第3章 電力電子裝置中的控制技術(shù)-s

1、第第3章章 電力電子裝置電力電子裝置 的控制技術(shù)的控制技術(shù) 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 第第3章章 電力電子裝置的控制技術(shù)電力電子裝置的控制技術(shù) 3.1概述 3.2內(nèi)層脈寬調(diào)制技術(shù) 3.3外層控制技術(shù) 3.4電力電子裝置的控制算法設(shè)計及分析方法 3.1 前言前言 下圖所示為電力電子裝置的控制示意圖。一般而言，我們可 以把電力電子裝置的控制分為內(nèi)層控制和外層控制。 電力電子 裝置 負(fù)載 或 系統(tǒng) 內(nèi)層控制 外層控制 I u I i O u O i 3.1 前言前言 所謂外層控制，是指根據(jù)電力電子裝置的輸入輸除狀態(tài)以所謂外層控制，是指根據(jù)電力電子裝置的輸入輸

2、除狀態(tài)以 及負(fù)載或系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，采用一定的控制算法，得到電及負(fù)載或系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，采用一定的控制算法，得到電 力電子裝置的力電子裝置的控制電壓和控制電流控制電壓和控制電流，使得裝置和負(fù)載達(dá)到，使得裝置和負(fù)載達(dá)到 預(yù)定的運(yùn)行目標(biāo)。這些控制算法包括：傳統(tǒng)的預(yù)定的運(yùn)行目標(biāo)。這些控制算法包括：傳統(tǒng)的PID控制以控制以 及各種現(xiàn)代控制理論。及各種現(xiàn)代控制理論。 所謂內(nèi)層控制，是指根據(jù)外層控制得到的控制電壓或電流，所謂內(nèi)層控制，是指根據(jù)外層控制得到的控制電壓或電流， 按照一定的控制算法，得到電力電子裝置中的電力電子器按照一定的控制算法，得到電力電子裝置中的電力電子器 件的件的控制信號的相位或脈寬時間控制

3、信號的相位或脈寬時間。這些控制算法包括：相。這些控制算法包括：相 控方法、控方法、PWM算法等。算法等。 冶煉爐 內(nèi)層控制 外層控制 爐溫 控制電壓 觸發(fā)脈沖的相位 或P WM脈 寬 交流調(diào)壓 裝置 輸出 電壓 3.1 前言前言 例如：采用交流調(diào)壓的溫控裝置。例如：采用交流調(diào)壓的溫控裝置。 3.1 前言前言 外層控制根據(jù)溫度傳感器采集冶煉爐內(nèi)部的溫度，按照一 定的控制方法得出交流調(diào)壓裝置的應(yīng)該輸出的交流電壓大 小，這個電壓就是給內(nèi)層控制的控制電壓。 內(nèi)層控制根據(jù)控制電壓，按照交流調(diào)壓電路輸出電壓控制 方式采用移相調(diào)壓或PWM調(diào)壓方法計算出晶閘管的觸發(fā)脈 沖的相位或脈寬時間，并把這個控制信號送到

4、觸發(fā)電路。 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 本節(jié)主要介紹采用全控型器件的各種變換電路中采用的脈沖 寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)，主要有： 調(diào)制法 特定諧波消去法 滯環(huán)跟蹤控制 空間矢量控制技術(shù) 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 1 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 基本原理基本原理 PWM的基本原理是基于采樣定理中的一個重要結(jié)論：沖量相 等形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上，其響應(yīng)基本相同。 按照這樣一個基本原理，我們可以用一系列周期性變化的 窄方波脈沖加在一個具有慣性環(huán)節(jié)（例如電感上），來得 到需要的響應(yīng)（例如電流）。 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 單極性調(diào)制單極性調(diào)制 1 調(diào)制技術(shù)調(diào)制

5、技術(shù) E o u o i 1 V 2 V 3 V 4 V C u r u o u 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 雙極性調(diào)制雙極性調(diào)制 1 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) E o u o i 1 V 2 V 3 V 4 V C u r u o u 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 自然采樣法自然采樣法 1 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) C u r u o u 1 t 2 t T 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 1 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) C u r u o u T 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 調(diào)制技術(shù)的特點調(diào)制技術(shù)的特點 n輸出電壓中諧波頻率高，與開關(guān)頻率有關(guān)，

6、容易濾掉。 n直流電壓利用濾低。 n開關(guān)損耗較高。 n同橋臂上下器件需要有死區(qū)。 1 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 2 特定諧波消去法特定諧波消去法 o u 1 t 2 t 3 t E o u o i 1 V 2 V 3 V 4 V c i o i c i o i o i c i 1G V 2G V 3G V 4G V i o i 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 滯環(huán)控制示意圖如下：滯環(huán)控制示意圖如下： 3 滯環(huán)跟蹤控制滯環(huán)跟蹤控制 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 滯環(huán)控制的特點有：滯環(huán)控制的特點有： 控制電路簡單，容易實現(xiàn)控制電路簡單，容易實

7、現(xiàn) 響應(yīng)快速響應(yīng)快速 開關(guān)頻率不固定，諧波頻率和幅值不固定。不容易設(shè)計濾開關(guān)頻率不固定，諧波頻率和幅值不固定。不容易設(shè)計濾 波電路波電路 環(huán)寬環(huán)寬對電路特性有很大影響。環(huán)寬大，開關(guān)頻率會降低，對電路特性有很大影響。環(huán)寬大，開關(guān)頻率會降低， 但是輸出電流諧波含量大，而且包含低次諧波但是輸出電流諧波含量大，而且包含低次諧波 環(huán)寬小，開關(guān)頻率增大，但是輸出電流諧波含量小，而且環(huán)寬小，開關(guān)頻率增大，但是輸出電流諧波含量小，而且 主要是高次諧波主要是高次諧波 3 滯環(huán)跟蹤控制滯環(huán)跟蹤控制 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 空間矢量PWM控制策略是由日本學(xué)者在上個世紀(jì)80年代初， 針對交流電動機(jī)變

8、頻驅(qū)動而提出來的。其主要思路在于采 用逆變器空間電壓矢量的切換來獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而 在不高的開關(guān)頻率條件下，使交流電動機(jī)獲得比SPWM更 好的性能。和SPWM控制相比，SVPWM具有以下特點： 提高了直流電壓利用率和電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能。 減小了電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈沖。 具有較好的動態(tài)特性。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 理論基礎(chǔ) 對于交流信號，我們引入矢量的概念來簡化分析。而在三相 交流系統(tǒng)中，如果三相電壓平衡，那么我們可以定義在復(fù) 平面內(nèi)的空間電壓矢量如下： 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 )( 3 2 0 3/

9、23/2 j co j boao coboao eueuuU uuu a b c Re Im U 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 如果三相電壓為角頻率為 的對稱正弦電壓，則可用一 個以該角速度旋轉(zhuǎn)、長度為相電壓幅值的的空間矢量 來分析三相電壓。該矢量在三相坐標(biāo)軸上的投影就是 該相電壓的瞬時值。有了該空間矢量對于我們后面分 析和理解三相系統(tǒng)的電壓電流問題是很有幫助的。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 以電壓型逆變電路為例來討論逆 變電路的SVPWM的一般問題 LR E 1 V 3 V 5 V 4 V 6 V 2 V a u b

10、 u c u a e b e c e o N 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 定義一個二值開關(guān)邏輯函數(shù)： ),( 0 1 cbakSk 下橋臂開上橋臂關(guān)； 上橋臂開下橋臂關(guān)； 則三相負(fù)載相電壓可以描述為： ESSSSu ESSSSu ESSSSu cbacco cbabbo cbaaao )( 3 1 )( 3 1 )( 3 1 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 由上式，根據(jù)開 關(guān)的不同組合 狀態(tài)，可以得 到相應(yīng)的相電 壓和對應(yīng)電壓 矢量的列表如 表 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 圖圖3 三相逆變器三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖異步電動

11、機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 開關(guān)工作狀態(tài)開關(guān)工作狀態(tài) 采用采用180導(dǎo)通型，功率開關(guān)器件共有導(dǎo)通型，功率開關(guān)器件共有8種工作狀種工作狀 態(tài)，其中態(tài)，其中6 種有效開關(guān)狀態(tài)，種有效開關(guān)狀態(tài)，2 種零狀態(tài)（這時種零狀態(tài)（這時 逆變器沒有輸出電壓）逆變器沒有輸出電壓） 開關(guān)函數(shù)與開關(guān)模式開關(guān)函數(shù)與開關(guān)模式 定義定義開關(guān)函數(shù)開關(guān)函數(shù): 1 當(dāng)上橋臂器件導(dǎo)通時當(dāng)上橋臂器件導(dǎo)通時 Si= 0 當(dāng)下橋臂器件導(dǎo)通時當(dāng)下橋臂器件導(dǎo)通時 ( i=A,B,C) 則則每一時刻的每一時刻的us將由此時的三個開關(guān)函數(shù)值將由此時的三個開關(guān)函數(shù)值 唯一確定唯一確定,記作記作us(SA,SB,SC),并稱并稱 (SA,SB,SC)

12、在在 不同數(shù)值下的組合為變頻器的不同數(shù)值下的組合為變頻器的開關(guān)模式（開開關(guān)模式（開 關(guān)代碼）關(guān)代碼）. 開關(guān)狀態(tài)表開關(guān)狀態(tài)表 （a）開關(guān)模式分析）開關(guān)模式分析 設(shè)工作周期從設(shè)工作周期從100 狀態(tài)開始，這時狀態(tài)開始，這時 VT6、VT1、VT2導(dǎo)導(dǎo) 通，其等效電路如通，其等效電路如 圖所示。各相對直圖所示。各相對直 流電源中點的電壓流電源中點的電壓 幅值為幅值為 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2 O + - - iC Ud iA iB id VT1 VT6VT2 開關(guān)控制模式開關(guān)控制模式 （b）工作狀態(tài)）工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量的合成電壓空間矢量 由圖可

13、知，三相的合由圖可知，三相的合 成空間矢量為成空間矢量為 u1，其，其 幅值等于幅值等于Ud，方向沿，方向沿 A軸（即軸（即X軸）。軸）。 u1 存在的時間為存在的時間為 /3， 之后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為之后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為 110。 u1 uAO -uCO -uBO A B C oo j CO j BOAO eUeUUu 240120 1 （c）工作狀態(tài)）工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量的合成電壓空間矢量 和上面的分析相和上面的分析相 似，合成空間矢似，合成空間矢 量變成圖中的量變成圖中的 u2 ， 它在空間上滯后它在空間上滯后 于于u1 的相位為的相位為 /3 弧度，存在弧度，存在 的時間也是的時

14、間也是 /3 。 u2 uAO -uCO uBO A B C （d）每個周期的六邊形）每個周期的六邊形 合成電壓空間矢量合成電壓空間矢量 隨著逆變器工作狀隨著逆變器工作狀 態(tài)的切換，電壓空間態(tài)的切換，電壓空間 矢量的幅值不變，而矢量的幅值不變，而 相位每次旋轉(zhuǎn)相位每次旋轉(zhuǎn) /3 ， 直到一個周期結(jié)束。直到一個周期結(jié)束。 在一個周期中在一個周期中 6 個電壓空間矢量共轉(zhuǎn)個電壓空間矢量共轉(zhuǎn) 過過 2 弧度，形成一弧度，形成一 個封閉的正六邊形，個封閉的正六邊形， 如圖所示。如圖所示。 u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7 u8 圖圖7 電壓空間矢量的放射形式和電壓空間矢量的放射形式和6個扇區(qū)個

15、扇區(qū) 電壓空間矢量的扇區(qū)電壓空間矢量的扇區(qū)（Sector）劃分劃分 線性組合方法（以在區(qū)域線性組合方法（以在區(qū)域I為例說明）為例說明） 圖圖6 電壓空間矢量的線性組合電壓空間矢量的線性組合 設(shè)在一個換相設(shè)在一個換相 周期時間周期時間T0 內(nèi)，可內(nèi)，可 用兩個矢量之和表用兩個矢量之和表 示由兩個矢量線性示由兩個矢量線性 組合后的新電壓矢組合后的新電壓矢 量量us ，其相位為，其相位為 。 sinjcos ss2 0 2 1 0 1 s uuuuu T t T t （10） 作用時間的確定作用時間的確定 根據(jù)各個開關(guān)狀態(tài)的線電壓表達(dá)式可以推出根據(jù)各個開關(guān)狀態(tài)的線電壓表達(dá)式可以推出 0 2 0 2

16、0 1 d 0 2 0 1 d 0 2 0 1 d 3 j 0 2 0 1 d 3 j d 0 2 d 0 1 s 2 3 j 2 2 3 j 2 1 3 sinj 3 cos ee T t T t T t U T t T t U T t T t U T t T t UU T t U T t u （11） 比較式（比較式（10）和式（）和式（11），令實數(shù)項和），令實數(shù)項和 虛數(shù)項分別相等，則虛數(shù)項分別相等，則 d 0 2 0 1 s 2 cosU T t T t u d 0 2 s 2 3 sinU T t u 解解 t1和和 t2 ，得，得 1 0 2 sin() 33 r d tU TU

17、 d s 0 2 sin 3 2 UT tu 零矢量的使用零矢量的使用 換相周期換相周期 T0 應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場所需的頻率決應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場所需的頻率決 定，定， 設(shè)零矢量設(shè)零矢量 u7 和和 u8 的作用時間為的作用時間為t7和和t8。 為了減少功率器件的開關(guān)次數(shù)，一般使為了減少功率器件的開關(guān)次數(shù)，一般使 u7 和和 u8 各占一半時間，因此各占一半時間，因此 )( 2 1 21087 ttTtt （16） 0 開關(guān)狀態(tài)順序原則開關(guān)狀態(tài)順序原則 在實際系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量減少開關(guān)狀態(tài)在實際系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量減少開關(guān)狀態(tài) 變化時引起的開關(guān)損耗，因此變化時引起的開關(guān)損耗，因此不同開關(guān)狀不同開關(guān)狀 態(tài)的順序必須

18、遵守下述原則態(tài)的順序必須遵守下述原則：每次切換開每次切換開 關(guān)狀態(tài)時，只切換一個功率開關(guān)器件，以關(guān)狀態(tài)時，只切換一個功率開關(guān)器件，以 使開關(guān)損耗最小。使開關(guān)損耗最小。 T0 區(qū)間的電壓波形區(qū)間的電壓波形 圖圖8 第第扇區(qū)內(nèi)一段扇區(qū)內(nèi)一段T0區(qū)間的開關(guān)序列與逆變器三相電壓波形區(qū)間的開關(guān)序列與逆變器三相電壓波形 虛線間的每一虛線間的每一 小段表示一種小段表示一種 工作狀態(tài)工作狀態(tài) 導(dǎo)通開關(guān)模式的次序：導(dǎo)通開關(guān)模式的次序：7-1-2-8-2-1-7 7 u 1 u 2 u 8 u T 4 0 T 2 4 T 2 6 T 4 0 T 4 0 T 2 6 T 2 4 T 4 0 T 7 u 8 u 2

19、u 1 u 2低開關(guān)損耗模式低開關(guān)損耗模式 Sa Sb Sc 7 u 1 u 2 u T 2 0 T 2 4 T 6 T 2 4 T 2 0 T 1 u 7 u 5(001) u 3(010) u 4(011) u 1(100) u 6(101) u 2(110) u SVPWM在在6個扇區(qū)個扇區(qū) 的對稱調(diào)制模式的對稱調(diào)制模式 7-5-4-8-4-5-7 7-1-6-8-6-1-7 7-1-2-8-2-1-7 一個周期一個周期T中的開關(guān)中的開關(guān) 次數(shù)將由次數(shù)將由6次減少到次減少到4 次，使開關(guān)損耗有所次，使開關(guān)損耗有所 降低降低 。 把把u8改成改成u7并并 移到兩邊去移到兩邊去 。 SVPW

20、M 比比 SPWM 的直流的直流 利用率提高了利用率提高了15.47% SPWMSVPWM 基波相電基波相電 壓幅值壓幅值 基波線電基波線電 壓幅值壓幅值 1 2 d U 3 3 d U 3 2 d Ud U SVPWM合成矢量是內(nèi)切圓！合成矢量是內(nèi)切圓！ a b c Re Im 1 U 2 U 3 U 4 U 5U 6 U 0 U 7 U 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 由上表可以看出，三相逆變器的不同開關(guān)組合狀態(tài)下各 交流電壓可以由一個模為2E/3的空間電壓矢量在復(fù)平 面表示出來。那么上表中每個開關(guān)狀態(tài)就對應(yīng)一個電 壓矢量，而該矢量在相應(yīng)的a，b，c軸上的投影就是該 相的相電壓。

21、 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 注：這里實際 上是把三相電 壓在相位上的 差轉(zhuǎn)化為空間 坐標(biāo)的角度差 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 在復(fù)平面上定義三相逆變器的空間電壓矢量為： 上式可以表達(dá)為開關(guān)函數(shù)的形式： 對于三相逆變器，空間矢量可以表述為： 0 )6 , 0( 3 2 7, 0 3/)1( U kEeU kj k 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 )7 , 0()( 3 2 3/23/2 keSeSSEU j c j bak )( 3 2 )( 3 2 3/23/2 3/23/2 j cN j bNaN j co j boao eueuuU

22、eueuuU 可見三相逆變器的 空間電壓矢量是與 相電壓的參考點的 選取無關(guān)，即它是 正對三相線電壓而 言，即是一種基于 線電壓控制方式。 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 空間矢量的合成 對一個任意給定的空間電壓矢 量可以由三相逆變器的八個 電壓空間矢量經(jīng)過組合而成。 如下圖所示。 a b c Re Im 1 U 2 U 3 U 4 U 5U 6 U 0 U 7 U * U 1 1 U T T s 2 2 U T T s 1 2 3 4 5 6 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 6個非零空間電壓矢量將復(fù)平 面劃分為6個區(qū)間，加入任意 一個矢量在第1區(qū)間時，如圖 所示可

23、以由矢量1和2合成如 下： 2 2 1 1 * U T T U T T U ss 作用時間為電壓矢量 作用時間，為電壓矢量 開關(guān)周期，為其中 22 11 UT UT PWMTs 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 通常合成任意矢量除需要兩個非零矢量外還需要一個零矢 量，三個矢量作用時間之和等于整個開關(guān)周期。 零矢量的選擇主要考慮減小開關(guān)狀態(tài)的變化，一般零矢量 從選擇有幾種方法，下面以第一個區(qū)域為例來討論。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 為零矢量作用時間其中 0021 TTTTT s 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 方法一： 該方法將零矢量均勻的分布在起 點和

24、終點上。再由另外兩個矢 量按三角形法合成。各個矢量 的作用時間計算如下： 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 Re 1 U 2 U * U 1 1 U T T s 2 2 U T T s 1 1 T 2 T 2/ 0 T2/ 0 T s T a S b S c S sin ) 3 sin( 3 2 sin 2 2 1 1 * U T T U T T U ss 210 2 1 sin )3/sin( TTTT mTT mTT s s s 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 方法二： 該方法仍將零矢量均勻的 分布在起點和終點上。 但是第一個電壓空間矢 量是分兩次作用。各個 時間

25、的計算方法可以參 考上面的公式。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 Re Im 1 U 2 U * U 1 1 2 U T T s 2 2 U T T s 1 2/ 1 T 2 T 2/ 0 T2/ 0 T s T a S b S c S 2/ 1 T 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 方法三： 該方法仍將零矢量均勻的 分布在起點和終點上， 但是插入了另一個零矢 量如圖所示。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 Re Im 1 U 2 U * U 1 1 2 U T T s 1 2 2 U T T s 1 2/ 1 T 2/ 2 T2/ 0 T2/ 0 T

26、 s T a S b S c S 2/ 1 T 2/ 2 T 7 T 以上各種方法各有優(yōu)點，第三種輸出電壓的開關(guān)次諧波含量 最小，但是開關(guān)損耗高；而第二種輸出電壓的開關(guān)次諧波含 量和開關(guān)算好均較小。 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 三相電壓型逆變電路矢量控制方法 對三相電壓型逆變電路的輸出電流控制而言，采用空間電壓 矢量的控制方法主要有兩種： 第一種：通過三相輸出指令電流和交流系統(tǒng)或負(fù)載模型，計 算得到空間電壓矢量的指令值，然后通過三相空間電壓矢 量的合成逼近這個指令電壓矢量。這種方法主要用于響應(yīng) 速度要求不高的場合。 第二種：將電流滯環(huán)控制與SVPWM結(jié)合，通過三相電壓型 逆變電路

27、的空間電壓矢量的實時切換，獲得高品質(zhì)的輸出 電流。這種方法稱為基于不定頻率滯環(huán)SVPWM電流控制， 主要用于快速電流響應(yīng)要求下。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 方法一： 忽略線路中的電阻，只考慮電感。這種簡化在實際工程分析 中是允許的。那么逆變器輸出指令電壓空間矢量可以表示 如下。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 LR DC u 1 V 3 V 5 V 4 V 6 V 2 V a u b u c u a e b e c e o a i b i c i dt Id LEU * * 其中指令電流為： * I 3.2 內(nèi)

28、環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 根據(jù)這個指令電壓矢量，可以按照前面的組合方法來得到輸 出電壓。但是實際當(dāng)中我們只有電壓或電流的瞬時值，下 面我們看如何來得到這個矢量。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 dt di Leu dt di Leu dt di Leu c cc b bb a aa * * * * * * 由指令電流的瞬時值和系統(tǒng)或負(fù)載電勢 可以計算得到指令電壓的瞬時值。 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 如右圖所示，把實軸和虛軸看成兩個與三相坐標(biāo)軸相 對靜止的 軸，那么指令電壓空間矢量在上面的投 影為： 如果能計算得到這個兩個量就可以確定指令電壓矢量 的大小和

29、位置。實際上這兩個量就是指令電壓矢量 在復(fù)平面的坐標(biāo)。再由下式： 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 a b c * U t * U * U tUu tUu sin cos * * UUtUu UUtUu UtUu o c o b a 2 2 2 1 )120(sin 2 2 2 1 )120(sin cos * * * 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 把上式寫成矩陣形式有： 由該矩陣運(yùn)算可得： 這樣我們就由已知的指令電壓的瞬時值，通過矩陣變換就 獲得了指令電壓空間矢量的兩個分量。由這兩個量就可 以合成指令電壓空間矢量。然后根據(jù)前述組合方法可以 來實現(xiàn)空間矢量控制。 U

30、 U u u u c b a 2 3 2 3 2 1 2 1 01 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 c b a u u u U U 2 3 2 1 2 3 2 1 0 1 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 方法二： 第二種方法稱為基于不定頻率滯環(huán)SVPWM電流控制的 基本原理。同樣以三相電壓型逆變器為例來討論。 同樣忽略線路中的電阻，只考慮電感。那么逆變器輸 出電壓空間矢量可以表示如下。 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 dt Id LEU 若指令電流為： * I 則實際的誤差電流矢量為：III * 帶入上式可得： U dt Id LE di Id L

31、 * 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 可見電流誤差變化受到指令電流、系統(tǒng)或負(fù)載電壓和輸 出電壓的影響，因此要使誤差電流為零，指令電壓矢 量為： 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 dt Id LEU * * 帶入前一個式子可得誤差電流矢量變化率： UU di Id L * 基于不定頻率滯環(huán)SVPWM電流控制的基本原理就是選擇 合適的空間電壓矢量，逼近指令電壓矢量，從而使輸出 電流與指令電流的誤差為零。其控制原理框圖如下所示。 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 從圖中可以看出其基本方法是根據(jù)誤差電流矢量狀態(tài)和 指令電壓矢量所屬區(qū)域選擇合適電壓矢量 4 空間矢量空間

32、矢量PWM(SVPWM)控制控制 * a i a i * b i b i * c i c i a B b B c B 區(qū) 域 檢 測 單 元 ab X bc X ca X )7 , 0( kUk * U 矢量選擇 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 n指令電壓矢量和誤差電流矢量區(qū)域的劃分 我們可以將參考電壓矢量所在空間用電壓型逆變器的6個非 零矢量劃分為6個區(qū)域。同樣，也可以將誤差電流矢量所在空間 劃分為6個區(qū)域，但是考慮倒誤差電流瞬時值正負(fù)判斷的方便， 可以將兩個區(qū)域劃分的不同，如下圖所示。將（a,b,c）坐標(biāo)軸 順時針旋轉(zhuǎn)30度，得到

33、誤差電流矢量空間的坐標(biāo)（x,y,z）。同 樣，該空間亦分為6個區(qū)域。其中， 為滯環(huán)寬度。兩個坐標(biāo)系 有一個轉(zhuǎn)換關(guān)系如下面的公式所示。 W I 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 a b c 1 U 2 U 3 U 4 U 5U 6 U * U I II III IV V VI 6 23 4 5 1 X Y Z W I c b a Z Y X 101 110 011 2 3 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 n控制規(guī)則和輸出電壓矢量的選擇 為實現(xiàn)電流跟蹤控制，必須選擇一個合適的三相空

34、間 電壓矢量 ，使誤差電流變化率矢量 與誤差電流矢 量 的方向始終相反。 若選取的 使其對應(yīng)的誤差電流變化率矢量的模越 大，其電流跟蹤速度越快，其開關(guān)頻率也會增加；反之， 選取的 對應(yīng)的誤差電流變化率矢量小，其電流跟蹤速 度就慢，相應(yīng)的開關(guān)頻率就會減小。 因此，電壓矢量的 選擇規(guī)則有： k U dtId/ I k U k U 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 如左上所示虛線為誤差電流變化率矢量。 若 ，按照規(guī)則1，首先考慮 模較小的空 間電壓矢量 。顯然指令電壓矢量所在區(qū)域?qū)?yīng)的三角形 邊界矢量滿足要求，即： 可以選擇。 3.2 內(nèi)環(huán)脈

35、寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 UU di Id L * W II dtId/ k U 0 U 7 U 1 U 2 U 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 a b c 1 U 2 U 3 U 4 U 5U 6 U * U I II III IV V VI 6 23 4 5 1 I 考慮矢量 和 矢量 方向始終相反，因此只能選 擇矢量 。 dtId/ I 1 U 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) a b c 1 U 2 U 3 U 4 U 5U 6 U * U I II III IV V

36、 VI 6 23 4 5 1 I 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 考慮矢量 和 矢量 方向始終相反，因此只能選 擇矢量 。 dtId/ I 2 U 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 矢量選擇表 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 矢量區(qū)域定位 按照以上的分析，我們只要確定了 的區(qū)域，我們就 可以確定應(yīng)該選擇哪個電壓矢量 。 矢量區(qū)域的選擇 誤差電流矢量 區(qū)域的選擇可以通過三相誤差電流的瞬 時值的正負(fù)判斷，參照下圖，如下表所示。 I * U k U I I a b

37、c 1 U 2 U 3 U 4 U 5U 6 U * U I II III IV V VI 6 23 4 5 1 X Y Z W I 3.2 內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù)內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制技術(shù) 4 空間矢量空間矢量PWM(SVPWM)控制控制 3.3 外環(huán)控制技術(shù)外環(huán)控制技術(shù) 1 前言前言 外環(huán)控制的主要任務(wù)是保證裝置實現(xiàn)預(yù)定功能，并具 有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。此外，裝置在并聯(lián)擴(kuò)容時還有 附加的均流控制。 下面以UPS不間斷電源為例來介紹。 3.3 外環(huán)控制技術(shù)外環(huán)控制技術(shù) 2 UPS基本原理基本原理 UPS的概念的概念 UPS (uninterruptible power supply)即不間斷電源，即不間斷

38、電源， 主要用于給重要設(shè)備提供不間斷電能供應(yīng)；主要用于給重要設(shè)備提供不間斷電能供應(yīng)； 當(dāng)市電輸入正常時，當(dāng)市電輸入正常時，UPS將市電整流通過逆變器或直接將市電整流通過逆變器或直接 穩(wěn)壓后提供給負(fù)載供電，此時的穩(wěn)壓后提供給負(fù)載供電，此時的UPS是一臺交流穩(wěn)壓器，同是一臺交流穩(wěn)壓器，同 時向機(jī)內(nèi)蓄電池充電；當(dāng)市電發(fā)生中斷時，時向機(jī)內(nèi)蓄電池充電；當(dāng)市電發(fā)生中斷時，UPS立即將電池立即將電池 的電能通過逆變器向負(fù)載供電，使負(fù)載在一段時間內(nèi)維持正的電能通過逆變器向負(fù)載供電，使負(fù)載在一段時間內(nèi)維持正 常工作；常工作； 3.3 外環(huán)控制技術(shù)外環(huán)控制技術(shù) 2 UPS基本原理基本原理 UPS的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)

39、構(gòu) 3.3 外環(huán)控制技術(shù)外環(huán)控制技術(shù) 2 UPS基本原理基本原理 后備式后備式UPS 3.3 外環(huán)控制技術(shù)外環(huán)控制技術(shù) 2 UPS基本原理基本原理 雙變換在線式雙變換在線式UPS 3.3 外環(huán)控制技術(shù)外環(huán)控制技術(shù) 3 UPS主電路主電路 UPS采用的逆變器主要電路結(jié)構(gòu)有全橋式、半橋式及推挽式；采用的逆變器主要電路結(jié)構(gòu)有全橋式、半橋式及推挽式； 小容量小容量UPS多用推挽式結(jié)構(gòu)，中大容量多用全橋式；根據(jù)需多用推挽式結(jié)構(gòu)，中大容量多用全橋式；根據(jù)需 要，要，UPS也有隔離型和非隔離型。也有隔離型和非隔離型。 UPS輸出電壓控制也就是逆變器輸出電壓控制，無特殊之處。輸出電壓控制也就是逆變器輸出電壓控制，無特殊之處。 因此，作為因此，作為UPS控制而言，可以參考控制而言，可以參考恒壓恒頻恒壓恒頻逆變器輸出電逆變器輸出電 壓控制方法。壓控制方法。 3.3 外環(huán)控