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1、第五章 电力牵引交流传动主电路第四节 牵引逆变器主电路及控制,第四章主要内容,4.1 两电平牵引逆变器主电路4.2 两电平逆变器PWM控制技术电流滞环跟踪PWM空间矢量SVPWM,牵引逆变器,牵引逆变器可以分成电压源型和电流源型两种，为同步电机供电的大多采用电流源型逆变器，为异步电机供电的大多采用电压源型逆变器，我国高速列车全部采用电压源型逆变器。根据输出电平数的不同，电压源型牵引逆变器又可分为两电平和三电平两种。,4.1 电压型三相逆变器,两电平式逆变器主电路如图所示，每时刻都有三个开关管导通，共有T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，T1T3T
2、5和T2T4T6导通8种工作状态，从而获得三相对称输出电压波形。,两电平逆变器主电路图,电压型三相逆变器原理,为了便于分析，电力电子器件采用理想开关表示，定义开关函数为Si（i为A,B,C）,三相不同开关组合有23=8种工作状态,简化等效开关电路,目前通常采用PWM控制方式正弦PWM特定谐波消除PWM滞环电流控制PWM空间矢量PWM 空间矢量PWM是通过对电压矢量进行适当的切换控制，就可以用尽可能多的多边形磁通轨迹来接近理想的磁通圆形轨迹。轨迹越接近圆形，引起的电流、转矩波动越小，谐波损耗也会下降，电机运行性能也越好。,4.2 电压型三相逆变器控制方式,前面所述的PWM控制技术都是以输出电压近
3、似正弦波为目标的。在电机中，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。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,4.2.1 电流滞环跟踪PWM控制技术,以下PWM借鉴陈伯时教授讲稿,图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。,电流滞环跟踪控制的A相原理图,滞环比较方式的指令电流和输出电流,如果，ia ia*，且ia*-ia h，滞环控制器 H
4、BC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件T1导通，变压变频器输出正电压，使ia增大。当ia增长到与ia*相等时，但HBC仍保持正电平输出，T1保持导通，使ia继续增大直到达到ia=ia*+h，ia=h，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断T1，并经延时后驱动T4,三相电流跟踪型PWM逆变电路,小 结,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。,4.2.2 电压
5、空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）,本节提要问题的提出空间矢量的定义电压与磁链空间矢量的关系六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制,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。然而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工作，其效果应该更好。这种
6、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，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0。,电压空间矢量的相互关系（续）,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，则有,与定子电压空间矢量相仿，可以定义定
7、子电流和磁链的空间矢量 Is 和s。,2.电压与磁链空间矢量的关系,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 定子三相电流合成空间矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。,近似关系,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,或,磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系,如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,电压空间矢量运动轨迹 在常
8、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？三相逆变器采用180导通型，功率开关器件共有8种工作状态，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压）：上桥臂开关 T1、T3、T5 全部导通下桥臂开关 T2、T4、T6 全部导通,3.六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场,开关状态表,开关控制模式,对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔/3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/3 时刻内则保持不变。,每个周期的六边形合成电压空间矢量,依此类推，随着逆变器工作
9、状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到一个周期结束。这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。,4.电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制,如前分析，我们可以得到的结论是：如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，必须对逆变器的控制模式进行改造。,圆形旋转磁场逼近方法,PWM控制显然可以适应上述要求，问
10、题是，怎样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。科技工作者已经提出过多种实现方法，例如线性组合法，三段逼近法，比较判断法等，这里只介绍线性组合法。,基本思路,逼近圆形时的磁链增量轨迹,如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由图中的11，12，13，14 这4段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。,线性组合的方法,电压空间矢量的线性组合,右图表示由电压空间矢量和的线性组合构成新的电压矢量。,设在一段换相周期时间T0 中，可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后的电压矢量us，新矢量的相位为。,线性组合公式,可根据各段磁链增量的相位
11、求出所需的作用时间 t1和 t2。可以看出,解 t1和 t2，得,零矢量的使用,换相周期 T0 应由旋转磁场所需的频率决定，T0 与 t1+t2 未必相等，其间隙时间可用零矢量 u7 或 u8 来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使 u7 和 u8 各占一半时间，因此,0,电压空间矢量的扇区划分,为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的、，每个扇区对应的时间均为/3。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。,在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。实现SVPWM控制就是要
12、把每一扇区再分成若干个对应于时间 T0 的小区间。按照上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量 us，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。,开关状态顺序原则,在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。,插值举例,每一个 T0 相当于 PWM电压波形中的一个脉冲波例如：上图所示扇区内的区间包含t1，t2，t7 和 t8 共4段，相应的电压空间矢量为 u1，u2，u7 和 u8，即 100，110，111 和 000 共4种开关状态。,为了使电压波形对称，把每种状态的
13、作用时间都一分为二，因而形成电压空间矢量的作用序列为：12788721，其中1表示作用u1，2表示作用u2，。这样，在这一个时间内，逆变器三相的开关状态序列为100，110，111，000，000，111，110，100。,按照最小开关损耗原则进行检查，发现上述1278的顺序是不合适的。为此，应该把切换顺序改为81277218，即开关状态序列为000，100，110，111，111，110，100，000，这样就能满足每次只切换一个开关的要求了。,T0 区间的电压波形,第扇区内一段区间的开关序列与逆变器三相电压波形,虚线间的每一小段表示一种工作状态,如上所述，如果一个扇区分成4个小区间，则一个
14、周期中将出现24个脉冲波，而功率器件的开关次数还更多，须选用高开关频率的功率器件。当然，一个扇区内所分的小区间越多，就越能逼近圆形旋转磁场。,小 结,归纳起来，SVPWM控制模式有以下特点：1)逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间 T0，T0 越短，旋转磁场越接近圆形，但 T0 的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。,2)在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。3)每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。4)利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。5)采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。,
