電力電子變頻器及PWM控制原理

1、第二章第二章 電力電子變頻器及電力電子變頻器及PWM控制原理控制原理概概 述述 對(duì)于異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，又稱(chēng)VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置。基本原理簡(jiǎn)單，易于理解，發(fā)展歷程卻非易事基本原理簡(jiǎn)單，易于理解，發(fā)展歷程卻非易事旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組概概 述述 隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)隨之取得了日新月異的進(jìn)步。人們從不同的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)隨之取得了日新月異的進(jìn)步。人們從不

2、同的工業(yè)生產(chǎn)需要出發(fā)，從不同的角度研究變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從而需要出發(fā)，從不同的角度研究變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從而產(chǎn)生了多種不同結(jié)構(gòu)和性能的變頻調(diào)速裝置。產(chǎn)生了多種不同結(jié)構(gòu)和性能的變頻調(diào)速裝置。 電力電子電力電子變頻器變頻器交交-交變頻器交變頻器交交-直直-交變頻器交變頻器 電壓源型電壓源型電流源型電流源型本 章 提 要n 交交-交變頻器交變頻器n 交交-直直-交變頻器交變頻器n PWM控制基礎(chǔ)控制基礎(chǔ)n PWM控制技術(shù)控制技術(shù)n 三相三相PWM專(zhuān)用集成電路專(zhuān)用集成電路n 單片機(jī)和單片機(jī)和DSP用于用于PWM信號(hào)生成信號(hào)生成n 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的U/f控制變頻調(diào)速系統(tǒng)控制變頻調(diào)速系統(tǒng) n 轉(zhuǎn)速

3、閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)2.1 交交-交變頻器交變頻器 v 交交-交變頻器直接把恒壓恒頻（交變頻器直接把恒壓恒頻（Constant Voltage Constant Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CVCF）的交流電源變換成變壓變頻）的交流電源變換成變壓變頻（VVVF）的交流電源，又稱(chēng)為直接變頻裝置。）的交流電源，又稱(chēng)為直接變頻裝置。有時(shí)也有時(shí)也稱(chēng)作周波變換器稱(chēng)作周波變換器(Cycloconveter）。）。 交交變頻交交變頻AC50HzACCVCFVVVF2.1 交交-交變頻器交變頻器v常用的交常用的交- -交變壓變頻器輸出的每一相都是交變壓變頻器輸出的

4、每一相都是一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也就是說(shuō)，每一相都相當(dāng)于聯(lián)的可逆線路。也就是說(shuō)，每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路。一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路。交交-交交變頻器變頻器整流器組合式整流器組合式矩陣式矩陣式2.1.1 整流器組合式交整流器組合式交-交變頻器交變頻器v 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)VRVFId-Id+-+負(fù)負(fù)載載 50Hz 50Hzu0tu0正組通正組通反組通反組通正組通正組通反組通反組通1. 整半周控制方式整半周控制方式 正、反兩組按一定周期正、反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲相互切換，在負(fù)載上

5、就獲得交變的輸出電壓得交變的輸出電壓 u0 ， u0的幅值決定于各組可控的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角整流裝置的控制角 ，u0 的頻率決定于正、反兩組的頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻率。整流裝置的切換頻率。如如果控制角一直不變，則輸果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，如右出平均電壓是方波，如右下圖所示。下圖所示。2.1.1 整流器組合式交整流器組合式交-交變頻器交變頻器v 單相整流器組合式交單相整流器組合式交-交變頻器交變頻器圖圖2-1 2-1 單相交單相交- -交變頻器主電路交變頻器主電路負(fù)負(fù)載載正組正組反組反組uL三相？三相？去去觸觸發(fā)發(fā)器器電流電流測(cè)量測(cè)量電壓電壓測(cè)量測(cè)量

6、函數(shù)函數(shù)發(fā)生器發(fā)生器電流電流調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)移相移相控制控制電壓電壓調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)壓頻變換壓頻變換環(huán)形計(jì)數(shù)器環(huán)形計(jì)數(shù)器移相脈沖移相脈沖選組脈沖選組脈沖邏邏輯輯控控制制給定給定O OA AB BC C圖圖2-2 三相整流器組合式交三相整流器組合式交-交變頻器主電路交變頻器主電路IIIIIIIVVVIv 交交-交變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中交變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，但所用間直流環(huán)節(jié)，但所用元件數(shù)量更多，設(shè)備相當(dāng)龐大元件數(shù)量更多，設(shè)備相當(dāng)龐大。 v方波中存在的高次諧波使電動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩脈方波中存在的高次諧波使電動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻、損耗及噪聲增大。動(dòng)大、

7、轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻、損耗及噪聲增大。因此，方因此，方波型交波型交-交變頻器在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中應(yīng)用較少，常用交變頻器在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中應(yīng)用較少，常用于于無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)及超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中。及超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中。2. 調(diào)制控制方式調(diào)制控制方式 要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。例如例如：在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角：在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角 由由 /2（對(duì)應(yīng)于平均電壓（對(duì)應(yīng)于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到）逐漸減小到 0（對(duì)（對(duì)應(yīng)于應(yīng)于 u0 最大

8、），然后再逐漸增加到最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再變?cè)僮優(yōu)闉?），如下圖所示。），如下圖所示。v輸出電壓波形輸出電壓波形2A0w t = = 0 2 = BCDEFu0圖圖2-3 正弦波交正弦波交-交變壓變頻器的輸出電壓波形交變壓變頻器的輸出電壓波形1OO23456圖4-對(duì)于三相交對(duì)于三相交-交變頻器，交變頻器，B、C兩相的期望輸出電壓應(yīng)與兩相的期望輸出電壓應(yīng)與A相的相的正弦輸出電壓大小相同，相位上互差正弦輸出電壓大小相同，相位上互差120 ，各整流組的控制，各整流組的控制角必須按照本相輸出電壓的要求運(yùn)算獲得。角必須按照本相輸出電壓的要求運(yùn)算獲得。IdmIcosUu =tUuwsi

9、nAmA=設(shè)期望的設(shè)期望的A相輸出電壓為相輸出電壓為則該電壓應(yīng)由整流組則該電壓應(yīng)由整流組I與整流組與整流組IV切換提供，切換提供， I組供電電壓為組供電電壓為IVdmIVcosUu=IdmIcosUu =式中，式中，Udm 是整流組輸出的最高直流電壓。是整流組輸出的最高直流電壓。IAuu=IdmAmcossinwUtU=當(dāng)當(dāng)I組開(kāi)放時(shí)，組開(kāi)放時(shí)， 即即于是于是 )sin(arccosdmAmItUUw=IIV=3.交交-交變頻調(diào)速的基本特點(diǎn)交變頻調(diào)速的基本特點(diǎn)（1）功率開(kāi)關(guān)元件在電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)自然換相，對(duì)元件無(wú)特殊要求，可采用普通晶閘管；（2）易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行；（3）交-交變頻器最高輸

10、出頻率一般不超過(guò)電網(wǎng)頻率的1/31/2，否則輸出波形畸變太大，將影響變頻調(diào)速系統(tǒng)的正常工作；（4）由于電路構(gòu)成的特點(diǎn)，所用晶閘管元件數(shù)量較多，設(shè)備龐大。v鑒于以上各方面的特點(diǎn)，交鑒于以上各方面的特點(diǎn)，交-交變頻器特別適用于交變頻器特別適用于低速、大容量的調(diào)速系統(tǒng)，如軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、低速、大容量的調(diào)速系統(tǒng)，如軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等。這類(lèi)機(jī)械由交水泥回轉(zhuǎn)窯等。這類(lèi)機(jī)械由交-交變頻器供電的低交變頻器供電的低速電機(jī)直接拖動(dòng)，可以省去龐大笨重的齒輪減速速電機(jī)直接拖動(dòng)，可以省去龐大笨重的齒輪減速箱，極大地縮小裝置的體積，減少日常維護(hù)，提箱，極大地縮小裝置的體積，減少日常維護(hù)，提高系統(tǒng)性能。高系統(tǒng)性能

11、。 這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟，目前國(guó)內(nèi)置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟，目前國(guó)內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。有些企業(yè)已有可靠的產(chǎn)品。uauABSAaSAbSAcuCAa aBCuBC b bc cubucSBaSBbSBcnSCaS SCbS SCcA2.1.2 矩陣式交矩陣式交-交變頻器交變頻器v 1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)LK1CK2三相輸入三相輸入控制電源輸入電壓檢測(cè)變壓器TA1TA2TA3abcABC圖圖2-4 矩陣式交矩陣式交-交變頻器的主電路交變頻器的主電路2.1.2 矩陣式交矩陣式交-交變頻器交變

12、頻器2. 安全換流策略安全換流策略 為了保證為了保證MC的輸入電流和輸出電壓都是正弦波，對(duì)的輸入電流和輸出電壓都是正弦波，對(duì)9組組雙向開(kāi)關(guān)雙向開(kāi)關(guān)都實(shí)行都實(shí)行PWM控制。在矩陣式變頻器中功率器件控制。在矩陣式變頻器中功率器件的安全換流比傳統(tǒng)變頻器中要困難得多，連接同一相輸出的安全換流比傳統(tǒng)變頻器中要困難得多，連接同一相輸出的任意兩組雙向可控開(kāi)關(guān)之間進(jìn)行切換時(shí)必須滿(mǎn)足：的任意兩組雙向可控開(kāi)關(guān)之間進(jìn)行切換時(shí)必須滿(mǎn)足： （1）換流時(shí)確保連接同一輸出相的各輸入相雙向開(kāi)關(guān)）換流時(shí)確保連接同一輸出相的各輸入相雙向開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成輸入兩相短路；不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成輸入兩相短路； （2）換流時(shí)

13、不能插入死區(qū)，以防止感性負(fù)載與線路分）換流時(shí)不能插入死區(qū)，以防止感性負(fù)載與線路分布電感由于開(kāi)路而感應(yīng)瞬時(shí)高電壓，威脅功率器件安全，布電感由于開(kāi)路而感應(yīng)瞬時(shí)高電壓，威脅功率器件安全，因此三組開(kāi)關(guān)也不能同時(shí)斷開(kāi)。也就是說(shuō)，因此三組開(kāi)關(guān)也不能同時(shí)斷開(kāi)。也就是說(shuō)，既不允許兩組既不允許兩組開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，也不允許有切換死區(qū)，所以必須有嚴(yán)格的開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，也不允許有切換死區(qū)，所以必須有嚴(yán)格的邏輯控制。邏輯控制。2.1.2 矩陣式交矩陣式交-交變頻器交變頻器要保證輸入電壓不短路，要保證輸入電壓不短路，則則VT1p、VT2n不能同時(shí)導(dǎo)通，不能同時(shí)導(dǎo)通，VT2p、VT1n也不能同時(shí)導(dǎo)通也不能同時(shí)導(dǎo)通；要滿(mǎn)足輸出不

14、能突然開(kāi)路，；要滿(mǎn)足輸出不能突然開(kāi)路，則四個(gè)單向開(kāi)關(guān)中則四個(gè)單向開(kāi)關(guān)中至少有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)至少有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，滿(mǎn)足這些，滿(mǎn)足這些要求的開(kāi)關(guān)組合共有要求的開(kāi)關(guān)組合共有8種，列于表種，列于表2-1。 (a a)(a)開(kāi)關(guān)單元開(kāi)關(guān)單元 (b)接到同一相負(fù)載的兩組雙向開(kāi)關(guān)接到同一相負(fù)載的兩組雙向開(kāi)關(guān)圖圖2-5 矩陣式變頻器的雙向開(kāi)關(guān)矩陣式變頻器的雙向開(kāi)關(guān)is1is2iL(b b)u1 1VT1pVT1nVT2pVT2nu2 2RuLL2.1.2 矩陣式交矩陣式交-交變頻器交變頻器如果原始狀態(tài)是表如果原始狀態(tài)是表2-1中的中的第第1種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即VS1正正反向都能導(dǎo)通，那么直接反向都

15、能導(dǎo)通，那么直接切換到第切換到第2種開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不種開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不行的，因?yàn)檫@樣會(huì)造成電行的，因?yàn)檫@樣會(huì)造成電源短路。但當(dāng)源短路。但當(dāng)iL0時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)，經(jīng)過(guò)狀態(tài)狀態(tài)3、7、5，再切換到狀，再切換到狀態(tài)態(tài)2則始終是安全的；則始終是安全的； 同理，當(dāng)同理，當(dāng)iLutVT1導(dǎo)通VT4截止utVT4導(dǎo)通VT1截止utVT1導(dǎo)通VT4截止UarutVT1 導(dǎo)通VT4截止urautVT1關(guān)斷VT4導(dǎo)通 雙極性脈寬調(diào)制規(guī)律雙極性脈寬調(diào)制規(guī)律（3）單）單/雙極性工作方式的性能比較雙極性工作方式的性能比較圖2-20 三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形 OOOw1 tw1 tw1 turaurburcutw1

16、tOUd2-Ud2w1 tuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB雙極性雙極性PWM控制方式控制方式v 雙極性的工作方式?jīng)Q定了每個(gè)載波周期都要出現(xiàn)一次上、雙極性的工作方式?jīng)Q定了每個(gè)載波周期都要出現(xiàn)一次上、下開(kāi)關(guān)管的切換，而單極性逆變器在調(diào)制正弦波的半個(gè)周下開(kāi)關(guān)管的切換，而單極性逆變器在調(diào)制正弦波的半個(gè)周期才切換一次，況且載波頻率一般為期才切換一次，況且載波頻率一般為120kHz，比調(diào)制正，比調(diào)制正弦波高很多，因此弦波高很多，因此雙極性逆變器的切換次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于單極雙極性逆變器的切換次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于單極性逆變器性逆變器。v 雙極性逆變器的輸出電流更接近正弦波，畸變小。雙極性逆變器

17、的輸出電流更接近正弦波，畸變小。雙極性雙極性PWM控制方式控制方式v 脈寬調(diào)制的約束條件脈寬調(diào)制的約束條件 為保證開(kāi)關(guān)元件安全工作，所調(diào)制的脈沖波有為保證開(kāi)關(guān)元件安全工作，所調(diào)制的脈沖波有最小脈最小脈寬和最小間隙寬和最小間隙的限制，以保證脈沖寬度和間隙大于開(kāi)的限制，以保證脈沖寬度和間隙大于開(kāi)關(guān)元件的關(guān)元件的t tonon和和t toffoff。（3）單）單/雙極性工作方式的性能比較雙極性工作方式的性能比較電流諧波電流諧波 諧波電流引起電機(jī)電流有效值增加，電流波形畸變，諧波電流引起電機(jī)電流有效值增加，電流波形畸變，功率因數(shù)降低，銅耗和鐵耗上升等。功率因數(shù)降低，銅耗和鐵耗上升等。 諧波電流有效值為

18、諧波電流有效值為-=TdttitiTI021h)()(15. PWM控制的性能指標(biāo)控制的性能指標(biāo)總電流諧波畸變率總電流諧波畸變率THDTHD（Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion） 式中，式中，I I1 1為基波電流的有效值；為基波電流的有效值；n n為傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)的為傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)的諧波分量階次。諧波分量階次。=22111THDnnhIIII開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率提高，輸出交流信號(hào)諧波成分下降，但對(duì)周?chē)婋S著開(kāi)關(guān)頻率提高，輸出交流信號(hào)諧波成分下降，但對(duì)周?chē)娮釉O(shè)備的干擾增大。子設(shè)備的干擾增大。同時(shí)，各

19、種電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率受到其固有的開(kāi)關(guān)時(shí)間和同時(shí)，各種電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率受到其固有的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗的限制，因此開(kāi)關(guān)頻率必須低于其規(guī)定的最高開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)損耗的限制，因此開(kāi)關(guān)頻率必須低于其規(guī)定的最高開(kāi)關(guān)頻率。5. PWM控制的性能指標(biāo)控制的性能指標(biāo)電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率：電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率： SCR：300500Hz GTO：12kHz GTR： 15kHz MOSFET：可達(dá)：可達(dá)50kHz IGBT：20kH2.4 PWM控制技術(shù)控制技術(shù) 1.自然采樣法自然采樣法 圖圖2-21 自然采樣法生成自然采樣法生成SPWM波形波形t0t1t2t3t4t5ut0 0ucur在正弦波與三角

20、波在正弦波與三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而生成通斷，從而生成SPWMSPWM波形的方法波形的方法. . 一般采用的方法是，先將正弦參考波一般采用的方法是，先將正弦參考波ur和三角波和三角波uc以表格的以表格的形式存在存儲(chǔ)器內(nèi)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用查表的方法或僅通過(guò)簡(jiǎn)形式存在存儲(chǔ)器內(nèi)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用查表的方法或僅通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得到脈寬的大小。單的計(jì)算得到脈寬的大小。 采用這種方法，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)頻率變化范圍較大時(shí)，將占用較采用這種方法，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)頻率變化范圍較大時(shí)，將占用較大的內(nèi)存空間，所以?xún)H適用于有限調(diào)速范圍的場(chǎng)合。大的內(nèi)存空間，所以?xún)H適用于有限調(diào)速范圍

21、的場(chǎng)合。 2.4 PWM控制技術(shù)控制技術(shù)2. 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 圖圖2-22 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法SPWM調(diào)制模式調(diào)制模式A ABt2t3t1MBAcuAtMTtv在工程上更實(shí)用的簡(jiǎn)在工程上更實(shí)用的簡(jiǎn)化方法，彌補(bǔ)自然采樣化方法，彌補(bǔ)自然采樣法的不足，且力求采樣法的不足，且力求采樣效果，接近于自然采樣效果，接近于自然采樣法，又不必占用太多的法，又不必占用太多的計(jì)算時(shí)間。計(jì)算時(shí)間。2.規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法v 規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周

22、期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合。峰點(diǎn)）重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。波中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。v 根據(jù)脈沖電壓對(duì)三角載波的對(duì)稱(chēng)性，脈沖寬度根據(jù)脈沖電壓對(duì)三角載波的對(duì)稱(chēng)性，脈沖寬度t t2 2和間隙時(shí)和間隙時(shí)間間t t1 1及及t t3 3可由下面公式計(jì)算（設(shè)三角波峰值為標(biāo)幺值可由下面公式計(jì)算（設(shè)三角波峰值為標(biāo)幺值1 1）：）： Mtt2sin22tMTTtw=)(212t31TTtt-=式中式中Tt為三角載波的周期。為三角載波的周期。 2.規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 根據(jù)上述采樣原理和計(jì)算公式，可

23、以用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制根據(jù)上述采樣原理和計(jì)算公式，可以用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制產(chǎn)生產(chǎn)生SPWMSPWM波形，具體實(shí)現(xiàn)方法有：波形，具體實(shí)現(xiàn)方法有：v 查表法查表法可以先離線計(jì)算出相應(yīng)的脈寬等數(shù)據(jù)存放在內(nèi)可以先離線計(jì)算出相應(yīng)的脈寬等數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，然后在調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制過(guò)程中通過(guò)查表和加、減存中，然后在調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制過(guò)程中通過(guò)查表和加、減運(yùn)算求出各相脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。運(yùn)算求出各相脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。v 實(shí)時(shí)計(jì)算法實(shí)時(shí)計(jì)算法事先在內(nèi)存中存放正弦函數(shù)，控制時(shí)先查事先在內(nèi)存中存放正弦函數(shù)，控制時(shí)先查出正弦值，與調(diào)速系統(tǒng)所需的調(diào)制度出正弦值，與調(diào)速系統(tǒng)所需的調(diào)制度M作乘法運(yùn)算，再根作乘法運(yùn)算，再根據(jù)給定的載波

24、頻率查出相應(yīng)的據(jù)給定的載波頻率查出相應(yīng)的Tt /2值，由計(jì)算公式計(jì)算脈值，由計(jì)算公式計(jì)算脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間。寬時(shí)間和間隙時(shí)間。3. 電流滯環(huán)跟蹤型電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制控制 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 應(yīng)用應(yīng)用PWMPWM控制技術(shù)的變壓變頻器一般都是電壓源型的，它可控制技術(shù)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以按需要方便地控制其輸出電壓. . 但是，在異步電機(jī)中，實(shí)際需要保證的應(yīng)該是正弦波電流，但是，在異步電機(jī)中，實(shí)際需要保證的應(yīng)該是正弦波電流，因?yàn)槿嗥胶獾恼译娏鞑拍苁购铣傻碾姶呸D(zhuǎn)矩為恒定值，不因?yàn)槿嗥胶獾恼译娏鞑拍苁购铣傻碾姶呸D(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動(dòng)分量。含脈動(dòng)

25、分量。v 另一方面，電壓型變頻器直流電源是恒壓源，允許電流突另一方面，電壓型變頻器直流電源是恒壓源，允許電流突變，若負(fù)載為低阻抗或發(fā)生短路，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。變，若負(fù)載為低阻抗或發(fā)生短路，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。措施：對(duì)電流實(shí)施實(shí)時(shí)控制。措施：對(duì)電流實(shí)施實(shí)時(shí)控制。3. 電流滯環(huán)跟蹤型電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制控制圖圖2-23 電流滯環(huán)跟蹤電流滯環(huán)跟蹤PWM控制逆變器的單相結(jié)構(gòu)控制逆變器的單相結(jié)構(gòu) 圖中，電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為圖中，電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2 。將。將給定電流給定電流 ir 與輸出電流與輸出電流 if 進(jìn)行比較，電流偏差進(jìn)行比較，電流偏差 超過(guò)超過(guò) 時(shí)，經(jīng)滯

26、環(huán)控制時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器器HBC控制逆變器相應(yīng)相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作?？刂颇孀兤飨鄳?yīng)相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。3. 電流滯環(huán)跟蹤型電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制控制輸出電流與給定值輸出電流與給定值之間的偏差保持在之間的偏差保持在范圍內(nèi)，在正弦范圍內(nèi)，在正弦波上下作鋸齒狀變波上下作鋸齒狀變化?；?. 電流滯環(huán)跟蹤型電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制控制 電流跟蹤控制的電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約；的制約； 當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開(kāi)關(guān)頻率，但電流波形失真當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開(kāi)關(guān)頻率，但電流波

27、形失真較多，諧波分量高；較多，諧波分量高； 如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開(kāi)關(guān)頻率增大如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開(kāi)關(guān)頻率增大了；了； 應(yīng)在充分利用器件開(kāi)關(guān)頻率的前提下，選擇盡可能小的應(yīng)在充分利用器件開(kāi)關(guān)頻率的前提下，選擇盡可能小的環(huán)寬。環(huán)寬。3. 電流滯環(huán)跟蹤型電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制控制電流滯環(huán)跟蹤控制方法的特點(diǎn)：電流滯環(huán)跟蹤控制方法的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)快，輸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)快，輸出電壓波形中不含特定頻率出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量的諧波分量 。 調(diào)速時(shí)，只需改變電流給定調(diào)速時(shí)，只需改變電流給定信號(hào)的頻率，無(wú)需進(jìn)行電壓信號(hào)的頻率，無(wú)需進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。 功率

28、器件的功率器件的開(kāi)關(guān)頻率變化大開(kāi)關(guān)頻率變化大，不利于功率器件的安全工作。不利于功率器件的安全工作。dir/dt 與與 fT 固定開(kāi)關(guān)頻率的電流跟蹤固定開(kāi)關(guān)頻率的電流跟蹤PWM控制技術(shù)控制技術(shù) 圖圖2-25 固定開(kāi)關(guān)頻率的電流跟蹤固定開(kāi)關(guān)頻率的電流跟蹤PWM控制原理圖控制原理圖 ifF/VuT-+- ir*TuAFR4. 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制）控制 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 經(jīng)典的經(jīng)典的SPWMSPWM控制主要著眼于使變頻器的輸出控制主要著眼于使變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波電壓盡量接近正弦波； 電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，

29、使之在正弦波附近變化在正弦波附近變化，這，這就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步；就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步； 然而交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的然而交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形是在電動(dòng)機(jī)空間形成成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。 如果把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)如果把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱(chēng)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱(chēng)作作“磁鏈跟蹤控制磁鏈跟蹤控制”。 下面的討論將表明，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空

30、下面的討論將表明，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(chēng)間矢量得到的，所以又稱(chēng)“電壓空間矢量電壓空間矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”。4. 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制）控制空間矢量的定義空間矢量的定義交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，如果是隨時(shí)間變化的，如果再考慮到它們所在繞組再考慮到它們所在繞組的空間位置，如圖所示，的空間位置，如圖所示，可以定義為空間矢量可以定義為空間矢量u uA0A0，u uB0 B0

31、 ，u uC0C0 。4. 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制）控制v 定子電壓空間矢量：定子電壓空間矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始終處于各相繞組的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，時(shí)間相位互相錯(cuò)的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，時(shí)間相位互相錯(cuò)開(kāi)的角度也是開(kāi)的角度也是120。v 合成空間矢量：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由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量 us 是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值是每相電壓值的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值是每相電壓值的3/2倍。倍。合成空間矢量合成空間矢量 us 用公式表

32、示，則有用公式表示，則有 （2-14） 3/4CO3/2BOAOjjseueuu=u 如果如果uAO、uBO、uCO是角頻率為是角頻率為w w1的三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓，那的三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓，那么電壓矢量么電壓矢量uS就是以角頻率就是以角頻率w w1按逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)的空間矢量。按逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)的空間矢量。而空間矢量而空間矢量uS在三相坐標(biāo)軸（在三相坐標(biāo)軸（A，B，C）上的投影就是對(duì)稱(chēng)的三）上的投影就是對(duì)稱(chēng)的三相正弦量。相正弦量。 4. 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制）控制v 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為用合成空間矢

33、量表示的定子電壓方程式為tRddssssIu= us 定子三相電壓合成空間矢量；定子三相電壓合成空間矢量； Is 定子三相電流合成定子三相電流合成空間矢量；空間矢量；s 定子三相磁鏈合成空間矢量。定子三相磁鏈合成空間矢量。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降在式（當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降在式（2-152-15）中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電壓與合成磁中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為鏈空間矢量的近似關(guān)系為 t ddssu t dssu或 4. 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制）控制v磁鏈軌跡磁鏈軌跡 當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三

34、相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形（一般簡(jiǎn)稱(chēng)為跡呈圓形（一般簡(jiǎn)稱(chēng)為磁鏈圓磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量）。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示。可用下式表示。t1jmsew=（2-18） 其中其中 m是磁鏈?zhǔn)谴沛渟的幅值，的幅值，w w1為其旋轉(zhuǎn)角速度。為其旋轉(zhuǎn)角速度。 由式（由式（2-16）和式（）和式（2-18）可得）可得)2( jm1jm1jms111eej)e(dd=ttttwwwwwu（2-19） 上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)

35、，上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，us的大小與的大小與w w1（或供電電壓頻（或供電電壓頻率）成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空唬创沛湀A的切線方向率）成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空唬创沛湀A的切線方向磁鏈軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系磁鏈軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系 如圖所示，當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭谌鐖D所示，當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也空間旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)動(dòng)2 弧度，其軌跡與磁鏈圓重弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。合。 這樣，這樣，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題的軌跡問(wèn)題就可轉(zhuǎn)化為就可轉(zhuǎn)化為電電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)

36、軌跡問(wèn)題題。 v以以u(píng)0，u1，u2 u7分分別表示別表示8個(gè)工作狀態(tài)對(duì)個(gè)工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量，應(yīng)的電壓空間矢量，在復(fù)平面上可以得到在復(fù)平面上可以得到如圖如圖2-28所示的電壓所示的電壓空間矢量圖。其中，空間矢量圖。其中，u0和和u7對(duì)應(yīng)著電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)著電動(dòng)機(jī)三相繞組電壓為零，三相繞組電壓為零，故稱(chēng)為零矢量故稱(chēng)為零矢量。 (010)C(001)( (011)（101）(100)(110)1u2u3u4u5u6uReAImB圖圖2-28a 電壓空間矢量電壓空間矢量三相逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表三相逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表 電壓空間矢量的扇區(qū)劃分電壓空間矢量的扇區(qū)劃分 為了討論方便起見(jiàn)，可把逆變器的一個(gè)工作

37、周期用為了討論方便起見(jiàn)，可把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)個(gè)電壓空間矢量劃分成電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域，稱(chēng)為扇區(qū)（個(gè)區(qū)域，稱(chēng)為扇區(qū)（Sector），如圖），如圖所示的所示的、，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為 /3 。圖圖2-28b 電壓空間矢量圖電壓空間矢量圖(010)C(001)( (011)（101）(100)(110)1u2u3u4u5u6uReAImB對(duì)于六脈波的逆變器，在其輸出的每個(gè)周期中對(duì)于六脈波的逆變器，在其輸出的每個(gè)周期中6 種有效的工作種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔 /3 時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)（時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相）

38、，而在這即換相），而在這 /3 時(shí)刻內(nèi)則保持不變。時(shí)刻內(nèi)則保持不變。 隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn)位每次旋轉(zhuǎn) /3 ，直到一個(gè)周期結(jié)束。，直到一個(gè)周期結(jié)束。 這樣，在一個(gè)周期中這樣，在一個(gè)周期中 6 6 個(gè)電壓空間矢量共個(gè)電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)過(guò) 2 2 弧度，形成弧度，形成一個(gè)封閉的正六邊形一個(gè)封閉的正六邊形，如圖所示。，如圖所示。 圖圖2-29 六脈波逆變器供電時(shí)電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶苛}波逆變器供電時(shí)電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶?12= 在在 /3 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t 內(nèi)，內(nèi)，施加施加 u1的結(jié)果

39、是使定子磁鏈的結(jié)果是使定子磁鏈 1 產(chǎn)生一個(gè)增量產(chǎn)生一個(gè)增量 ，其幅值與其幅值與|u1|成正比，方向與成正比，方向與u1一致，最一致，最后得到新的磁鏈，而后得到新的磁鏈，而 11 u=t 可見(jiàn)，可見(jiàn)，在任何時(shí)刻，所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向決定在任何時(shí)刻，所產(chǎn)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(shí)間于所施加的電壓，其幅值則正比于施加電壓的時(shí)間。（2-20） 如果如果 u1 的作用時(shí)間的作用時(shí)間 t 小小于于 /3 ，則，則 i 的幅值也的幅值也按比例地減小。按比例地減小。依此類(lèi)推，可以寫(xiě)成依此類(lèi)推，可以寫(xiě)成 的通式的通式iiu=tii1i=6 , 2 , 1=i 總之，總之

40、，在一個(gè)周期內(nèi)，磁在一個(gè)周期內(nèi)，磁鏈空間矢量的尾部在鏈空間矢量的尾部在O點(diǎn)點(diǎn)，其，其頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡也就是頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡也就是6個(gè)電個(gè)電壓空間矢量所圍成的正六邊形。壓空間矢量所圍成的正六邊形?？梢缘玫降慕Y(jié)論是：可以得到的結(jié)論是： 如果交流電動(dòng)機(jī)僅由常規(guī)的六脈波逆變器供電，磁如果交流電動(dòng)機(jī)僅由常規(guī)的六脈波逆變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這顯然不象在正弦鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這顯然不象在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣能使電動(dòng)機(jī)獲波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣能使電動(dòng)機(jī)獲得勻速運(yùn)行。得勻速運(yùn)行。 如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

41、，就必須在每一個(gè)期間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài)，以形成更多須在每一個(gè)期間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。的相位不同的電壓空間矢量。逆變器的電壓空間矢量雖然只有逆變器的電壓空間矢量雖然只有8個(gè)，但可以利用現(xiàn)代電力電子個(gè)，但可以利用現(xiàn)代電力電子器件開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)勢(shì)，將已有的器件開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)勢(shì)，將已有的8個(gè)電壓空間矢量進(jìn)行個(gè)電壓空間矢量進(jìn)行線性組線性組合合，獲得更多的與，獲得更多的與u1 u6相位不同的等幅不同相的電壓空間矢量相位不同的等幅不同相的電壓空間矢量，從而用盡可能多的，從而用盡可能多的多邊形磁鏈軌跡逼近理想的圓形磁場(chǎng)。多邊形磁鏈軌跡逼近理想的圓形磁場(chǎng)。要有效地控制磁鏈軌跡

42、，必須解決三個(gè)問(wèn)題要有效地控制磁鏈軌跡，必須解決三個(gè)問(wèn)題：（1）如何選擇電壓矢量；）如何選擇電壓矢量；（2）如何確定各電壓矢量的作用時(shí)間；）如何確定各電壓矢量的作用時(shí)間；（3）如何確定各電壓矢量的作用次序。）如何確定各電壓矢量的作用次序。v 在常規(guī)六拍逆變器中一個(gè)扇區(qū)僅包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。在常規(guī)六拍逆變器中一個(gè)扇區(qū)僅包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。v 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)間間 T0 的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個(gè)線性組合的新電的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個(gè)線性組合的新電壓空間矢量壓空間矢量 us，以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊

43、形（逼近圓形），以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形（逼近圓形）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 電壓空間矢量的線性組合與電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制控制 PWM控制顯然可以適應(yīng)上述要求，問(wèn)題是，怎樣控制PWM的開(kāi)關(guān)時(shí)間才能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 科技工作者已經(jīng)提出過(guò)多種實(shí)現(xiàn)方法，例如線性組合法，三段逼近法，比較判斷法等，這里只介紹線性組合法。 基本思路基本思路圖圖 逼近圓形時(shí)的磁鏈增量軌跡逼近圓形時(shí)的磁鏈增量軌跡如果要逼近圓形，可以增加切換次數(shù)，設(shè)想磁鏈增量由圖中的11 ， 12 ， 13 ， 14 這4段組成。這時(shí)，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

44、法線性組合的方法 圖2-30表示由電壓空間矢量和的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量。 設(shè)在一段換相周期時(shí)間T0 中，可以用兩個(gè)矢量之和表示由兩個(gè)矢量線性組合后的電壓矢量ur1 ，新矢量的相位為 。ur1u2u1202uTt0101uTt圖2-32 電壓空間矢量的線性組合圖圖2-30表示了由表示了由u1、u2構(gòu)成新的電壓構(gòu)成新的電壓空間矢量的線性組合，空間矢量的線性組合，設(shè)在原設(shè)在原u1狀態(tài)結(jié)束后，期望在時(shí)間狀態(tài)結(jié)束后，期望在時(shí)間T0內(nèi)電壓空間矢量?jī)?nèi)電壓空間矢量ur1起作用，并有起作用，并有ur1 = u1 。采用部分采用部分u1矢量和部分矢量和部分u2矢量求和得矢量求和得到矢量到矢量ur1，t1u1/

45、T0和和t2u2/T0分別表示部分分別表示部分u1和部分和部分u2矢量，它們合成矢量為矢量，它們合成矢量為ur1。ur1與與u1和和u2相位均不同，而幅值相同相位均不同，而幅值相同ur1u2u1202uTt0101uTt圖2-32 電壓空間矢量的線性組合v 根據(jù)磁鏈幅值應(yīng)為恒值的要求，可利用式（根據(jù)磁鏈幅值應(yīng)為恒值的要求，可利用式（2-17）寫(xiě)出下）寫(xiě)出下列方程式：列方程式：v 上式中，上式中，u1 1作用時(shí)間為作用時(shí)間為t1 1，u2 2作用時(shí)間為作用時(shí)間為t2 2，按獲得圓形，按獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的要求，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的要求，ur1r1作用時(shí)間應(yīng)為作用時(shí)間應(yīng)為T(mén)0 0，但，但T0 0不一定正好不一

46、定正好等于等于t1 1+t2 2，其時(shí)間的差額就由零矢量，其時(shí)間的差額就由零矢量u0 0（或（或u7 7）來(lái)補(bǔ)足。）來(lái)補(bǔ)足。（2-21）=0212111002010r1TttttttTdtdtdtdtuuuu=0212111002010r1TttttttTdtdtdtdtuuuuv 應(yīng)當(dāng)指出，零矢量作用期間磁鏈實(shí)際上處于靜止等待狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)指出，零矢量作用期間磁鏈實(shí)際上處于靜止等待狀態(tài)。在式（在式（2-21）中，）中，u0 0的幅值為零，故：的幅值為零，故： 22110r1ttTuuu=v 將上式變換到直角坐標(biāo)系來(lái)表示，得將上式變換到直角坐標(biāo)系來(lái)表示，得=330121000/sin/cosBtB

47、tsincosAT式中式中A= ur1 ，B=US，并令，并令 。求解上式可得：求解上式可得： MUAd) 2/3(=-=0020013sinMTtsinMTtur1u2u1202uTt0101uTt圖2-32 電壓空間矢量的線性組合 換相周期 T0 應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的頻率決定， T0 與 t1+ t2 未必相等，其間隙時(shí)間可用零矢量 u7 或 u0 來(lái)填補(bǔ)。為了減少功率器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)，一般使 u7 和 u0 各占一半時(shí)間，因此)(2121007ttTtt-= 開(kāi)關(guān)狀態(tài)順序原則開(kāi)關(guān)狀態(tài)順序原則v 在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量減少開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)引起的開(kāi)關(guān)損耗，因此不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的順序必須遵守下述原則：任

48、意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，表現(xiàn)在二進(jìn)制矢量表示中只有一位變化表現(xiàn)在二進(jìn)制矢量表示中只有一位變化，以滿(mǎn)足最小開(kāi)滿(mǎn)足最小開(kāi)關(guān)損耗。關(guān)損耗。 v 如果允許有兩個(gè)或三個(gè)橋臂同時(shí)動(dòng)作，則在線電壓的半如果允許有兩個(gè)或三個(gè)橋臂同時(shí)動(dòng)作，則在線電壓的半周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反極性的電壓脈沖，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反極性的電壓脈沖，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。 新的電壓矢量ur1的作用時(shí)間為T(mén)0，因而產(chǎn)生的磁鏈增量l1 = ur1T0，如圖2-31所示。 在下一個(gè)T0期間，仍選用u1和u2的線性組合，但兩者的作用時(shí)間與

49、前一區(qū)間不同，這樣就可以獲得與us相位不同的電壓矢量ur2，相應(yīng)的磁鏈增量為l2 。 由若干個(gè)不同相位的li（i=1，2，3，）組成的磁鏈?zhǔn)噶宽敹塑壽E呈一新的多邊形，比正六邊形更接近圓形。v 在圖2-28中，逆變器的一個(gè)工作周期中六個(gè)電壓空間矢量形成六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)區(qū)間為/3電角度。v 各工作區(qū)間對(duì)稱(chēng)，一個(gè)扇區(qū)的狀態(tài)可推廣到其它扇區(qū)。v 在常規(guī)六拍逆變器中一個(gè)扇區(qū)只有一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)起作用，而SVPWM控制是把每一扇區(qū)再分成若干個(gè)小區(qū)間。v 每個(gè)小區(qū)間有若干個(gè)線性組合的電壓空間矢量ur按一定規(guī)律作用，從而可以獲得逼近圓形的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。v 一個(gè)扇區(qū)內(nèi)所分的小區(qū)間越多，就越能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。圖圖2

50、-28b 電壓空間矢量圖電壓空間矢量圖(010)C(001)( (011)（101）(100)(110)1u2u3u4u5u6uReAImB8u7uov 每一個(gè) T0 相當(dāng)于 PWM電壓波形中的一個(gè)脈沖波。例如：v 圖2-28b所示扇區(qū)內(nèi)的區(qū)間包含t1， t2，t7 和 t8 共4段，相應(yīng)的電壓空間矢量為 u1，u2，u7 和 u0 ，即 100，110，111 和 000 共4種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 為了使電壓波形對(duì)稱(chēng)，把每種狀態(tài)的作用時(shí)間都一分為二，因而形成電壓空間矢量的作用序列為：12700721，其中1表示作用u1 ，2表示作用u2 ，。 這樣，在這一個(gè)時(shí)間內(nèi)，逆變器三相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)序列為100，

51、110，111，000，000，111，110，100。 按照最小開(kāi)關(guān)損耗原則進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)上述1270的順序是不合適的。 為此，應(yīng)該把切換順序改為01277210，即開(kāi)關(guān)狀態(tài)序列為000，100，110，111，111，110，100，000，這樣就能滿(mǎn)足每次只切換一個(gè)開(kāi)關(guān)的要求了。 T0 區(qū)間的電壓波形區(qū)間的電壓波形 第扇區(qū)內(nèi)一段T0區(qū)間的開(kāi)關(guān)序列與逆變器三相電壓波形虛線間的每一小段表示一種工作狀態(tài) 由電機(jī)學(xué)原理，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，由電機(jī)學(xué)原理，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，即定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)速度。即定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)速度。由前面的分析可知，當(dāng)忽略定子繞組電阻

52、壓降（該值一般很由前面的分析可知，當(dāng)忽略定子繞組電阻壓降（該值一般很小）時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓逝c電壓矢量幅值成正比。因?。r(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓逝c電壓矢量幅值成正比。因此通過(guò)改變電壓矢量的大小可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度即此通過(guò)改變電壓矢量的大小可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度即控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂齐妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 v電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制11 u=可采用下述兩種不同的方式：可采用下述兩種不同的方式： （1）改變逆變器直流側(cè)電壓）改變逆變器直流側(cè)電壓 逆變器的直流電源電壓逆變器的直流電源電壓Ud改變后各電壓矢量皆成比例變化改變后各電壓矢量皆成比例變化 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：磁通（磁鏈）與轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速

53、）分別進(jìn)行控制，可按保磁通（磁鏈）與轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）分別進(jìn)行控制，可按保持磁鏈?zhǔn)噶糠挡蛔兗皽p小諧波影響選取電壓矢量，優(yōu)化持磁鏈?zhǔn)噶糠挡蛔兗皽p小諧波影響選取電壓矢量，優(yōu)化PWM逆逆變器的開(kāi)關(guān)模式；變器的開(kāi)關(guān)模式； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要采用可控整流電路或采用斬波器進(jìn)行直流調(diào)壓，需要采用可控整流電路或采用斬波器進(jìn)行直流調(diào)壓，增加了控制電路的復(fù)雜程度。增加了控制電路的復(fù)雜程度。 適合于在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下降壓調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制方式。適合于在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下降壓調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制方式。額定轉(zhuǎn)速以上的恒功率控制可采用弱磁方式，即保持額定轉(zhuǎn)速以上的恒功率控制可采用弱磁方式，即保持PWM逆變器逆變器直流側(cè)電壓不變，

54、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將隨給定磁鏈的減小而升高。直流側(cè)電壓不變，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將隨給定磁鏈的減小而升高。（2）通過(guò)插入零電壓矢量控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。）通過(guò)插入零電壓矢量控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 8個(gè)電壓矢量中有個(gè)電壓矢量中有2個(gè)是零矢量（個(gè)是零矢量（u0，u7），由上述分析，），由上述分析，磁鏈?zhǔn)噶看沛準(zhǔn)噶?i的旋轉(zhuǎn)速度近似與所選的電壓矢量幅值成正比。的旋轉(zhuǎn)速度近似與所選的電壓矢量幅值成正比。 因此，如果某時(shí)刻選取的是零電壓矢量，則該時(shí)刻的磁鏈因此，如果某時(shí)刻選取的是零電壓矢量，則該時(shí)刻的磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)速度近似為零，這樣就可以通過(guò)適當(dāng)選用零電壓矢矢量的旋轉(zhuǎn)速度近似為零，這樣就可以通過(guò)適當(dāng)選用零電壓矢量來(lái)降低磁鏈?zhǔn)噶苛?/p>

55、來(lái)降低磁鏈?zhǔn)噶?i i的旋轉(zhuǎn)速度。的旋轉(zhuǎn)速度。小小 結(jié)結(jié)（1）電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逼近圓形的程度取決于小區(qū)間時(shí)間）電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逼近圓形的程度取決于小區(qū)間時(shí)間T0的長(zhǎng)的長(zhǎng)短，短，T0越小，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越逼近圓形，但越小，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越逼近圓形，但T0的最小值受功率開(kāi)關(guān)的最小值受功率開(kāi)關(guān)器件允許的開(kāi)關(guān)頻率的限制。器件允許的開(kāi)關(guān)頻率的限制。（2）利用電壓空間矢量直接生成）利用電壓空間矢量直接生成PWM脈沖，計(jì)算簡(jiǎn)便。脈沖，計(jì)算簡(jiǎn)便。（3）采用電壓空間矢量）采用電壓空間矢量PWM控制時(shí)，逆變器輸出線電壓基波控制時(shí)，逆變器輸出線電壓基波最大幅值為直流側(cè)電壓，這比一般的最大幅值為直流側(cè)電壓，這比一般的SPWM逆變器輸

56、出電壓高逆變器輸出電壓高15%。 （4） SVPWM控制直接著眼于如何控制直接著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得圓形磁場(chǎng)使電動(dòng)機(jī)獲得圓形磁場(chǎng)，從而獲得均勻的電磁轉(zhuǎn)矩，有效地抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。從而獲得均勻的電磁轉(zhuǎn)矩，有效地抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。v 思考題：思考題：v 電流跟蹤控制的滯環(huán)環(huán)寬應(yīng)如何選擇？電流跟蹤控制的滯環(huán)環(huán)寬應(yīng)如何選擇？v 如何運(yùn)用已有的如何運(yùn)用已有的8個(gè)電壓空間矢量進(jìn)行線性組合，獲得個(gè)電壓空間矢量進(jìn)行線性組合，獲得與與u1 u6相位不同的電壓空間矢量？相位不同的電壓空間矢量？v 請(qǐng)畫(huà)出請(qǐng)畫(huà)出SVPWM控制方式下，第控制方式下，第扇區(qū)內(nèi)一段扇區(qū)內(nèi)一段T0區(qū)間的區(qū)間的開(kāi)關(guān)序列與逆變器三相電壓

57、波形（依據(jù)最小開(kāi)關(guān)損耗的開(kāi)關(guān)序列與逆變器三相電壓波形（依據(jù)最小開(kāi)關(guān)損耗的原則）。原則）。五、優(yōu)化五、優(yōu)化PWM技術(shù)技術(shù) 優(yōu)化優(yōu)化PWM即根據(jù)某一額定目標(biāo)將所有工作頻率即根據(jù)某一額定目標(biāo)將所有工作頻率范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)角度預(yù)先計(jì)算出來(lái)，然后通過(guò)查表或范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)角度預(yù)先計(jì)算出來(lái)，然后通過(guò)查表或其他方式輸出，形成其他方式輸出，形成PWM波形波形 。 低次諧波消去法低次諧波消去法 效率最優(yōu)法效率最優(yōu)法 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小PWM 特定諧波消去法的輸出波形特定諧波消去法的輸出波形圖6-9OwtuoUd-Ud2a1a2a3圖2-32 特定諧波消去法的輸出PWM波形采用直接計(jì)算的下圖中各脈沖起始與終了相位采

58、用直接計(jì)算的下圖中各脈沖起始與終了相位 1， 2， m的方法，以消除指定次數(shù)的諧波，構(gòu)成近似正弦的的方法，以消除指定次數(shù)的諧波，構(gòu)成近似正弦的PWM波形波形（Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。）。消除指定次數(shù)諧波的PWM 控制技術(shù) 對(duì)圖對(duì)圖2-32的的PWM波形作傅氏分析可知，其波形作傅氏分析可知，其k次諧波相電壓幅值次諧波相電壓幅值的表達(dá)式為的表達(dá)式為 （2-27） 式中式中 Ud變壓變頻器直流側(cè)電壓；變壓變頻器直流側(cè)電壓； 1以相位角表示以相位角表示PWM波形第波形第i個(gè)起始或終了時(shí)刻。個(gè)起始或終了時(shí)刻。 從理論上講，要消除第從理論上講，要

59、消除第k次諧波分量，只須令式（次諧波分量，只須令式（2-27）中）中的的Ukm=0，并滿(mǎn)足基波幅值為所要求的電壓值，從而解出相應(yīng)，并滿(mǎn)足基波幅值為所要求的電壓值，從而解出相應(yīng)的值即可。的值即可。-=mkkUU1iiidkmcos) 1(需要值=-=54321dm1cos2cos2cos2cos2cos212UU05cos25cos25cos25cos25cos215254321dm5=-=UU07cos27cos27cos27cos27cos217254321dm7=-=UU01234567-1.5-1-0.500.511.501234567-1.5-1- 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是利用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是利用較低的開(kāi)關(guān)頻率較低的開(kāi)關(guān)頻率，可有可有效地抑制某些低次諧波效地抑制某些低次諧波，用有限的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)系，用有限的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能，因此在統(tǒng)的高性能，因此在大功率或電流型逆變器大功率或電流型逆變器中應(yīng)用中應(yīng)用較多。但指定次數(shù)以外的諧波卻不一定減少，不過(guò)較多。但指定次數(shù)以外的諧波卻不一定減少，不過(guò)它們已屬高次諧波，可以較容易地用濾波器加以消它們已屬高次諧波，可以較容易地用濾波器加以消除。此外，其主要缺點(diǎn)是除。此外，其主要缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)控制困難實(shí)時(shí)控制困難，并且高次，并且高次諧波的幅值大大增加了，這會(huì)引起損耗增加。諧波的幅值大大增加了，這會(huì)引起損耗增加。六、隨機(jī)PWM技術(shù) 普通普