第4章PWM控制及其变异 4 1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM4 1 1PWM的基本概念4 1 2载波PWM4 2空间矢量PWM4 2 1SVPWM基本原理4 2 2SVPWM矢量合成4 2 3SVPWM开关顺序4 2 4多电平SVPWM4 3其他类型的PWM方法4 3 1特定消谐PWM4 3 2具有反馈环节的PWM4 3 3单周期控制 One cyclecontrol 第4章PWM控制及其变异 4 4PWM波形的死区 最小脉宽和异常脉冲4 4 1死区及最小脉宽4 4 2信号脉冲与功率脉冲 4 1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM 电力电子变换器的控制策略和方法与其使用的电力半导体器件和拓扑结构有密切的关系 不同的开关器件和不同的拓扑有不同的PWM方式 比如 基于半控开关和全控开关的变换器控制方式完全不一样 基于不同类型的全控开关的变换器控制方式中的关键参数也存在很大的差异 例如开关频率 在小容量的MOSFET变换器中 开关频率可以大于100kHz 而在兆瓦级的大容量IGCT变换器中 其开关频率一般小于1kHz 4 1 1PWM的基本概念 图4 1电气传动变换器的PAM方式 4 1 1PWM的基本概念 图4 2电气传动变换器的PWM方式 4 1 2载波PWM 1 常规的多电平载波PWM方法2 注入零序分量的多电平载波PWM方法3 载波频率变化的PWM4 混合载波的PWM5 相移载波的PWM 1 常规的多电平载波PWM方法 图4 3常规五电平载波的PWM示意图 2 注入零序分量的多电平载波PWM方法 图4 4注入零序分量的五电平载波的PWM示意图 3 载波频率变化的PWM 图4 5载波频率变化的五电平载波的PWM示意图 4 混合载波的PWM 图4 6混合载波的五电平载波的PWM示意图 5 相移载波的PWM 图4 7相移载波的五电平载波的PWM示意图 5 相移载波的PWM 图4 8锯齿波载波比较示意图 5 相移载波的PWM 图4 9三角波载波比较示意图 4 2空间矢量PWM 空间矢量PWM SpaceVectorPWM SVPWM 也可称为磁通正弦PWM 它是从电机气隙磁场的角度出发 着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场 它以三相对称正弦波电压供电时的交流电机的理想磁通圆为基准 采用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去近似基准圆磁通 从而形成PWM 该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理 特别适合集成系统的应用 它将电机内部圆形磁场的控制转化为变换器的开关控制 两者完全融合于一体 充分体现了电力电子与电机系统集成的特性 该方法模型简单 便于实时控制 并具有转矩脉动小 噪声低 电压利用率高等优点 在开闭环控制系统中都得到广泛应用 4 2 1SVPWM基本原理 图4 10典型的三相逆变器驱动电机电路图 4 2 1SVPWM基本原理 图4 11两电平逆变器输出状态 4 2 1SVPWM基本原理 图4 12三相两电平逆变器输出的电压空间矢量 4 2 1SVPWM基本原理 表4 1逆变器输出电压空间矢量作用下电机的相 线电压实时值 4 2 2SVPWM矢量合成 图4 13不同矢量的合成方式 4 2 2SVPWM矢量合成 图4 14不同矢量合成方式合成矢量的范围 4 2 2SVPWM矢量合成 图4 15随时间连续变化的幅值最大的矢量圆形轨迹 4 2 3SVPWM开关顺序 1 在每一次开关状态切换的过程中 只允许有某一相中的两个互锁开关动作 其中一个开通 另一个关断 2 当参考矢量 ref从一个扇区跨到另一个扇区的时候 要使需要动作的开关数最少 通常是没有开关进行动作 图4 16第一扇区内七段式开关顺序以及线电压波形 图4 17第二扇区内七段式开关顺序以及线电压波形 表4 2常规七段式SVPWM开关顺序 图4 18常规七段式SVPWM的输出电压波形 图4 19第4扇区两种有效的开关顺序 图4 20偶次谐波消除的七段式SVPWM区域示意图 表4 3偶次谐波消除的七段式SVPWM开关顺序 图4 21偶次谐波消除的七段式SVPWM波形 图4 22第一扇区内五段式开关顺序以及线电压波形 表4 4五段式SVPWM开关顺序 A型 图4 23五段式SVPWM波形 4 2 4多电平SVPWM 1 零电压矢量3个 0P PPP 0O OOO 0N NNN 幅值为零 2 小电压矢量12个 两两重合 即 1P POO 和 1N ONN 2P PPO 和 2N OON 3P OPO 和 3N NON 4P OPP 和 4N NOO 5P OOP 和 5N NNO 6P POP 和 6N ONO 其中前者为P型小矢量 后者为N型小矢量 幅值都为Ud 3 3 中电压矢量6个 7 PON 8 OPN 9 NPO 10 NOP 12 PNO 幅值为Ud 4 大电压矢量6个 13 PNN 14 PPN 15 NPN 16 NPP 18 PNP 幅值为2Ud 3 4 2 4多电平SVPWM 图4 24二极管钳位三电平逆变器 4 2 4多电平SVPWM 图4 25三电平SVPWM基本矢量 4 2 4多电平SVPWM 表4 5二极管钳位三电平a相输出电平 图4 26直流母线电压不平衡时的基本矢量分布 图4 27第一扇区矢量合成 图4 28三相四电平和五电平矢量图 图4 29五相三电平和四电平矢量图 4 3其他类型的PWM方法 SHEPWM本质上是一种优化PWM 它通过开关角度的选择 在有限的开关次数下 尽量的消除低次谐波 使得高次谐波容易滤出 减小滤波器的体积 缺点是开关角度固定 需要提前计算 占用内存多 改动困难 不够灵活 另外 SHEPWM控制的是一个线电压周期内的开关状态 无法像SVPWM和SPWM一样可以在一个开关周期内对开关状态进行控制 这使得SHEPWM主要用于对动态特性要求不高的场合 而不适合作为高性能闭环控制 如矢量控制和直接转矩控制的PWM算法 4 3 1特定消谐PWM 图4 30两电平逆变器 异步电机集成系统 4 3 1特定消谐PWM 图4 31逆变器输出波形示意图 1 4周期对称 4 3 1特定消谐PWM 图4 32消除5 7次谐波的SHEPWM输出电压波形 4 3 1特定消谐PWM 图4 33消除5 7次谐波的五电平波形 4 3 2具有反馈环节的PWM 1 瞬时电流控制PWM2 滞环电流控制PWM 1 瞬时电流控制PWM 图4 34瞬时电流控制PWM框图 1 瞬时电流控制PWM 图4 35滞环PWM控制框图 2 滞环电流控制PWM 图4 36滞环PWM输出波形示意图 2 滞环电流控制PWM 图4 37单周期控制的Buck电路 4 3 3单周期控制 One cyclecontrol 1 单周期控制同时具有调制和控制的作用 一个周期内自动消除稳态 瞬态误差 前一周期的误差不会带到下一周期 2 单周期控制技术还具有优化系统响应 开关频率可恒定 减小畸变 抑制电源干扰和易于实现等优点 4 3 3单周期控制 One cyclecontrol 图4 38单周期PWM调制波形图 4 4PWM波形的死区 最小脉宽和异常脉冲 从前面对电力电子变换器中的几个基本组成元素 即电力半导体器件 变换器拓扑结构和变换器控制方法的分析可以看出 这三者是紧密联系在一起的 在每一部分的分析中不可避免的都要涉及其他元素的影响 其中有代表性的影响因素为 死区 与 最小脉宽 4 4 1死区及最小脉宽 1 死区时间死区时间用tBD Blockingdelaytime 表示 代表一个桥臂两个互锁IGCT的驱动信号同为关断状态的时间 2 通态最小脉宽时间通态最小脉宽时间用tONMIN表示 代表同一个IGCT的驱动信号维持导通的最小时间 3 阻态最小脉宽时间 4 4 1死区及最小脉宽 图4 39基于IGCT的三电平变换系统的逆变电路示意图 4 4 1死区及最小脉宽 图4 40单个IGCT的开关过程示意图 4 4 1死区及最小脉宽 图4 41换流回路中的电流电压方向的定义 图4 42死区和最小脉宽的定义 图4 43通态最小脉宽实验测取结果 4 4 2信号脉冲与功率脉冲 图4 44实测的信号脉冲与功率脉冲的比较 4 4 2信号脉冲与功率脉冲 图4 45线电压脉冲序列