變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制-第 13 課

4.2.3電流跟蹤PWM(CFPWM)控制技術(shù)

SPWM控制技術(shù)：

以輸出電壓近似正弦波為目標(biāo)，

電流波形則因負(fù)載的性質(zhì)及大小而異。

交流電動(dòng)機(jī)對電流要求：

穩(wěn)態(tài)時(shí)在電動(dòng)機(jī)繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不產(chǎn)生脈動(dòng)，因此以正弦波電流為控制目標(biāo)更為合適。電流跟蹤PWM的控制方法是：

在原來主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能?！鱥A

常用的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤PWM控制（CurrentHysteresisBandPWM——CHBPWM）。

具有電流滯環(huán)跟蹤PWM控制的PWM變壓變頻器的

A

相控制原理圖示于下圖。1、電路結(jié)構(gòu)電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。圖4－14(a)電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)，A相電流與電壓波形

采用電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)，變壓變頻器的電流波形與PWM電壓波形如圖4-14。

（1）在t0時(shí)刻

iA<i*A，且

iA＝i*A

-

iA

≥

h

滯環(huán)控制器HBC輸出電平由負(fù)變正，上橋臂功率開關(guān)器

件VT1導(dǎo)通輸出電壓為正，使

iA增大，當(dāng)iA增大到與i*A相等

時(shí)，雖然

iA＝0

但HBC仍保持正電平輸出

VT1保持導(dǎo)通，使iA

繼續(xù)增大2、工作原理h（2）直到t=t1時(shí)刻

達(dá)到iA

=

i*A+h，即：

iA

=

i*A

–

iA

=–

h

使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC輸出負(fù)電平，關(guān)斷VT1

并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng)VT4，但此時(shí)VT4不能導(dǎo)通。h原因是：

由于電機(jī)繞組的電感作用，

電流iA

不能突然反向。因此，通過二極管VD4續(xù)流，

VT4受反向鉗位而不能導(dǎo)通。

輸出電壓由+0.5Ud變?yōu)?0.5Ud。

此后，iA

逐漸減小。（3）直到t

=

t2時(shí)

iA

=

iA*－h(huán)

到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值，

使HBC再翻轉(zhuǎn)，又重復(fù)使VT1導(dǎo)通。

這樣，VT1與VD4交替工作，

使輸出電流iA快速跟隨給定值iA*

兩者的偏差始終保持在

±

h

范圍內(nèi)

穩(wěn)態(tài)時(shí)iA*為正弦波，iA在iA*上下作鋸齒狀變化，輸出電流

iA

接近正弦波。

以上分析了給定正弦波電流iA*正半波的工作原理。

負(fù)半波的工作原理與正半波相同，只是VT4與VD1交替工作。3、

三相電流跟蹤型PWM逆變電路分析（1）電路原理圖+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5為分析簡便作如下假定：

(1)忽略開關(guān)死區(qū)時(shí)間，認(rèn)為同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)器件的“開”與“關(guān)”是瞬時(shí)完成；

(2)考慮到器件允許開關(guān)頻率較高，認(rèn)為在一個(gè)周期內(nèi)，三相感應(yīng)電動(dòng)勢基本不變。（2）電壓平衡方程式A相電壓方程式：（3）電流表達(dá)式解上式，可得A相電流表達(dá)式：同理可解得B、C相電流表達(dá)式?！鱥A（4）分析①

當(dāng)

t

=

t0

時(shí)初始電流：A相由下橋臂導(dǎo)通切換至上橋臂導(dǎo)通，

此時(shí)或

電流

iA上升

iA+-②當(dāng)

t

=

t1

時(shí)A相由上橋臂導(dǎo)通切換至下橋臂導(dǎo)通，

電流

iA下降或

此時(shí)

△iA-+

iA

③當(dāng)

t

=

t2

時(shí)A相又由下橋臂導(dǎo)通切換至上橋臂導(dǎo)通，

過程同①,完成一個(gè)開關(guān)周期?！鱥A

iA+-（5）變頻器的開關(guān)周期（T=TUP+TDOWN）

電流上升時(shí)間：tUP=t1-t0

電流下降時(shí)間：tDOWN=t2

–t1

對上述兩個(gè)時(shí)間，由前面兩個(gè)iA(t)

超越方程，難以精確求得。若忽略電阻R，近似認(rèn)為電流呈線性變化。對于A相電壓方程：則iA的上升段：（1）由電流波形可以寫出：hh（2）①求tUP因?yàn)椋悍底畲?/p>

所以：電流上升的最短時(shí)間為：由（1）式與（2）式相等整理得：②求tDOWN同理在t2-t1時(shí)間段，可求得與（1）式和（2）式相應(yīng)的表達(dá)式，整理得：因?yàn)椋航^對幅值最大

所以：電流下降的最短時(shí)間為：③求開關(guān)周期T和最小周期Tmin

將tUP、tDOWN

代入右式：T=tUP+tDOWN

可得最小開關(guān)周期Tmin為：④求相應(yīng)最大開關(guān)頻率fmax(4-48)(4-49)總結(jié)：電流滯環(huán)跟蹤控制

1．電子開關(guān)頻率

f

與環(huán)寬

2h

成反比；

2．f

不是常數(shù)，與感應(yīng)電動(dòng)勢和給定電流的變化有關(guān)；

3．穩(wěn)態(tài)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢和給定電流的變化率按正弦函數(shù)周期地變化，開關(guān)

f也隨之呈正弦函數(shù)周期地變化。

4．精度與2h有關(guān)，也受器件開關(guān)頻率制約。

（1）當(dāng)2h選得較大時(shí)，開關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；

（2）當(dāng)2h選得較小時(shí)，電流跟蹤性能好，但開關(guān)頻率卻增大了；

（3）原則：在開關(guān)頻率允許前提下，盡可能選擇較小的環(huán)寬。5．

優(yōu)點(diǎn)：精度高、響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)

缺點(diǎn)：開關(guān)器件的開關(guān)頻率不定

克服方法：采用恒定開關(guān)頻率電流控制器

6．增加速度外環(huán)。4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)

（或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)）本節(jié)提要問題的提出空間矢量的定義電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系PWM逆變器基本輸出電壓矢量正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場期望電壓空間矢量的合成與SVPWM控制SVPWM控制的定子磁鏈

問題的提出

（1）經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。（2）電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步。電動(dòng)機(jī)控制要求：

然而交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

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)磁場來控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱作“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間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。實(shí)現(xiàn)空間圓形旋轉(zhuǎn)磁場----磁鏈跟蹤控制：1.空間矢量的定義

交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)間相量來表示。圖4-16電壓空間矢量

ABC

（1）電動(dòng)機(jī)A、B、C三相定子繞組的軸線在空間靜止互差1200

（2）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，相位互相錯(cuò)開120°。uA0uB0uC0-uA0

而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，

②合成空間矢量：圖4-16電壓空間矢量

ABCuA0uB0uC0

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，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。uC0uB0us

ω1

當(dāng)電源頻率不變時(shí)，合成空間矢量us以電源角頻率1

為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí)，合成電壓矢量us就落在該相的軸線上。某一時(shí)刻三相定子電壓幅值狀態(tài)

合成電壓矢量us

公式表示為：

三相定子電壓空間矢量：（4-51）

與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和定子磁鏈的空間矢量is

和Ψs。（4-52）

2.

電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相對稱定子繞組由三相電壓供電時(shí)，對每一相都可寫出一個(gè)電壓平衡方程式。

要求三相電壓平衡方程式的矢量和，可用

合成空間矢量的定子電壓方程式表示：（4-55）

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；Ψs—定子三相磁鏈合成空間矢量。（1）近似關(guān)系

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降所占的成分很小，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：

（4-56）

（4-57）

或

（2）

磁鏈軌跡

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)軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。

這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示：（4-58）

其中：Ψs

----定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝的幅值（恒定）

φ----定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g初始角度

ω1----與電源頻率相一致的旋轉(zhuǎn)角速度將式（4-58）對t求導(dǎo)可得：上式表明：

當(dāng)磁鏈幅值

ψm一定時(shí),電壓空間矢量us的大小與角速度ω1成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，

ω1（4-59）

ψsus

us=ω1ψm（3）磁場軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系

如圖所示：（1）當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g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)動(dòng)2弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。

圖4-17旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡（3）因此，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問題。

（2）若將電壓空間矢量參考點(diǎn)放在一起，則電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡亦是個(gè)圓。

3.PWM逆變器基本輸出電壓矢量（1）主電路原理圖三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖

A橋臂（符號sA描述）：sA=1上橋臂VT1導(dǎo)通下橋臂VT4關(guān)斷sA=0上橋臂VT1關(guān)斷

下橋臂VT4導(dǎo)通

B橋臂（符號sB描述）：sB=1上橋臂VT3導(dǎo)通下橋臂VT6關(guān)斷sB=0上橋臂VT3關(guān)斷

下橋臂VT6導(dǎo)通

C橋臂（符號sC描述）：sC=1上橋臂VT5導(dǎo)通下橋臂VT2關(guān)斷sC=0上橋臂VT5關(guān)斷

下橋臂VT2導(dǎo)通

（2）開關(guān)工作狀態(tài)

圖中的PWM逆變器每個(gè)橋臂為1800導(dǎo)通型，功率開關(guān)共有8種工作狀態(tài)。

其中：

6種有效開關(guān)狀態(tài)；

2種無效狀態(tài)（因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒有輸出電壓）：

上橋臂開關(guān)：

VT1、VT3、VT5全部導(dǎo)通即：（sA，sB，sC）=（1，1，1）

下橋臂開關(guān)：

VT2、VT4、VT6全部導(dǎo)通

即：（sA，sB，sC）

=（0，0，0）開關(guān)狀態(tài)表（3）開關(guān)控制原理與模式分析

①合成矢量表達(dá)式說明：①

②雖然O與O'電位不等，但合成電壓矢量表達(dá)式相等。②工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量

設(shè)開關(guān)狀態(tài):

(sA，sB，sC)

=(1，0，0)

這時(shí)：VT6、VT1、VT2

導(dǎo)通

其等效電路如圖所示:O+-iCiAiBidVT1VT6VT2Ud2Ud2O'ABC則：

各相對直流電源中點(diǎn)的電壓幅值為：

三相的合成空間矢量為u