交流控制技术-第五章.ppt

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1、交流电机控制技术交流电机控制技术 第五章第五章 PWM逆变器逆变器 第五章第五章 PWM PWM逆变器逆变器 引言引言引言引言 5.1 PWM 5.1 PWM逆变器基本工作原理逆变器基本工作原理逆变器基本工作原理逆变器基本工作原理 5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术脉宽调制技术脉宽调制技术 5.3 PWM 5.3 PWM交流调速交流调速交流调速交流调速 引言引言一、背景一、背景 说明：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

2、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引言引言二、二、PWM PWM(Pulse Width Modulation)指脉宽调制技术指脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，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：原理：面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同。d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b

3、)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同引言引言PWM调制信号生成方法调制信号生成方法：载波调制法载波调制法采用模拟电路的硬件调制软件生成法软件生成法 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滞环比较法 使实际电流跟踪给定电流的变化磁场轨迹法磁场轨迹法 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的引言引言PWM调制信号生成举例调制信号生成举例利用三角波

4、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逆变器的基本工作原理一、单相一、单相PWM逆变器逆变器1、电路结构、电路结构VT功率开关功率开关续流二极管续流二极管电流正方向电流正方向电压正方向电压正方向感性负载感性负载5.1 PWM逆变器逆变器2、工作原理、工作原理负载电压负载电压Ud1.2导通负载电压负载

5、电压Ud3.4导通负载电压负载电压01.3导通负载电压负载电压04.2导通5.1 PWM逆变器逆变器3、工作过程、工作过程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。单相单相PWM逆变器逆变器5.1 PWM逆变器的基本工作原理逆变器的基本工作原理4、调制信号的极性、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单极性调制，否则为双双极性凋制极性凋制；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

6、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，控制比双极性复杂。同步调制同步调制：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、载波信号Vc与参考信号与参考信号Vr的关系的关系单相单相PWM逆变器逆变器5.1 PWM逆变器的基本工作原理逆变器的基本工作原理6、双极性调制

7、、双极性调制单相单相PWM逆变器逆变器5.1 PWM逆变器的基本工作原理逆变器的基本工作原理二、三相二、三相PWM逆变器逆变器三相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。电路结构电路结构5.1 PWM逆变器的基本工作原理逆变器的基本工作原理三相三相PWM逆变器逆变器调制方法调制方法调制波形调制波形输出电压输出电压三相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

8、小必须进行协调控制。urUu0t00000ttttturVucurWuUN0.5Ud-0.5UduVNuWNUd-UduUVuUN2Ud/3Ud/35.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术一、一、SPWM载波比为：载波比为：调制系数为：调制系数为：过调制过调制当调制系数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？urUu0turVucurW1、HIPWM（改进（改进SPWM）uucr1uOwturur1uOwtur3叠加三次谐波 在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，逆变器输出电压中也含3次谐波，合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。鞍形波的基波分量幅

9、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 脉宽调制技术脉宽调制技术 负载相电压负载相电压 负载中点电压负载中点电压3倍次谐波被抵消的机理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三次谐波注入法关键：关键：uUN、uVN、uWN的幅值小于Ud/2结论：结论：输出电压幅值提高 2、规则采样法、规则采样法 一种工程实用方法一种工程实用方法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d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

10、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Tc5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术3、谐波消除法、谐波消除法 波形设计原则：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。OwtuoUd-Ud2a1a2a35.2 脉宽调制技术脉宽调制技术首先，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：波形设计方法：谐波消除法谐波消除法5.2 脉宽调制技术

11、脉宽调制技术式中n=1,3,5,基波：谐波：适当的安排开关角（令谐波表达式适当的安排开关角（令谐波表达式0）若消除若消除K个谐波，需要个谐波，需要K+1个可控开关时刻，则个可控开关时刻，则低次谐波幅值大低次谐波幅值大OwtuoUd-Ud2a1a2a3谐波消除法谐波消除法5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术将两种特定频率谐波的幅值设将两种特定频率谐波的幅值设计为计为0，形成两个独立方程，形成两个独立方程波形计算举例波形计算举例在在三三相相对对称称电电路路中中，相相电电压压所所含含的的3次次谐谐波波相相互互抵抵消消。可可设设计计消消去去5次次和和7次谐波，则次谐波，则正弦波幅值正弦波幅值a1、a2和a

12、3待求解的量？还需要两个独立方程还需要两个独立方程可可得得a a1、a a2和和a a3。谐波消除法谐波消除法5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术谐波消除法谐波消除法小结小结k的的取取值值越越大大，消消去去的的特特定定谐谐波波越越多多，波波形形越越理理想想，但但开开关关时时刻刻的的计计算越复杂。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、电流跟踪控制电流跟踪控制 PWM5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术电流控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2 2h h。将将给给定定电电流流与与输输出出电电流流比比较较，经经滞滞环环控控制制器器控

13、控制制A A相相桥桥臂臂的的功功率率器器件件动动作作。B B、C C二二相的原理图均与此相同。相的原理图均与此相同。A A相控制原理相控制原理电流跟踪控制电流跟踪控制5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术i ia a i*i*a a ，且，且i*i*a a-i ia a h h，滞环控制器，滞环控制器驱动驱动VT1VT1导通，变频器输出正电压，导通，变频器输出正电压，电流增大；电流增大；当当i ia a =i*i*a a +h h ，使滞环翻转，关断，使滞环翻转，关断VT1 VT1，并经延时后驱动，并经延时后驱动VT4VT4导通，由导通，由于电机绕组的电感作用，电流不会反于电机绕组的电感作用，电流不

14、会反向，而是通过二极管向，而是通过二极管VD4VD4续流，电流续流，电流逐渐减小，逐渐减小，VT4VT4受到反向钳位而不能受到反向钳位而不能导通，直到导通，直到i ia a =i*i*a a -h h ，到达滞环偏，到达滞环偏差的下限值，又重复使差的下限值，又重复使VT1VT1导通。导通。输出电流保持在给定值范围内，围绕输出电流保持在给定值范围内，围绕正弦波作锯齿状变化。正弦波作锯齿状变化。工作原理工作原理工作原理工作原理电流正向，电流正向，电流正向，电流正向，VT1VT1与与与与VD4VD4工作工作工作工作电流负向，电流负向，电流负向，电流负向，VT4VT4与与与与VD1VD1工作工作工作工

15、作5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术电流跟踪控制电流跟踪控制+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT55.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术二、二、SVPWM空间矢量空间矢量空间矢量空间矢量PWM(SVPWM)PWM(SVPWM)或称磁链跟踪控制技术或称磁链跟踪控制技术或称磁链跟踪控制技术或称磁链跟踪控制技术问题的提出问题的提出 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，这种控

16、制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”。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电压空间矢量PWM（Space Vector PWM）。磁通轨迹磁通轨迹1800导电型导电型SVPWM5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术1、空间矢量、空间矢量SVPWM空间电压矢量的特点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，时间和相位时间和相位互相错开的角度也是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旋转的空间矢量，它的幅值不变，是相相电压幅值的电压幅值的3/2倍倍。合成空间矢量us以电

17、源角频率电源角频率 1作恒速旋转。5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM2、电压与磁链空间矢量的关系、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（电压矢量正交（900），即磁链圆的切线方向。），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

18、端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM3、开关状态与空间矢量、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：定子电压状态空间矢量通用表示形式：定子电压状态空间矢量通用表示形式：定子电压状态空间矢量通用表示形式：幅值标幺化幅值标幺化幅值标幺化幅值标幺化 5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM（a）开关状态）开关状态001描述的空间矢量描述的空间矢量O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2u1uAO-uCO-uBOABC（SaSa，SbSb，ScSc）=100=100 时，时，时，时，u1u1矢量矢量矢量矢量5.2 5.2 脉

19、宽调制技术脉宽调制技术SVPWM（b）开关状态）开关状态110描述的空间矢量描述的空间矢量（SaSa，SbSb，ScSc）=1 1 0=1 1 0 时，时，时，时，u2u2矢量矢量矢量矢量u2uAO-uCOuBOABC（1 1 01 1 0）对应对应对应对应位于位于位于位于距离距离距离距离 轴轴轴轴的的的的 方向上。方向上。方向上。方向上。（c）开关状态）开关状态010描述的空间矢量描述的空间矢量（SaSa，SbSb，ScSc）=0 1 0=0 1 0 时，时，时，时，u3u3矢量矢量矢量矢量5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM（d）开关状态）开关状态011描述的空间矢量描述的空

20、间矢量（SaSa，SbSb，ScSc）=011=011 时，时，时，时，u4u4矢量矢量矢量矢量（e）开关状态）开关状态001描述的空间矢量描述的空间矢量（SaSa，SbSb，ScSc）=0 01=0 01 时，时，时，时，u5u5矢量矢量矢量矢量5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM（f）开关状态）开关状态101描述的空间矢量描述的空间矢量（SaSa，SbSb，ScSc）=101=101 时，时，时，时，u6u6矢量矢量矢量矢量5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM2、圆轨迹的合成、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作状态，以形

21、成更多的相位不同的电压空间矢量。线性组合法线性组合法基本思路基本思路 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 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术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）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 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM（2）零矢量的使用）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

22、扇区对应的时间均为/3。每个扇区中不同的矢量均由相同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）电压矢量空间的扇区划分5.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWM（4）驱动信号）驱动信号第扇区内一段T0区间的开关序列0001001101111111101000005.2 5.2 脉宽调制技术脉宽调制技术SVPWMSPWM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 5.3 PWM交流调速交流调速一、一、PWM变频调速系统变频

23、调速系统结构框图结构框图5.3 5.3 PWM交流调速交流调速M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR1R2VTbKR0R1RbR2基本功能基本功能进线电抗器进线电抗器进线电抗器进线电抗器：缓解输入电流脉冲缓解输入电流脉冲进线限流电阻：进线限流电阻：进线限流电阻：进线限流电阻：为为了了避避免免大大电电容容C C在在通通电电瞬瞬间间产产生生过过大大的的充充电电电电流流，在在整整流流器器和和滤滤波波电电容容间间串串入入限限流流电电阻阻（或或电电抗抗），即即限限制制充充电电电电流流，又又避避免免产产生生附附加损耗。加损耗。主电路主电路主电路主电路由

24、二极管整流器由二极管整流器由二极管整流器由二极管整流器URURURUR、PWMPWMPWMPWM逆变器逆变器逆变器逆变器UIUIUIUI和中间直流电和中间直流电和中间直流电和中间直流电路三部分组成，一般都路三部分组成，一般都路三部分组成，一般都路三部分组成，一般都 是电压源型的，采用大电是电压源型的，采用大电是电压源型的，采用大电是电压源型的，采用大电容容容容C C C C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。滤波，同时兼有无功功率交换的作用。滤波，同时兼有无功功率交换的作用。滤波，同时兼有无功功率交换的作用。泵升限制电路：泵升限制电路：泵升限制电路：泵升限制电路：由于二极管整流器未提供反向电流的

25、通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。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。时，开关器件导通，通过制动电阻耗能。5.3 5.3 PWM交流调速交流调速逆变器输出波形调制方式逆变器输出波形调制方式逆变器输出波形调制方式逆变器输出波形调制方式三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2系统基本控制方式系统基本控

26、制方式系统基本控制方式系统基本控制方式tff*ufu斜坡函数U/f 曲线脉冲发生器升降速时间设定电压补偿设定PWM产生函数发生器函数发生器函数发生器函数发生器低频（或负载低频（或负载的性质不同）时，靠函数发生的性质不同）时，靠函数发生器补偿，在通用产品中称作器补偿，在通用产品中称作“电压补偿电压补偿”或或“转矩补偿转矩补偿”。给给给给定定定定积积积积分分分分频频定定设设定定信信号号通通过过给给定定积积分分算算法法产产生生平平缓缓升升速速或降速信号。或降速信号。PWMPWMPWMPWM信号产生信号产生信号产生信号产生由微机本身由微机本身的的PWMPWM端口输出，也可采用专端口输出，也可采用专用的

27、用的PWMPWM生成电路芯片。生成电路芯片。检测与保护检测与保护检测与保护检测与保护各物理量工各物理量工作状态的检测信号经信号处作状态的检测信号经信号处理、光电隔离、滤波、放大理、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再经等综合处理，再经A/DA/D转换，转换，输入输入CPUCPU作为控制算法和故障作为控制算法和故障保护的依据。保护的依据。5.3 5.3 PWM交流调速交流调速二、波形调制模式二、波形调制模式1、异步调制、异步调制载载载载波波波波信信信信号号号号f fc c和和和和调调调调制制制制信信信信号号号号f fr r不不不不同同同同步步步步的的的的调调调调制制制制方式。方式。方式。方式。保持

28、保持 f fc c 固定，固定，f fr r 变化；变化；正正负负半半周周期期的的脉脉冲冲不不对对称称，半半周周期期内内前前后后1/41/4周期的脉冲也不对称；周期的脉冲也不对称；当当f fr r增增大大时时，一一周周期期内内的的脉脉冲冲数数减减少少，脉冲不对称对波形的影响变大。脉冲不对称对波形的影响变大。2、同步调制、同步调制变频时使载波和信号波保持同步。变频时使载波和信号波保持同步。变频时使载波和信号波保持同步。变频时使载波和信号波保持同步。f fr r 变化，信号波一周期内输出脉冲数变化，信号波一周期内输出脉冲数N N固定；固定；三相电路中公用一个三角波载波，且三相电路中公用一个三角波载

29、波，且取取 N N 为为3 3的整数倍，使三相输出对称；的整数倍，使三相输出对称；为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周对称，波正负半周对称，N N取奇数；取奇数；fr fr 很低时，很低时，fc fc 也很低，由调制带来的也很低，由调制带来的谐波不易滤除；谐波不易滤除；f fr r 很高时，很高时，f fc c 会过高，使开关器件难会过高，使开关器件难以承受。以承受。分段同步调制分段同步调制混合调制混合调制5.3 5.3 PWM交流调速交流调速3、分段同步调制、分段同步调制把把把把 f fr r 范范范范围围围围划划划划分分分分成成成成若若若若干干干干个个个个频频频频段段段段，每每每每个

30、个个个频频频频段段段段内内内内保保保保持持持持N N恒恒恒恒定定定定，不不不不同同同同频频频频段段段段N N不同；不同；不同；不同；在在在在 f fr r 高高高高的的的的频频频频段段段段采采采采用用用用较较较较低低低低的的的的N N，使使使使载载载载波波波波频频频频率率率率不致过高；不致过高；不致过高；不致过高；在在在在 f fr r 低低低低的的的的频频频频段段段段采采采采用用用用较较较较高高高高的的的的N N，使使使使载载载载波波波波频频频频率率率率不致过低。不致过低。不致过低。不致过低。5.3 5.3 PWM交流调速交流调速4、混合调制、混合调制在低频输出时采用异步调在低频输出时采用异步调在低频输出时采用异步调在低频输出时采用异步调制方式；制方式；制方式；制方式；高频输出时切换到同步调高频输出时切换到同步调高频输出时切换到同步调高频输出时切换到同步调制方式；制方式；制方式；制方式；把两者的优点结合起来；把两者的优点结合起来；把两者的优点结合起来；把两者的优点结合起来；和分段同步方式效果接近。和分段同步方式效果接近。和分段同步方式效果接近。和分段同步方式效果接近。