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1、交流电机控制技术,第五章 PWM逆变器,第五章 PWM逆变器,引言 5.1 PWM逆变器基本工作原理 5.2 脉宽调制技术 5.3 PWM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。,PWM,引言,二、PWM,PWM(Pulse Width Modulation)指脉宽调制技术：通过对一系列脉
2、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。,引言,PWM调制信号生成方法：,载波调制法采用模拟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
3、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,5.1 PWM逆变器,2、工作原理,负载电压Ud,1.2导通,负载电压Ud,3.4导通,负载电压0,1.3导通,负载电压0,4.2导通,5.1 PWM逆变器,3、工作过程
4、,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
5、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
6、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。,5.2 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？,1、HIPWM（改进SPWM）,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倍次谐波如何被抵消的？,5.2 脉宽调制技术
7、,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,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Tc,5.2 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，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。,5.2 脉宽调制技术,首
8、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,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
9、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 PWM,5.2 脉宽调制技术,电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流比较，经滞环控制器控制A相桥臂的功率器件动作。B、C二相的原理图均与此相同。,A相控制原理,电流跟踪控制,5.2 脉宽调制技术,ia i*a，且i*a-ia h，滞环控制器驱动VT1导通，变频器输出正电压，电流增大；当ia=i*a+h，使滞环翻转，关断VT1，并经延时后驱动VT4导通，
10、由于电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管VD4续流，电流逐渐减小，VT4受到反向钳位而不能导通，直到ia=i*a-h，到达滞环偏差的下限值，又重复使VT1导通。输出电流保持在给定值范围内，围绕正弦波作锯齿状变化。,工作原理,电流正向，VT1与VD4工作电流负向，VT4与VD1工作,5.2 脉宽调制技术,电流跟踪控制,5.2 脉宽调制技术,二、SVPWM,空间矢量PWM(SVPWM)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
11、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）。,5.2 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,SVPWM,2、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
12、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,SVPWM,3、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：,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,（Sa，Sb，Sc）=100 时，u1矢量,5.2 脉宽调制技术,S
13、VPWM,（b）开关状态110描述的空间矢量,（Sa，Sb，Sc）=1 1 0 时，u2矢量,（c）开关状态010描述的空间矢量,（Sa，Sb，Sc）=0 1 0 时，u3矢量,5.2 脉宽调制技术,SVPWM,（d）开关状态011描述的空间矢量,（Sa，Sb，Sc）=011 时，u4矢量,（e）开关状态001描述的空间矢量,（Sa，Sb，Sc）=0 01 时，u5矢量,5.2 脉宽调制技术,SVPWM,（f）开关状态101描述的空间矢量,（Sa，Sb，Sc）=101 时，u6矢量,5.2 脉宽调制技术,SVPWM,2、圆轨迹的合成,如果想更逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个周期出现多个开关工
14、作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。,线性组合法,基本思路,如果要逼近圆形，可以增加开关切换次数。这可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。,5.2 脉宽调制技术,SVPWM,设在一个开关周期中，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。,（1）线性组合公式,矢量线性组合的等效原则是磁链等价,矩阵形式描述,5.2 脉宽调制技术,SVPWM,（2）零矢量的使用,T0 一般与 t1+t2 不等，其间隙时间可用零矢量 u7 或 u8 来填补。,逆变器的一个工作周期用6个非零电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区，每个扇区对应的时间均为/3。每个扇区中不同的矢量均由相同
15、的开关状态对应基本电压矢量线性组合形成，如扇区中100，110，111，000。,（3）电压矢量空间的扇区划分,5.2 脉宽调制技术,SVPWM,（4）驱动信号,第扇区内一段T0区间的开关序列,000,100,110,111,111,110,100,000,5.2 脉宽调制技术,SVPWM,SPWM的输出在（1/2）VDC圆内；SVPWM在(1/sqrt(3)VDC圆内；可以看出：SVPWM较之传统的PWM更能有效的利用供电电压电能。,5.3 PWM交流调速,一、PWM变频调速系统结构框图,5.3 PWM交流调速,基本功能,进线电抗器：缓解输入电流脉冲,进线限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间
16、产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间串入限流电阻（或电抗），即限制充电电流，又避免产生附加损耗。,主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都 是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。,泵升限制电路：由于二极管整流器未提供反向电流的通路，通用变频器一般用电阻吸收制动能量。当中间直流回路的电压升高到一定的限制值时，开关器件导通，通过制动电阻耗能。,5.3 PWM交流调速,逆变器输出波形调制方式,系统基本控制方式,函数发生器低频（或负载的性质不同）时，靠函数发生器补偿，在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。,给定积分频定设定信号通过给定积
17、分算法产生平缓升速或降速信号。,PWM信号产生由微机本身的PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。,检测与保护各物理量工作状态的检测信号经信号处理、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再经A/D转换，输入CPU作为控制算法和故障保护的依据。,5.3 PWM交流调速,二、波形调制模式,1、异步调制载波信号fc和调制信号fr不同步的调制方式。保持 fc 固定，fr 变化；正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当fr增大时，一周期内的脉冲数减少，脉冲不对称对波形的影响变大。,2、同步调制变频时使载波和信号波保持同步。fr 变化，信号波一周期内输出脉冲数N固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；为使一相的PWM波正负半周对称，N取奇数；fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。,分段同步调制,混合调制,5.3 PWM交流调速,3、分段同步调制,把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。,5.3 PWM交流调速,4、混合调制,在低频输出时采用异步调制方式；高频输出时切换到同步调制方式；把两者的优点结合起来；和分段同步方式效果接近。,
