电力拖动自动控制系统第六章(2)

电力拖动自动控制系统第六章（2）主讲教师：解小华学时：64§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术本节提要□问题的提出□正弦波脉宽调制(SPWM)技术□电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术□电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）问题的提出早期的交-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。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术•六拍逆变器主电路结构N'N+-UVW图5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2VT1~VT6――主电路开关器件VD1~VD6――续流二极管VT3VT5VT4VT6VT2VT1§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术•六拍逆变器的谐波§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，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变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效控制和消除谐波的一门技术。我们把PWM技术分为三类：1、正弦PWM技术（电压、电流、磁通为正弦目的各种PWM方案）。2、优化PWM技术。3、随机PWM技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术优化PWM技术一般用于实现特定的优化目标例如提高电压利用率、转矩脉动最小、效率最优等，但存在算法复杂、难于实时控制等问题。普通的PWM逆变器的电压和电流中含有谐波使电机绕组产出噪声，可以采用随机PWM方法改变谐波的频谱分布，使逆变器的输出电压、电流的谐波均匀分布在较宽的频带范围内。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术PWM控制性能指标：PWM控制引起的问题主要是电流畸变、开关损耗、转矩脉动。这些影响用性能指标来描述。为不同的PWM设计和选择提供依据。1、电流谐波电流谐波的有效值为ThdttitiTI21)]()([1)(1ti为电流的基本分量§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术电流谐波畸变率THD2212211)(11nnnnhnUUIIIITHD展开的谐波分量阶数为傅里叶级数的有效值，分别为基波电压和电流和nIU11电压分量的有效值。为傅里叶级数展开式的nU2、谐波频谱各频率分量在非正弦电流中占份额用谐波电流谱表达，3、最大调制度m：调制信号的峰值U1m§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术和三角载波信号峰值之比，理想情况下m在0和1之间，实际上小于1，N较大时m=0.8~0.9，它体现了直流母线电压的利用率。4、谐波转矩,脉动转矩的标幺值用下式表示式中为最大气隙转矩tmmUUm1tmUNavTTTT/)(maxmaxT§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术为电机额定转矩。（谐波转矩由谐波电流产生，但是它们没有精确关系）。5、开关频率和开关损耗，开关频率增加可以使逆变器的交流侧的电流畸变减少，提高系统的性能，但是开关频率不能随便增加开关损耗和开关频率成正比，同时大功率器件开关频率比较低。同时对于频率大于9KHz的功率变换器的电磁兼容性有严格的规定。NT一、正弦波脉宽调制(SPWM)技术1.PWM调制原理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（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），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的一系列等幅不等宽的矩形波。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术tOua)b)图6-3Out图6-18PWM调制原理12iN12i2su§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术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（Sinusoidalpulsewidthmodulation，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。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术•单相桥式PWM逆变电路信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式PWM逆变电路VT1VT2VT3VT4§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud（1）单极性PWM控制方式§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术（2）双极性PWM控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术（3）逆变器输出电压与脉宽的关系单极性为例，逆变电压对电机而言有用的是基波电压，假设半个周期内有N个脉冲，各脉冲宽度不同但中心间距一样，等于三角载波的周期。第i个脉冲的宽度为，中心点相位角为。ii§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术经推导，得到输出电压基波的幅值，N比较大时，有NiismiiNiUU112)]212[sin(2,22sin可见输出电压基波幅值与各项脉宽成正比，说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度，实现了逆变器对电压基波的平滑调节。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术公式推导略。得出以下结论：（1）输出电压的基波正是调制所要求的正弦波，与参考正弦波相同。因此，在SPWM逆变器中可通过改变参考正弦波信号，即调制波的频率与幅值来平滑调节逆变器输出的基波频率与幅值。（2）SPWM逆变器有效抑制k=2N-1次以下谐波，但高于2N-1谐波仍然存在。3.PWM控制电路•模拟电子电路采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；•数字控制电路–硬件电路；–软件实现。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术•模拟电子电路§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。•数字控制电路（略）4.PWM调制方法•载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比N，既N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术（1）异步调制异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持载波频率fc固定不变，当调制波频率fr变化时，载波比N是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，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；§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，故在低频时提高了载波比，高次谐波相对较小，有利于改善低频工作特性。脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。（2）同步调制同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；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；§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr很低时，fc也很低，故在低频时脉冲间距也加大，脉宽变窄，由调制带来的谐波分量加大，产生脉振转矩和噪声；fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。•同步调制三相PWM波形ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud2Ud§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术（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；§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术•分段同步调制方式00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术（4）混合调制可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，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术5.PWM逆变器主电路及输出波形图6-19三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术图6-20三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形uuUN’OtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNttttOturUurVurWucUd23Ud2§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术图6-20为三相PWM波形，其中•urU、urV、urW为U，V，W三相的正弦调制波，uc为双极性三角载波；•uUN’、uVN’、uWN’为U，V，W三相输出与电源中性点N’之间的相电压矩形波形；•uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和-Ud；•uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。*二、电流正弦PWM控制技术应用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。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术但是，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。§6-4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM（CurrentHysteresisBandPWM——CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪PWM控制的PWM变压变频器的A相控制原理图示于图6-22。1.滞环比较方式电流跟踪控制原理图6-22电流滞环跟踪控制的A相原理图负载L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBCVT1VT4§