽考半妷菏噶?、時間增量的關(guān)系4.電壓空間矢量的線性組合及SVPWM控制

如前分析，我們可以得到的結(jié)論是：如果交流電動機(jī)僅由常規(guī)的六拍階梯波逆變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，這顯然不象在正弦波供電時所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場那樣能使電動機(jī)獲得勻速運(yùn)行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須在每一個期間內(nèi)出現(xiàn)多個工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此，必須對逆變器的控制模式進(jìn)行改造。2024/4/3384.電壓空間矢量的線性組合及SVPWM控制

基本思路圖6-31逼近圓形時的磁鏈增量軌跡如果要逼近圓形，可以增加切換次數(shù)，設(shè)想磁鏈增量由圖中的

11

，

12

，

13

，

14

這4段組成。這時，每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。

2024/4/339基本思路圖6-31逼近圓形時的磁鏈增量軌跡如果要逼近圓

線性組合的方法圖6-32電壓空間矢量的線性組合圖6-32表示由電壓空間矢量和的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量。

設(shè)在一段換相周期時間T0

中，可以用兩個矢量之和表示由兩個矢量線性組合后的電壓矢量us

，新矢量的相位為

。2024/4/340線性組合的方法圖6-32電壓空間矢量的線性組合圖6-3

電壓空間矢量的扇區(qū)劃分

為了討論方便起見，可把逆變器的一個工作周期用6個電壓空間矢量劃分成6個區(qū)域，稱為扇區(qū)（Sector），如圖所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每個扇區(qū)對應(yīng)的時間均為

/3。由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對稱的，分析一個扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。

2024/4/341電壓空間矢量的扇區(qū)劃分為了討論方便起見，可電壓空間矢量的6個扇區(qū)圖6-33電壓空間矢量的放射形式和6個扇區(qū)

2024/4/342電壓空間矢量的6個扇區(qū)圖6-33電壓空間矢量的放射形式和在常規(guī)六拍逆變器中一個扇區(qū)僅包含兩個開關(guān)工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一