逆變器的VF控制及仿真 畢業(yè)論文.doc

正在輸入（豆丁網(wǎng)laoshutou）為您傾心整理（下載后雙擊刪除）湘潭大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書題 目：逆變器的v/f控制及仿真 學(xué) 院： 專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 目錄摘 要2abstract3第一章 引言51.1逆變器概述51.2逆變器研究意義5第二章 逆變器的原理62.1 逆變電路62.2 換流方式142.3 調(diào)制方式162.3 本章小結(jié)33第三章 逆變器的控制方式333.1 v/f控制原理333.2 pq控制原理343.3 本章小結(jié)35第四章 基于spwm的逆變器v/f控制及仿真354.1 逆變器數(shù)學(xué)建模及其v/f控制系統(tǒng)的設(shè)計354.2 基于matlab的spwm逆變器v/f控制的仿真404.3 本章小結(jié)45第五章 基于svpwm的逆變器v/f控制及仿真455.1主電路仿真模型465.2控制電路仿真模型475.3仿真結(jié)果及分析485.4 本章小結(jié)48第六章 結(jié)論49參考文獻(xiàn)50致 謝52摘 要微電網(wǎng)代表著電力系統(tǒng)新的發(fā)展方向，正在成為當(dāng)前的研究熱點。微電網(wǎng)中的大多數(shù)微電源通過逆變器接入系統(tǒng)，因此對微電源的控制即為對其逆變器的控制。無論微電網(wǎng)是并網(wǎng)運行還是獨立運行，都需要對內(nèi)部的各個微電源逆變器進(jìn)行有效地控制，以維持電壓和頻率在允許變化的范圍之內(nèi)，從而滿足負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求。因此，研究微電源逆變器的控制技術(shù)，解決逆變電源的并聯(lián)組網(wǎng)問題，是研究和發(fā)展微電網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以三相電壓型逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了逆變器的v/f控制，并依據(jù)工程設(shè)計方法和原則對相應(yīng)的控制器進(jìn)行了設(shè)計;此外，還針對v/f控制的電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)推導(dǎo)了其逆變器輸出阻抗的表達(dá)式，基于輸出阻抗xr的原則對電壓環(huán)和電流環(huán)的控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在matlab/simulink仿真環(huán)境中，搭建了微電網(wǎng)及逆變器控制系統(tǒng)模型，通過對不同運行方式下的仿真，分析了系統(tǒng)的動態(tài)性能。關(guān)鍵詞:spwm;逆變器;v/f控制;svpwm;abstractmicro grid represents power system new development direction, are becoming the current research hotspot. most of micro grid power through the inverter access micro of micro system, therefore the control is the power of the inverter control. whatever micro grid is parallel operation or independent operation, all need to inner each micro power inverter to effectively control to maintain voltage and frequency of the scope of the allow the change, which meet the requirements of the quality of electric power load. therefore, the micro power inverter control technology, solve the problem of inverter power supply network, is parallel research and development micro one of the critical technologies of grid. taking three-phase voltage type inverter in two phase rotation system based on the mathematical model, and detailed analysis of the inverter v/f control, and based on engineering design methods and principles to the corresponding controller design; in addition, still in v/f control the voltage current double closed loop control system of the inverter is derived based on the expressions of the output impedance x r output impedance of the principle of voltage loop and current loop controller parameters are optimized. in matlab/simulink condition, built micro electric network and inverter control system model, through different operational modes of simulation, the analysis of system dynamic performance.keywords: spwm; inverter; v/f control; svpwm第一章 引言1.1逆變器概述人類在開發(fā)利用能源的歷史長河中，以石油、天然氣和煤炭等化石能源為主的時期，僅是一個不太長的階段，它們終將走向枯竭而被新的能源所取代。人類必須及早尋求新的替代能源。研究和實踐表明，太陽直接輻射到地球的能量豐富，分布廣泛，可以再生，不污染環(huán)境，是國際社會公認(rèn)的理想替代能源l。根據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測，到21世紀(jì)50年代，即2050年，全球直接利用太陽能的比例將會發(fā)展到世界能源結(jié)構(gòu)中的13%一15%之間，而整個可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例將大于50%。由此可見，太陽能將是目前大量應(yīng)用的化石能源的主要替代能源之一。我國有著十分豐富的太陽能資源，據(jù)估算全國每年平均太陽能電力為1700twhz，為目前裝機容量的多倍，且太陽能發(fā)電清潔、無污染，在我國有著十分廣闊的前景。日前，我國大中城市的能源供需矛盾日益突出，所以在城市中大規(guī)模地實施和推廣太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電將是大勢所趨。相對于其他綠色能源，太陽能在發(fā)電利用方面除了具有綠色能源本身的優(yōu)點外，還具有一些獨特的優(yōu)勢:(l)機動靈活:發(fā)電系統(tǒng)可以按能量需要決定模塊大小，擴容方便。(2)通用性:發(fā)出的電能并入市電，通過市電網(wǎng)絡(luò)傳輸，利用。(3)可存儲性:太陽能系統(tǒng)可以加入蓄電池儲存電能。(4)分布式電源:不但大幅節(jié)省遠(yuǎn)程輸變電設(shè)備的費用以及線路損耗，而且可以提高整個電力系統(tǒng)的安全可靠性，尤其在抵御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備時。(5)光伏建筑集成:節(jié)約土地占用以及投入成本，這是太陽能發(fā)電最獨特的地方，也是目前研究的熱點方向。光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器、儲能等環(huán)節(jié)組成，將太陽能轉(zhuǎn)換為可利用的電能。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。常用的光伏逆變電路有:方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波pwm逆變器。除了這些逆變電路外，光伏并網(wǎng)逆變器還采用了兩電平逆變器和三電平中性點箱位逆變器。1.2逆變器研究意義逆變技術(shù)就是通過功率半導(dǎo)體器件（例如scr,gto,gtr,igbt和功率mosfet等）的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能的一種電能變換技術(shù)。在我們的周圍，正在越來越多的使用各種用電設(shè)備，它們或者直接由50hz交流電供電，或者由交流電變換的各種不同電壓的直流電以及直流電再次變換的交流電供電。據(jù)統(tǒng)計，在發(fā)達(dá)國家已有40%的電能經(jīng)過各種變換處理，而到2010年，將有80%的電能需要經(jīng)過電力電子技術(shù)的變換器處理再應(yīng)用，這其中就包括將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變技術(shù)。因此逆變技術(shù)在節(jié)約電能方面占有重要的位置。隨著煤、石油和天然氣等主要能源的即將耗盡，新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)就是如何將新能源轉(zhuǎn)化為電能，并與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。逆變技術(shù)能夠?qū)⑿铍姵?、太陽能電池和燃料電池等其它新能源轉(zhuǎn)化的電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電2-4。因此，逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域也起著至關(guān)重要的作用。另一方面，隨著信息技術(shù)和internet技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的步伐正在加快，數(shù)據(jù)安全日益成為各個行業(yè)普遍關(guān)注問題。保障數(shù)據(jù)中心的供電可靠性是保證數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵一環(huán)，因此必須在數(shù)據(jù)中心配備高性能高可靠的不間斷電源系統(tǒng)（ups）。逆變器是ups系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，因此要提高ups的性能，就必須對提高逆變器的性能，尤其是可靠性做進(jìn)一步的研究。另外，隨著航空科技和航空電子的快速發(fā)展，飛機電源系統(tǒng)正在由集中式轉(zhuǎn)向分布式。分布式電源和分布式配電布局提高了供電系統(tǒng)的冗余度，增強了容錯能力和不中斷供電能力，可以大幅度提高供電的可靠性并降低電源和配電系統(tǒng)的重量。而研究新型化模塊化的航空靜止變流器對構(gòu)成分布式電源系統(tǒng)，進(jìn)一步提高功率密度和電能轉(zhuǎn)換效率極為重要?？傊?，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用在各類重要的工業(yè)場合，是一種重要的電能變換技術(shù)。進(jìn)一步提高逆變器的性能，尤其是進(jìn)一步提高逆變器的可靠性和功率密度具有重要的現(xiàn)實意義。第二章 逆變器的原理2.1 逆變電路與整流相對應(yīng)，逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件bjt，igbt，gto等的發(fā)展和pwm 的控制技術(shù)的日趨完善，使spwm 逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。pwm 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。把直流變成交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有源時，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)與負(fù)載連接時，稱為無源逆變。在不加說明的時候，逆變電路一般多指無源逆變電路。逆變電路經(jīng)常和變頻的概念聯(lián)系在一起，如變頻電路有交交變頻和交直交變頻兩種形式。交直交變頻電路由交直變換電路和直交變換電路兩部分組成，前一部分屬于整流電路，后一部分就是這里所要研究的逆變電路。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時，就需要逆變電路。另外，交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分就是逆變電路。變流電路在工作過程中不斷發(fā)生電流從一個支路向另一個支路的轉(zhuǎn)移，這就是換流。換流方式在逆變電路中占有突出的地位。逆變電路可以從不同的角度進(jìn)行分類，如可以按換流方式分，按輸出的相數(shù)分，也可以按直流電源的性質(zhì)分。若按直流電源的性質(zhì)分，可分為電壓型和電流型兩大類。逆變電路最基本的工作原理：改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率，如圖2.1圖2.3。、閉合，、斷開時，負(fù)載電壓uo為正。、斷開，、閉合時，負(fù)載電壓uo為負(fù)。 圖2.1 逆變電路及其波形舉例圖2.2 、閉合，、斷開時電路圖2.3 、閉合，、斷開時電路電阻負(fù)載時，負(fù)載電路的分類是按照直流側(cè)的電源性質(zhì)分類：直流側(cè)是電壓源電壓型逆變電路，又稱為電壓源型逆變電路（voltage source type inverter-vsti）直流側(cè)是電流源電流型逆變電路，又稱為電流源型逆變電路（current sourcetype inverter-vsti）。電流和，的波形相同，相位也相同；阻感負(fù)載時，相位滯后于，波形也不同。2.1.1 電壓型逆變電路（1）單相半橋電壓型逆變電路 工作原理：v1和v2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓為矩形波，幅值為。v1或v2通時，和同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；或通時，和反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。、稱為反饋二極管，它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。圖2.4(a) 單相半橋電壓型逆變電路圖2.4(b) 單相半橋電壓型逆變電路工作波形 由此可見，單相半橋電壓型逆變電路的優(yōu)點是：電路簡單，使用器件少；但也有不可避免的缺點：輸出交流電壓幅值為，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。 因此，其經(jīng)常應(yīng)用于幾kw以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。（2）單相全橋電壓型逆變電路 如圖2.5所示，電壓型全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對橋臂交替導(dǎo)通180。其輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，也是矩形波，但幅值高出一倍，。輸出電流也類似半橋逆變電路。如若改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓來實現(xiàn)。 在阻感負(fù)載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式稱為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓的實際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在圖2.5(a)的單相全橋逆變電路中，各igbt的柵極信號為180正偏，180反偏，并且v1和v2的柵極信號互補，v3和v4的柵極信號互補，但是v3的基極信號不是比v1落后180，而是只落后（0180）。v3、v4的柵極信號分別比v2、v1的前移180-。輸出電壓是正負(fù)各為的脈沖。改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。圖2.5(a) 電壓型全橋逆變電路圖2.5(b) 相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式（3）三相電壓型逆變電路用三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路。采用作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變?nèi)鐖D2.6，看做是由三個半橋逆變電路組成。和單相半橋、全橋逆變電路相同，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差。這樣，在任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。因為每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。圖2.6 三相電壓型橋式逆變電路負(fù)載各相到電源中點的電壓：對于相輸出來說，當(dāng)橋臂1通時，當(dāng)橋臂4通時，。因此，的波形是幅值為的矩形波。、兩相的情況和相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次差120。負(fù)載線電壓uuv，uvw，uwu可以由下式求出 （2-1） 設(shè)負(fù)載中點與直流電源假想中點之間的電壓為，則負(fù)載各相的相電壓分別為 （2-2） 負(fù)載中點和電源中點間電壓： （2-3）設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則有，所以可得 （2-4）即unn波形為矩形波，但其頻率為uun頻率的3倍，幅值為其1/3，即為ud/6。負(fù)載已知時，可由uun波形求出iu波形。一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。在上述180導(dǎo)電方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)段的器件關(guān)段信號，待其關(guān)段后留一定的時間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間。（4）帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖2.7 帶中心抽頭變壓器的逆變電路(a) 交替驅(qū)動兩個igbt，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓；(b) 兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道；(c) 和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1時，u0和i0波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件；器件承受的電壓為2ud，比全橋電路高一倍；必須有一個變壓器 。由上面幾種類型的電壓型逆變器可以總結(jié)出電壓型逆變電路的特點：直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；阻感負(fù)載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。2.1.2 電流型逆變電路近幾年來，適用于電流型逆變器的新型器件不斷出現(xiàn)(例如可雙向關(guān)斷igbt)，使得電流型逆變器中串聯(lián)的二極管不再必需，解決了串聯(lián)二極管的損耗問題。另一方面，國際和國內(nèi)超導(dǎo)技術(shù)近年來都取得了突破性的進(jìn)展，將能有效解決電流型逆變器儲能電感的效率問題。電流型pwm逆變器的應(yīng)用正越來越受到國內(nèi)外研究者們的重視，電流型pwm逆變器技術(shù)的研究不僅對我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，對風(fēng)能、燃料電池等新能源的并網(wǎng)也具有借鑒作用，對我國發(fā)展節(jié)約型社會、對國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。如前所述，直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。實際上理想直流電流源并不多見，一般是在逆變電路直流側(cè)串聯(lián)一個大電感，因為大電感中的電流脈動很小，因此可以近似看成直流電流源。電流型逆變電路主要特點：(a)直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源；(b)交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同；(c)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管；電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多；換流方式有負(fù)載換流、強迫換流。和電壓型逆變電路有所不同，前面所列舉的各種電壓型逆變電路都是采用全控型器件，換流方式為器件換流。采用半控型器件的電壓型逆變電路已很少應(yīng)用。而電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。就其換流方式而言，有的采用負(fù)載換流，有的采用強迫換流。（1） 單相橋式電流型電路電路原理：如圖2.8所示，電路由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的，各橋臂的之間不存在互感。使橋臂1、4和橋臂2、3以10002500的中頻輪流導(dǎo)通，就可以在負(fù)載上得到中頻交流電。該電路是采用負(fù)載換相工作方式的，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓，即負(fù)載略呈容性。實際負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈。圖中r和l串聯(lián)即為感應(yīng)線圈的等效電路。因為功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補償電容器c。電容c和l、r構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故這種逆變電路也被稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。負(fù)載換流方式要求負(fù)載電流超前于電壓，因此補償電容應(yīng)使負(fù)載過補償，使負(fù)載電路總體上工作在容性小失諧的情況下。因為是電流型逆變電路，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波產(chǎn)生低阻抗，諧波在負(fù)載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓的輸出波形接近正弦波。圖2.8 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路工作分析：(a)：vt1和vt2穩(wěn)定導(dǎo)通階段，時刻前在c上建立了左正右負(fù)的電壓；(b)：時觸發(fā)和開通，進(jìn)入換流階段；(c)lt使、不能立刻關(guān)斷，電流有一個減小過程。、電流有一個增大過程；(d)4個晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電；(e)、到c；另一個經(jīng)、到c；(f) 在時刻，即 =時刻過零，時刻大體位于和的中點；(g)t=時，、電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。= 稱為換流時間。晶閘管需一段時間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使、承受一段反壓時間。= - 應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間。這樣才可以保證晶閘管的可靠判斷。在理論分析中，為了簡化分析，常認(rèn)為負(fù)載參數(shù)不變，逆變電路的工作頻率也是固定的。但在實際工作過程中，感應(yīng)線圈的參數(shù)是隨時間變化的，為了保證電路正常工作，必須使工作頻率能適應(yīng)負(fù)載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式，即逆變電路的觸發(fā)信號取自負(fù)載端，其工作頻率受負(fù)載諧振頻率的控制而比后者高一個適當(dāng)?shù)闹?。與自勵式相對應(yīng)，固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。自勵方式存在著起動問題，因為系統(tǒng)未投入運行時，負(fù)載端沒有輸出，無法取出信號。解決這一問題的方法之一是先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。令一種方法是附加預(yù)充電起動電路，即預(yù)先給電容器充電，起動時將電容能量釋放到負(fù)載上，形成衰減振蕩，檢測出振蕩信號實現(xiàn)自勵。（2） 三相電流型逆變電路電路分析：圖2.9(a)是典型的電流型三相橋式逆變電路，這種電路的基本工作方式是導(dǎo)電方式。即每個臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120，按照從到的順序每隔60依次導(dǎo)通。這樣，每個時刻上橋臂組的三個臂和下橋臂組的三個臂都各有一個臂導(dǎo)通。換流時，是在上橋臂組或下橋臂組的組內(nèi)依次換流，為橫向換流。每個時刻上下橋臂組各有一個臂導(dǎo)通，換流方式為橫向換流。波形分析：輸出交流電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，正負(fù)脈沖各120的矩形波。下圖給出了逆變電路的三相輸出交流電流波形及線電壓的波形。輸出電流和三相橋式可控整流電路在大電感負(fù)載時的交流電流波形相同。因此，它們的諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，圖2.9(b)中給出的波形大體是正弦波，但疊加了一些脈沖，這是由于逆變器中的換流過程而產(chǎn)生的。 圖2.9(a) 電流型三相橋式逆變電路圖2.9(b) 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形2.2 換流方式換流：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。研究換流方式，主要是研究如何使器件關(guān)斷。一般來說，換流方式可分為以下幾種：1. 器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為（devicecommutation）。在采用igbt、電力mosfet、gto、gtr等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。2. 電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流（line commutation）。這種換流方式不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3. 負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流（load commutation）。凡是負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可以實現(xiàn)負(fù)載換流。當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載時，媃中實現(xiàn)負(fù)載換流。另為，當(dāng)負(fù)載為同步電動機時，由于可以控制勵磁電流使負(fù)載呈現(xiàn)為容性，因而也可以實現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實現(xiàn)負(fù)載換流。圖2.10(a)是基本的負(fù)載換流電路，4個橋臂均由晶閘管組成。整個負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為 基本沒有脈動。負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以接近正弦波。注意觸發(fā)、的時刻必須在過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。圖2.10(a) 負(fù)載換流電路圖2.10(b) 負(fù)載換流工作波形4. 強迫換流 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流（forced commutation）。強迫換流通常用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。如圖2.11(a)由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓，稱為直接耦合式強迫換流；如圖2.11(b)通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流，稱為電感耦合式強迫換流。當(dāng)晶閘管vt處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當(dāng)s合上，就可使vt被施加反壓而斷。先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。也叫電流換流。圖2.11(a) 直接耦和式強迫換流原理圖圖2.11(b) 電感耦合型強迫換流原理圖2.3 調(diào)制方式逆變器的pwm控制技術(shù)是多電平逆變器研究中一個相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，它與多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出是同生的，因為它不僅決定多電平逆變器的實現(xiàn)與否，而且對多電平逆變器的電壓輸出波形質(zhì)量、系統(tǒng)損耗的減小與效率的提高都有直接的影響。合適的pwm控制方式保證系統(tǒng)高性能和高效率的運行。在傳統(tǒng)的兩電平逆變器的控制中，提出并應(yīng)用的pwm控制方案已經(jīng)有許多種，尤其是微處理器應(yīng)用于pwm技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化后，又不斷有新的pwm技術(shù)出現(xiàn)。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最小，再到消除噪聲等，pwm控制技術(shù)在兩電平中的應(yīng)用已經(jīng)日臻完善。上述pwm控制思想也可以推廣到多電平逆變器的控制中。由于多電平逆變器的pwm控制方法是與其拓?fù)渚o密聯(lián)系的，不同的拓?fù)溆胁煌奶攸c，具有不同的性能要求。多電平逆變器控制的目標(biāo)多、性能指標(biāo)要求也高。pwm技術(shù)的的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了pwm技術(shù)。它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。pwm控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。常用的pwm技術(shù)包括：正弦脈寬調(diào)制（spwm）、選擇諧波調(diào)制（shepwm）、電流滯環(huán)調(diào)制（chpwm）和電壓空間矢量調(diào)制（svpwm）。2.3.1 spwm 調(diào)制pwm（pulse width modulation）控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。pwm控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。把正弦半波分成n等分，就可以把正弦半波看成由n個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到圖1所示的脈沖序列，這就是pwm波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形，也稱為spwm波。owtud-ud 圖2.31 單極性spwm控制方式波形上圖所示的波形稱為單極性spwm波形，根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為圖2.32中所示的pwm波，這種波形稱為雙極性spwm波形，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛owtud-ud 圖2.32 雙極性spwm控制方式波形pwm逆變電路可分為電壓型和電流型兩種，目前實際應(yīng)用的幾乎都是電壓型電路，因此本節(jié)主要分析電壓型逆變電路的控制方法。要得到需要的pwm波形有兩種方法，分別是計算法和調(diào)制法。根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算pwm波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需pwm波形，這種方法稱為計算法。由于計算法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。與計算法相對應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望調(diào)制的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角波作為載波，在調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是spwm波形。下面具體分析單相和三相逆變電路雙極性控制方式。圖2.33是采用igbt作為開關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。圖2.33 單相橋式pwm逆變電路單相橋式逆變電路雙極性pwm控制方式：在的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得pwm波也有正有負(fù)，其幅值只有兩種電平。同樣在調(diào)制信號和載波信號的交點時刻控制器件的通斷。正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)時，給v1和v4導(dǎo)通信號，給v2和v3關(guān)斷信號。如0，v1和v4通，如0，vd1和vd4通，= 。當(dāng)時，給v2和v3導(dǎo)通信號，給v1和v4關(guān)斷信號。如0，vd2和vd3通，=- 。這樣就得到圖2所示的雙極性的spwm波形。圖2.34是采用igbt作為開關(guān)器件的三相橋式電壓型逆變電路。圖2.34 三相pwm逆變電路當(dāng)時，給v1導(dǎo)通信號，給v4關(guān)斷信號，；當(dāng)時，給v4導(dǎo)通信號，給v1關(guān)斷信號，。 當(dāng)給v1(v4)加導(dǎo)通信號時，可能是v1(v4)導(dǎo)通，也可能是vd1 ( vd4 )導(dǎo)通。、和的pwm波形只有兩種電平。波形可由、得出，當(dāng)1和6通時，=，當(dāng)3和4通時，=，當(dāng)1和3或4和6通時，=0。、的波形可同理得出。2.3.2 svpwm 調(diào)制空間電壓矢量(space vector pwm)法和載波調(diào)制等方法不同，它是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得復(fù)制恒定的圓形磁場，即正弦磁通。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生實際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成pwm波形。由于它把逆變器和電機看做一個整體來處理，所得模型簡單，便于微機實時控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低，電壓利用率高的優(yōu)點，因此目前無論在開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)中均得到廣泛應(yīng)用。svpwm是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡 可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量pwm與傳統(tǒng)的正弦pwm不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡。 svpwm技術(shù)與spwm相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現(xiàn)數(shù)字化。下面將對該算法進(jìn)行詳細(xì)分析闡述。svpwm基本原理：svpwm 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成pwm 波形。逆變電路如圖 2.35 示。設(shè)直流母線側(cè)電壓為udc，逆變器輸出的三相相電壓為ua、ub、uc，其分別加在空間上互差120的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個電壓空間矢量 ua(t)、ub(t)、uc(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律做變化，時間相位互差120。假設(shè)um為相電壓有效值，f為電源頻率，則有： （2-5）其中，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量 u(t)就可以表示為： （2-6）可見 u(t)是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值為相電壓峰值的1.5倍，um為相電壓峰值，且以角頻率=2f按逆時針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量 u(t)在三相坐標(biāo)軸（a，b，c）上的投影就是對稱的三相正弦量。圖 2.35 逆變電路由于逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù)為： （2-7）(sa、sb、sc)的全部可能組合共有八個，包括6個非零矢量 ul(001)、u2(010)、u3(011)、u4(100)、u5(101)、u6(110)、和兩個零矢量 u0(000)、u7(111)，下面以其中一 種開關(guān) 組 合為 例分 析，假設(shè)， 此 時圖2.36 矢量u4（100） （2-8）求解上述方程可得：uan=2ud /3、ubn=-u d/3、ucn=-ud /3。同理可計算出其它各種組合下的空間電壓矢量，列表如下：表 2-1 開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對應(yīng)關(guān)系sasbsc矢量符號線電壓相電壓uabubcucauanubnucn000u0000000100u4udc00110u6udcudc0010u20udcudc011u30udcudc001u100udc101u5udc0udc111u7000000圖 2.37 給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置其中非零矢量的幅值相同（模長為 2udc/3），相鄰的矢量間隔 60，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。在每一個扇區(qū)，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即： （2-9）或者等效成下式： （2-10）其中，uref 為期望電壓矢量；t為采樣周期；tx、ty、t0分別為對應(yīng)兩個非零電壓矢量 ux、uy 和零電壓矢量 u 0在一個采樣周期的作用時間；其中u0包括了u0和u7兩個零矢量。式（1-6）的意義是，矢量 uref 在 t 時間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和 ux、uy、u 0 分別在時間 tx、ty、t0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同。 由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖1-3 所示的圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由u4(100)位置開始，每一次增加一個小增量，每一個小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。svpwm 法則推導(dǎo)：三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為，旋轉(zhuǎn)一周所需的時 間為 ；若載波頻率是 ，則頻率比為 。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等 切 割 成 個 小 增 量 ，亦 即 設(shè) 定 電 壓 向 量 每 次 增 量 的 角 度 是 ： （2-11）今假設(shè)欲合成的電壓向量uref 在第區(qū)中第一個增量的位置，如圖2.38所示，欲用 u4、u6、u0 及 u7 合成，用平均值等效可得： （2-12）圖2.38 電壓空間向量在第區(qū)的合成與分解在兩相靜止參考坐標(biāo)系（，）中，令 uref 和 u4 間的夾角是，由正弦定理可得： （2-13）因為 |u 4 |=|u 6|=2udc/3 ，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時間為： （2-14）式中 m 為 svpwm 調(diào)制系數(shù)（調(diào)制比）， m=|uref|/udc 。而零電壓向量所分配的時間為：t7=t0=(ts-t4-t6 ) /2 （2-15）或t7 =(ts-t4-t6 ) （2-16）得到以 u4、u6、u7 及 u0 合成的 uref 的時間后，接下來就是如何產(chǎn)生實際的脈寬調(diào)制波形。在svpwm 調(diào)制方案中，零矢量的選擇是最具靈活性的，適當(dāng)選擇零矢量，可最大限度地減少開關(guān)次數(shù)，盡可能避免在負(fù)載電流較大的時刻的開關(guān)動作，最大限度地減少開關(guān)損耗。一個開關(guān)周期中空間矢量按分時方式發(fā)生作用，在時間上構(gòu)成一個空間矢量的序列，空間矢量的序列組織方式有多種，按照空間矢量的對稱性分類，可分為兩相開關(guān)換流與三相開關(guān)換流。下面對常用的序列做分別介紹。7段式svpwm：我們以減少開關(guān)次數(shù)為目標(biāo)，將基本矢量作用順序的分配原則選定為：在每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，只改變其中一相的 開關(guān)狀態(tài)。并且對零矢量在時間上進(jìn)行了平均分配，以使產(chǎn)生的 pwm 對稱，從而有效地降低 pwm 的諧波分量。當(dāng) u4(100)切換至 u0(000)時，只需改變 a 相上下一對切換開關(guān)，若由 u4(100)切換至 u7(111)則需改變 b、c 相上下兩對切換開關(guān)，增加了一倍的切換損失。因此要改變電壓向量 u4(100)、u2(010)、 u1(001)的大小，需配合零電壓向量 u0(000)，而要改變 u6(110)、u3(011)、u5(100)， 需配合零電壓向量 u7(111)。這樣通過在不同區(qū)間內(nèi)安排不同的開關(guān)切換順序， 就可以獲得對稱的輸出波形，其它各扇區(qū)的開關(guān)切換順序如表 2-2 所示。表 2-2 uref 所在的位置和開關(guān)切換順序?qū)φ招騯ref 所在的位置開關(guān)切換順序三相波形圖區(qū)（060）0-4-6-7-7-6-4-0區(qū)（60120）0-2-6-7-7-6-2-0區(qū)（120180）0-2-3-7-7-3-2-0區(qū)（180240）0-1-3-7-7-3-1-0區(qū)（240300）0-1-5-7-7-5-1-0區(qū)（300360）0-4-5-7-7-5-4-0以第扇區(qū)為例，其所產(chǎn)生的三相波調(diào)制波形在時間 ts 時段中如圖所示，圖中電壓向量出現(xiàn)的先后順序為 u0、u4、u6、u7、u6、u4、u0，各電壓向量的三相波形則與表1-2 中的開關(guān)表示符號相對應(yīng)。再下一個 ts 時段，uref 的角度增加一個，利用式（1-9）可以重新計算新的 t0、t4、t6 及 t7 值，得到新的 合成三相類似新的三相波形；這樣每一個載波周期ts就會合成一個新的矢量，隨著的逐漸增大，uref 將依序進(jìn)入第、區(qū)。在電 壓向量旋轉(zhuǎn)一周期后，就會產(chǎn)生 r 個合成矢量。5段式svpwm：對7段而言，發(fā)波對稱，諧波含量較小，但是每個開關(guān)周期有6次開關(guān)切換，為了進(jìn)一步減少開關(guān)次數(shù)，采用每相開關(guān)在每個扇區(qū)狀態(tài)維持不變的序列安排，使得每個開關(guān)周期只有3次開關(guān)切換，但是會增大諧波含量。具體序列安排見下表。表2-3 uref 所在的位置和開關(guān)切換順序?qū)φ招騯ref 所在的位置開關(guān)切換順序三相波形圖區(qū)（060）4-6-7-7-6-4區(qū)（60120）2-6-7-7-6-2區(qū)（120180）2-3-7-7-3-2區(qū)（180240）1-3-7-7-3-1區(qū)（240300）1-5-7-7-5-1區(qū)（300360）4-5-7-7-5-4svpwm 控制算法：通過以上 svpwm 的法則推導(dǎo)分析可知要實現(xiàn)svpwm信號的實時調(diào)制，首先需要知道參考電壓矢量 uref 所在的區(qū)間位置，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼砗铣蓞⒖茧妷菏噶俊D2.38是在靜止坐標(biāo)系（，）中描述的電壓空間矢量圖，電壓矢量調(diào)制的控制指令是矢量控制系統(tǒng)給出的矢量信號 uref，它以某一角頻率在空間逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個 60扇區(qū)中時，系統(tǒng)計算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動功率開關(guān)元件動作。當(dāng)控制矢量在空間旋轉(zhuǎn) 360后，逆變器就能輸出一個周期的正弦波電壓。合成矢量 uref 所處扇區(qū) n 的判斷：空間矢量調(diào)制的第一步是判斷由 u 和 u所決定的空間電壓矢量所處的扇區(qū)。假定合成的電壓矢量落在第 i 扇區(qū)，可知其等價條件如下：0arctan(u/u)0 ，u0 且u/ u0 ， 且u/ |u|u0 且-u/ uu0 ，u0 且u/ uuu0 ，u0 且-u/u0 ，則 a=1，否則 a=0； 若u 20 ，則 b=1，否則