1、6.4 變壓變頻調速系統中的脈寬調制 (PWM)技術早期六拍階梯逆變器存在的主要問題l采用半控式的晶閘管采用半控式的晶閘管l開關頻率較低開關頻率較低l主電路兩個變流器需要協調控制。主電路兩個變流器需要協調控制。l電壓（直流環節）變化動態響應慢。電壓（直流環節）變化動態響應慢。l交流輸入側功率因數差。交流輸入側功率因數差。l逆變器輸出諧波分量大。逆變器輸出諧波分量大。 逆變器一個工作周期中，其開關元件根據目標函數要求按一定規律作多次開工作，稱為基于PWM控制技術的逆變器。 前提：全控式電力電子開關的出現解決途徑l應用應用PWM控制技術。控制技術。控制目標控制目標l電壓正弦波 SPWM l電流正弦

2、波 CHBPWMl消除指定次數諧波 SHEPWMl圓形旋轉磁場 SVPWM6.4.1 正弦波脈寬調制(SPWM)技術1. PWM調制原理調制原理 以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier waveCarrier wave），并用頻率和期望波相同的），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波（正弦波作為調制波（Modulation waveModulation wave），），當當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷

3、時刻器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調制，從而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。不等寬的矩形波。2. PWM逆變器主電路及輸出波形三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形 w1 tOOOOUd2-Ud2w1 tw1 tw1 tw1 turaurburcutuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB 在模擬電子電

4、路中，采用正弦波發生器、在模擬電子電路中，采用正弦波發生器、三角波發生器和比較器來實現上述的三角波發生器和比較器來實現上述的SPWM控制；控制； 改成數字控制后，開始時只是把同樣的改成數字控制后，開始時只是把同樣的方法數字化，稱作方法數字化，稱作“自然采樣法自然采樣法” 。自然采。自然采樣法的運算比較復雜，在工程上更實用的是樣法的運算比較復雜，在工程上更實用的是簡化后的簡化后的“規則采樣法規則采樣法”。 由于由于PWM變壓變頻器的應用非常廣泛，變壓變頻器的應用非常廣泛，已制成多種專用集成電路芯片作為已制成多種專用集成電路芯片作為SPWM信信號的發生器，后來更進一步把它做在微機芯號的發生器，后來

5、更進一步把它做在微機芯片里面，生產出多種帶片里面，生產出多種帶PWM信號輸出口的電信號輸出口的電機控制用的機控制用的8位、位、16位微機和位微機和DSP芯片。芯片。6.4.2 消除指定次數諧波的PWM(SHEPWM) 控制技術 脈寬調制（PWM）的目的是使變壓變頻器輸出的電壓波形盡量接近正弦波，減少諧波，以滿足交流電機的需要。要達到這一目的，除了上述采用正弦波調制三角波的方法以外，還可以采用直接計算下圖中各脈沖起始與終了相位1, 2, 2m的方法，以消除指定次數的諧波，構成近似正弦的PWM波形（Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。特定諧波消去法的

6、輸出波形圖6-21變壓變頻器輸出的相電壓PWM波形 對圖6-21的PWM波形作傅氏分析可知，其k次諧波相電壓幅值的表達式為 （6-26） 式中 Ud變壓變頻器直流側電壓； i以相位角表示的PWM波形第i個起始或終了時刻。miikkUU1cos) 1(212dkm需要值54321dm1cos2cos2cos2cos2cos212UU05cos25cos25cos25cos25cos215254321dm5UU07cos27cos27cos27cos27cos217254321dm7UU011cos211cos211cos211cos211cos2111254321dm11UU013cos213c

7、os213cos213cos213cos2113254321dm13UU 上述上述5 5個方程中共有個方程中共有1 1，2 2 ，5 5，這，這5 5個需要求解的開關時刻相位角，一般采用數值法個需要求解的開關時刻相位角，一般采用數值法迭代求解。這樣的數值計算法在理論上雖能消除迭代求解。這樣的數值計算法在理論上雖能消除所指定次數的諧波，但更高次數的諧波卻可能反所指定次數的諧波，但更高次數的諧波卻可能反而增大，不過它們對電動機電流和轉矩的影響已而增大，不過它們對電動機電流和轉矩的影響已經不大，所以這種控制技術的效果還是不錯的。經不大，所以這種控制技術的效果還是不錯的。 由于上述數值求解方法的復雜性

8、，而且對應由于上述數值求解方法的復雜性，而且對應于不同基波頻率應有不同的基波電壓幅值，求解于不同基波頻率應有不同的基波電壓幅值，求解出的脈沖開關時刻也不一樣。所以這種方法不宜出的脈沖開關時刻也不一樣。所以這種方法不宜用于實時控制，須用計算機離線求出開關角的數用于實時控制，須用計算機離線求出開關角的數值，放入微機內存，以備控制時調用。值，放入微機內存，以備控制時調用。6.4.3 電流滯環跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術 應用應用PWMPWM控制技術的變壓變頻器一般都是電壓源型控制技術的變壓變頻器一般都是電壓源型的，它可以按需要方便地控制其輸出電壓，為此前面的，它可以按需要方便地控制其輸出電壓，

9、為此前面兩小節所述的兩小節所述的PWMPWM控制技術都是以輸出電壓近似正弦控制技術都是以輸出電壓近似正弦波為目標的。波為目標的。 但是，在電流電機中，實際需要保證的應該是正弦波但是，在電流電機中，實際需要保證的應該是正弦波電流，因為在交流電機繞組中只有通入三相平衡的正弦電流，因為在交流電機繞組中只有通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉矩為恒定值，不含脈動分量。電流才能使合成的電磁轉矩為恒定值，不含脈動分量。因此，若能對電流實行閉環控制，以保證其正弦波形，因此，若能對電流實行閉環控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環控制能夠獲得更好的性能。顯然將比電壓開環控制能夠獲得更好的性能。 電流滯環

10、跟蹤控制的電流滯環跟蹤控制的A相原理圖相原理圖1. 滯環比較方式電流跟蹤控制原理 滯環比較方式的指令電流和輸出電流 a) 電流波形b) 電壓波形三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形 圖6-25Oti*UOtuABiUi 電流跟蹤控制的精度與滯環的環寬有關，電流跟蹤控制的精度與滯環的環寬有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。約。 當環寬選得較大時，可降低開關頻率，但當環寬選得較大時，可降低開關頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；電流波形失真較多，諧波分量高； 如果環寬太小，電流波形雖然較好，卻使如果環寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關頻率增大了。

11、開關頻率增大了。 這是一對矛盾的因素，實用中，應在充分這是一對矛盾的因素，實用中，應在充分利用器件開關頻率的前提下，正確地選擇盡利用器件開關頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環寬。可能小的環寬。小 結 電流滯環跟蹤控制方法的精度高，響應快，電流滯環跟蹤控制方法的精度高，響應快，且易于實現。但受功率開關器件允許開關頻且易于實現。但受功率開關器件允許開關頻率的限制，僅在電機堵轉且在給定電流峰值率的限制，僅在電機堵轉且在給定電流峰值處才發揮出最高開關頻率，在其他情況下，處才發揮出最高開關頻率，在其他情況下，器件的允許開關頻率都未得到充分利用。器件的允許開關頻率都未得到充分利用。 為了克服這個缺點，可

12、以采用具有恒定開為了克服這個缺點，可以采用具有恒定開關頻率的電流控制器，或者在局部范圍內限關頻率的電流控制器，或者在局部范圍內限制開關頻率，但這樣對電流波形都會產生影制開關頻率，但這樣對電流波形都會產生影響。響。 只須改變電流給定信號的頻率即可實現只須改變電流給定信號的頻率即可實現變頻調速，無須再人為地調節逆變器電壓變頻調速，無須再人為地調節逆變器電壓6.4.4 電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術 （或稱磁鏈跟蹤控制技術）本節提要本節提要l問題的提出l空間矢量的定義l電壓與磁鏈空間矢量的關系l六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉磁場l電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制 問題的提出問題的

13、提出 把逆變器和交流電動機視為一體，按把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控磁鏈跟蹤控制制”，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空電壓空間矢量間矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制控制”。1. 空間矢量的定義 交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，

14、也可以如圖所示，定義為空間矢量uA0， uB0 ， uC0 。 電壓空間矢量 電壓空間矢量的相互關系l定子電壓空間矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時間按正弦規律脈動，時間相位互相錯開的角度也是120。l合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量 us 是一個旋轉的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。 電壓空間矢量的相互關系（續） 當電源頻率不變時，合成空間矢量 us 以電源角頻率w1 為電氣角速度作恒速旋轉。當某一相電壓為最大值時，合成電壓矢量 us 就落在該相的軸線上。用公式表示，則有 C0B0A0suuuu（7-39）

15、 與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量 Is 和s 。2. 電壓與磁鏈空間矢量的關系 三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為空間矢量表示的定子電壓方程式為tRddssssIu（6-40） 式中 us 定子三相電壓合成空間矢量； Is 定子三相電流合成空間矢量；s 定子三相磁鏈合成空間矢量。 近似關系 當電動機轉速不是很低時，定子電阻壓當電動機轉速不是很低時，定子電阻壓降在式（降在式（6-40）中所占的成分很小，可忽）中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢

16、量的近似關系為矢量的近似關系為 t ddssu （6-41） t dssu（6-42） 或 磁鏈軌跡 當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉矢量可用下式表示。圓）。這樣的定子磁鏈旋轉矢量可用下式表示。t1jmsew（6-43） 其中 m是磁鏈s的幅值，w1為其旋轉角速度。由式（6-41）和式（6-43）可得)2( jm1jm1jms111eej)e(ddttttw

17、wwwwu（6-44） 上式表明，當磁鏈幅值一定時，上式表明，當磁鏈幅值一定時，us的大小的大小與與w w1（或供電電壓頻率）成正比，其方向（或供電電壓頻率）成正比，其方向則與磁鏈矢量則與磁鏈矢量s正交，即磁鏈圓的切線正交，即磁鏈圓的切線方向，方向， 磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關系 如圖所示，當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續地按磁鏈圓的切線方向運動2弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。 這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。 旋轉磁場與電壓空間矢量的運動軌跡3. 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉磁場 （1）電壓空間矢量運動軌跡）電壓空間矢量運動軌跡 在常規

18、的在常規的 PWM 變壓變頻調速系統中，異變壓變頻調速系統中，異步電動機由六拍階梯波逆變器供電，這時的步電動機由六拍階梯波逆變器供電，這時的電壓空間矢量運動軌跡是怎樣的呢？電壓空間矢量運動軌跡是怎樣的呢？ 為了討論方便起見，再把三相逆變器為了討論方便起見，再把三相逆變器-異步異步電動機調速系統主電路的原理圖繪出，圖電動機調速系統主電路的原理圖繪出，圖6-27中六個功率開關器件都用開關符號代替，中六個功率開關器件都用開關符號代替，可以代表任意一種開關器件。可以代表任意一種開關器件。 主電路原理圖三相逆變器-異步電動機調速系統主電路原理圖 開關工作狀態 如果，圖中的逆變器采用180導通型，功率開關

19、器件共有8種工作狀態（見附表） ，其中l6 種有效開關狀態；l2 種無效狀態（因為逆變器這時并沒有輸出電壓）： u上橋臂開關 VT1、VT3、VT5 全部導通u下橋臂開關 VT2、VT4、VT6 全部導通開關狀態表 開關控制模式 對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個周期中6 種有效的工作狀態各出現一次。逆變器每隔 /3 時刻就切換一次工作狀態（即換相），而在這 /3 時刻內則保持不變。 （a）開關模式分析 l設工作周期從100狀態開始，這時VT6、VT1、VT2導通，其等效電路如圖所示。各相對直流電源中點的電壓都是幅值為 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2O+-

20、iCUdiAiBidVT1VT6VT2（b）工作狀態100的合成電壓空間矢量l由圖可知，三相的合成空間矢量為 u1，其幅值等于Ud，方向沿A軸（即X軸）。 u1uAO-uCO-uBOABC（c）工作狀態110的合成電壓空間矢量 l u1 存在的時間為/3，在這段時間以后，工作狀態轉為110，和上面的分析相似，合成空間矢量變成圖中的 u2 ，它在空間上滯后于u1 的相位為 /3 弧度，存在的時間也是 /3 。 u2uAO-uCOuBOABC（d）每個周期的六邊形合成電壓空間矢量 u1u2u3u4u5u6u7 u8 依此類推，隨著逆變器工作狀態的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉 /3

21、，直到一個周期結束。 這樣，在一個周期中 6 個電壓空間矢量共轉過 2 弧度，形成一個封閉的正六邊形，如圖所示。 （2）定子磁鏈矢量端點的運動軌跡 l電壓空間矢量與磁鏈矢量的關系 一個由電壓空間矢量運動所形成的正六邊一個由電壓空間矢量運動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機定子磁鏈矢形軌跡也可以看作是異步電動機定子磁鏈矢量端點的運動軌跡。對于這個關系，進一步量端點的運動軌跡。對于這個關系，進一步說明如下：說明如下： 六拍逆變器供電時電動機電壓空間矢量與磁鏈矢量的關系 設在逆變器工作開始時定子磁鏈空間矢量為 1，在第一個 /3 期間，電動機上施加的電壓空間矢量為圖6-28d中的 u1 ，把

22、它們再畫在圖6-29中。按照式（6-41）可以寫成 也就是說，在 /3 所對應的時間 t 內，施加 u1的結果是使定子磁鏈 1 產生一個增量 ，其幅值 |u1| 與成正比，方向與u1一致，最后得到圖6-29所示的新的磁鏈，而 11 ut（6-45） 112（6-46） 依此類推，可以寫成 的通式iiutii1i（6-47） 6 , 2 , 1i（6-48） 總之，在一個周期內，6個磁鏈空間矢量呈放射狀，矢量的尾部都在O點，其頂端的運動軌跡也就是6個電壓空間矢量所圍成的正六邊形。n 磁鏈矢量增量與電壓矢量、時間增量的關系 如果 u1 的作用時間t 小于 /3 ，則 i 的幅值也按比例地減小，如圖

23、 6-30 中的矢量 。可見，在任何時刻，所產生的磁鏈增量的方向決定于所施加的電壓，其幅值則正比于施加電壓的時間。AB磁鏈矢量增量與電壓矢量、時間增量的關系4. 電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制 如前分析，我們可以得到的結論是：如前分析，我們可以得到的結論是：如果交流電動機僅由常規的六拍階梯波逆變如果交流電動機僅由常規的六拍階梯波逆變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉磁場，器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉磁場，這顯然不象在正弦波供電時所產生的圓形旋這顯然不象在正弦波供電時所產生的圓形旋轉磁場那樣能使電動機獲得勻速運行。轉磁場那樣能使電動機獲得勻速運行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉磁場

24、，如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉磁場，就必須在每一個期間內出現多個工作狀態，就必須在每一個期間內出現多個工作狀態，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此，必須對逆變器的控制模式進行改造。此，必須對逆變器的控制模式進行改造。 基本思路逼近圓形時的磁鏈增量軌跡 如果要逼近圓形，可以增加切換次數，設想磁鏈增量由圖中的 11 ， 12 ， 13 ， 14 這4段組成。這時，每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。 線性組合的方法電壓空間矢量的線性組合 圖6-32表示由電壓空間矢量u1和u2的線性組合構成新的電壓矢量。 設在一段換相周期時間T0 中，可以用兩個矢量之和表示由兩個矢量線性組合后的電壓矢量us ，新矢量的相位為 。電壓空間矢量的扇區劃分 為了討論方便起見，可把逆變器的一個為了討論方便起見，可把逆變器的一個工作周期用工作周期用6個電壓空間矢量劃分成個電壓空間矢量劃分成6個區個區域，稱為扇區（域，稱為扇區（Sector），如圖所示的），如圖所示的、，每個扇區對應的時間均為，每個扇區對應的時間均為 /3 。 由于逆變器在各扇區的工作狀態都是對