电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统16.4 变压变频调速系统中的脉宽调制 (PWM)技术电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统2早期六拍阶梯逆变器存在的主要问题l采用半控式的晶采用半控式的晶闸管管l开关开关频率率较低低l主主电路两个路两个变流器需求流器需求协调控制。控制。l电压直流直流环节变化化动态呼呼应慢。慢。l交流交流输入入侧功率因数差。功率因数差。l逆逆变器器输出出谐波分量大。波分量大。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统3 逆逆变变器一个任器一个任务务周期中，其周期中，其开关元件根据目的函数要求按一开关元件根据目的函数要求按一定定规规律作多次开任律作多次开任务务，称，称为为基于基于PWM控制技控制技术术的逆的逆变变器。器。 前提：全控式前提：全控式电电力力电电子开关的子开关的出出现现处理途径l运用运用PWM控制技控制技术术。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统4控制目的控制目的l电压正弦波 SPWM l电流正弦波 CHBPWMl消除指定次数谐波 SHEPWMl圆形旋转磁场 SVPWM电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统56.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术1. PWM调调制原理制原理 以正弦波作以正弦波作为为逆逆变变器器输输出的期望波形，以出的期望波形，以频频率比期望波高得多的等腰三角波作率比期望波高得多的等腰三角波作为载为载波波 Carrier wave ，并用，并用频频率和期望波一率和期望波一样样的正弦的正弦波作波作为调为调制波制波 Modulation wave ，当，当调调制波制波与与载载波相交波相交时时，由它，由它们们的交点确定逆的交点确定逆变变器开关器开关器件的通断器件的通断时时辰，从而辰，从而获获得在正弦得在正弦调调制波的半制波的半个周期内呈两个周期内呈两边边窄中窄中间宽间宽的一系列等幅不等的一系列等幅不等宽宽的矩形波。的矩形波。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统62. PWM逆变器主电路及输出波形三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统7三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 w1 tOOOOUd2-Ud2w1 tw1 tw1 tw1 turaurburcutuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统8 在模在模拟电拟电子子电电路中，采用正弦波路中，采用正弦波发发生器、生器、三角波三角波发发生器和比生器和比较较器来器来实现实现上述的上述的SPWM控制；控制； 改成数字控制后，开改成数字控制后，开场时场时只是把同只是把同样样的的方法数字化，称作方法数字化，称作“自然采自然采样样法法 。自然采。自然采样样法的运算比法的运算比较较复复杂杂，在工程上更适用的是，在工程上更适用的是简简化后的化后的“规规那么采那么采样样法。法。 由于由于PWM变压变频变压变频器的运用非常广泛，器的运用非常广泛，已制成多种公用集成已制成多种公用集成电电路芯片作路芯片作为为SPWM信信号的号的发发生器，后来更生器，后来更进进一步把它做在微机芯一步把它做在微机芯片里面，消片里面，消费费出多种出多种带带PWM信号信号输输出口的出口的电电机控制用的机控制用的8位、位、16位微机和位微机和DSP芯片。芯片。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统96.4.2 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM) 控制技术 脉宽调制PWM的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需求。要到达这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算以下图中各脉冲起始与终了相位1, 2, 2m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统10特定谐波消去法的输出波形图6-21变压变频器输出的相电压PWM波形电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统11 对图6-21的PWM波形作傅氏分析可知，其k次谐波相电压幅值的表达式为 6-26 式中 Ud变压变频器直流侧电压； i以相位角表示的PWM波形第i个起始或终了时辰。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统12电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统13 上述5个方程中共有1，2 ，5，这5个需求求解的开关时辰相位角，普通采用数值法迭代求解。这样的数值计算法在实际上虽能消除所指定次数的谐波，但更高次数的谐波却能够反而增大，不过它们对电动机电流和转矩的影响曾经不大，所以这种控制技术的效果还是不错的。 由于上述数值求解方法的复杂性，而且对应于不同基波频率应有不同的基波电压幅值，求解出的脉冲开关时辰也不一样。所以这种方法不宜用于实时控制，须用计算机离线求出开关角的数值，放入微机内存，以备控制时调用。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统146.4.3 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 运用运用PWM控制技控制技术术的的变压变频变压变频器普通都是器普通都是电压电压源型源型的，它可以按需求方便地控制其的，它可以按需求方便地控制其输输出出电压电压，为为此前面此前面两小两小节节所述的所述的PWM控制技控制技术术都是以都是以输输出出电压电压近似正弦近似正弦波波为为目的的。目的的。 但是，在电流电机中，实践需求保证的应该是正弦波电流，由于在交流电机绕组中只需通入三相平衡的正弦电流才干使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，假设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可以获得更好的性能。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统15电流滞流滞环跟踪控制的跟踪控制的A相原理相原理图1. 滞环比较方式电流跟踪控制原理 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统16滞环比较方式的指令电流和输出电流 a) 电流波形b) 电压波形电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统17三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统18 电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还遭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； 假设环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。 这是一对矛盾的要素，适用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽能够小的环宽。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统19小 结 电流滞环跟踪控制方法的精度高，呼应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发扬出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。 为了抑制这个缺陷，可以采器具有恒定开关频率的电流控制器，或者在部分范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。 只须改动电流给定信号的频率即可实现变频调速，无须再人为地调理逆变器电压电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统206.4.4 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术 或称磁链跟踪控制技术本本节提要提要问题的提出的提出空空间矢量的定矢量的定义电压与磁与磁链空空间矢量的关系矢量的关系六拍六拍阶梯波逆梯波逆变器与正六器与正六边形空形空间旋旋转磁磁场电压空空间矢量的矢量的线性性组合与合与SVPWM控制控制 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统21问题的提出问题的提出 把把逆逆变变器器和和交交流流电电动动机机视视为为一一体体，按按照照跟跟踪踪圆圆形形旋旋转转磁磁场场来来控控制制逆逆变变器器的的任任务务，这这种种控控制制方方法法称称作作“磁磁链链跟跟踪踪控控制制，磁磁链链的的轨轨迹迹是是交交替替运运用用不不同同的的电电压压空空间间矢矢量量得得到到的的，所所以以又又称称“电电压压空空间间矢矢量量PWMPWM SVPWMSVPWM，Space Space Vector PWMVector PWM 控制。控制。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统221. 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，但假设思索到它们所在绕组的空间位置，也可以如下图，定义为空间矢量uA0， uB0 ， uC0 。 电压空间矢量 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统23 电压空间矢量的相互关系电压空间矢量的相互关系l定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向一直处于各相绕组的轴线上，而大小那么随时间按正弦规律脉动，时间相位相互错开的角度也是120。l合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统24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，那么有 7-39 与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量 Is 和s 。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统252. 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6-40 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。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统26 近似关系近似关系 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式6-40中所占的成分很小，可忽略不计，那么定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 6-41 6-42 或 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统27 磁链轨迹 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普通简称为磁链圆。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。6-43 其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统28由式6-41和式6-43可得6-44 上式上式阐明，当磁明，当磁链幅幅值一定一定时，us的大小的大小与与 1或供或供电电压频率成正比，其方向率成正比，其方向那么与磁那么与磁链矢量矢量s正交，即磁正交，即磁链圆的切的切线方向，方向， 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统29 磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系 如下图，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也延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。 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统303. 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 1电压空间矢量运动轨迹 在常规的 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？ 为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图6-27中六个功率开关器件都用开关符号替代，可以代表恣意一种开关器件。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统31 主电路原理图三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统32 开关任务形状开关任务形状 假设，图中的逆变器采用180导通型，功率开关器件共有8种任务形状见附表 ，其中6 种有效开关形状；2 种无效形状由于逆变器这时并没有输出电压： 上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统33开关形状表电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统34 开关控制方式 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的任务形状各出现一次。逆变器每隔 /3 时辰就切换一次任务形状即换相，而在这 /3 时辰内那么坚持不变。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统35 a开关方式分析 l设任务周期从100形状开场，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如下图。各相对直流电源中点的电压都是幅值为 l UAO = Ud / 2l UBO = UCO = - Ud /2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统36b任务形状100的合成电压空间矢量l由图可知，三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴即X轴。 u1uAO-uCO-uBOABC电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统37c任务形状110的合成电压空间矢量 l u1 存在的存在的时间为时间为/3，在，在这这段段时间时间以后，以后，任任务务形状形状转为转为110，和，和上面的分析上面的分析类类似，合似，合成空成空间间矢量矢量变变成成图图中中的的 u2 ，它在空，它在空间间上滞上滞后于后于u1 的相位的相位为为 /3 弧度，存在的弧度，存在的时间时间也也是是 /3 。 u2uAO-uCOuBOABC电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统38d每个周期的六边形合成电压空间矢量 u1u2u3u4u5u6u7 u8 依此类推，随着逆变器任务形状的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转 /3 ，直到一个周期终了。 这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，构成一个封锁的正六边形，如下图。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统392定子磁链矢量端点的运动轨迹 l电压空间矢量与磁链矢量的关系l 一个由电压空间矢量运动所构成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹。对于这个关系，进一步阐明如下： 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统40六拍逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系 设在逆变器任务开场时定子磁链空间矢量为1，在第一个 /3 期间，电动机上施加的电压空间矢量为图6-28d中的 u1 ，把它们再画在图6-29中。按照式6-41可以写成电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统41 也就是说，在 /3 所对应的时间 t 内，施加 u1的结果是使定子磁链 1 产生一个增量，其幅值 |u1| 与成正比，方向与u1一致，最后得到图6-29所示的新的磁链，而 6-45 6-46 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统42依此类推，可以写成 的通式6-47 6-48 总之，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统43n 磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系 假设 u1 的作用时间t 小于 /3 ，那么 i 的幅值也按比例地减小，如图 6-30 中的矢量 。可见，在任何时辰，所产生的磁链增量的方向决议于所施加的电压，其幅值那么正比于施加电压的时间。磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统444. 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：如前分析，我们可以得到的结论是：假设交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆假设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圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运转。转。假设想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁假设想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必需在每一个期间内出现多个任务场，就必需在每一个期间内出现多个任务形状，以构成更多的相位不同的电压空间形状，以构成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，必需对逆变器的控制方式进矢量。为此，必需对逆变器的控制方式进展改造。展改造。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统45根本思绪逼近圆形时的磁链增量轨迹 假设要逼近圆形，可以添加切换次数，想象磁链增量由图中的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，可以用根本电压矢量线性组合的方法获得。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统46 线性组合的方法电压空间矢量的线性组合 图6-32表示由电压空间矢量u1和u2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 。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统47电压空间矢量的扇区划分 为为了了讨论讨论方便起方便起见见，可把逆，可把逆变变器的一个器的一个任任务务周期用周期用6个个电压电压空空间间矢量划分成矢量划分成6个区个区域，称域，称为为扇区扇区 Sector ，如下，如下图图的的、，每个扇区，每个扇区对应对应的的时间时间均均为为/3 。 由于逆由于逆变变器在各扇区的任器在各扇区的任务务形状都是形状都是对对称的，分析一个扇区的方法可以推行到其称的，分析一个扇区的方法可以推行到其他扇区。他扇区。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统48 电压空间矢量的6个扇区电压空间矢量的放射方式和6个扇区 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统49在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关任务形状。个开关任务形状。实现实现SVPWM控制就是要把每一扇区再控制就是要把每一扇区再分成假设干个对应于时间分成假设干个对应于时间 T0 的小区间。的小区间。按照上述方法插入假设干个线性组合的新按照上述方法插入假设干个线性组合的新电压空间矢量电压空间矢量 us，以获得优于正六边形的，以获得优于正六边形的多边形逼近圆形旋转磁场。多边形逼近圆形旋转磁场。电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统50 开关形状顺序原那么 在实践系统中，应该尽量减少开关形状变化时引起的开关损耗，因此不同开关形状的顺序必需遵守下述原那么：每次切换开关形状时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统51T0 区间的电压波形 第扇区内一段T0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任务形状 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统52小 结归纳起来，SVPWM控制方式有以下特点：逆变器的一个任务周期分成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，每个扇区再分成假设干个小区间 T0 ， T0 越短，旋转磁场越接近圆形，但 T0 的缩短遭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形状的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因此开关损耗较小。 电电力拖力拖动动自自动动控制系控制系统统电电力力传动传动控制系控制系统统533) 每个小区间均以零电压矢量开场，又以零矢量终了。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，这比普通的SPWM逆变器输出电压提高了15%。