交—直—交电力机车逆变器PWM调制 毕业论文.doc

） i 目 录 摘要 .iii abstract.iv 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力机车的发展历史 1 1.1.1 国外电力机车发展概况 1 1.1.2、中国电力机车发展概况 .2 1.2 交-直-交牵引系统的构成及特点 .3 1.3 课题研究的背景及意义 .4 1.4 论文主要的工作 .5 第 2 章 逆变器的主电路 .6 2.1 逆变器主电路结构设计 6 2.2 功率开关器件的选择 .7 第 3 章 逆变器的控制技术 .9 3.1 spwm 的特点与原理 .12 3.2 空间电压矢量 svpwm 14 3.2.1 svpwm 的基本原理 14 3.2.2 逆变器输出电压矢量和正六边形磁链轨迹控制 16 3.2.3 电压空间矢量的合成方法 18 3.3.4 svpwm 矢量组合模式的选择 .19 第 4 章 逆变器控制仿真 22 ） ii 4.1 器件介绍及参数设置 24 4.2 基于 spwm 的逆变器仿真 .33 4.3 电压空间矢量 svpwm 35 4.4 减少低次谐波的方案 38 4.4.1 增加开关频率 38 4.4.2 加入滤波电抗 41 4.5 比较总结 43 第 5 章 结论 45 5.1 全文总结 45 5.2 下一步的工作思考 45 参考文献 46 致谢 47 ） iii 交直交电力机车逆变器 pwm 调制 摘要 电力机车由牵引电动机驱动车轮的机车。交直交牵引系统比其它牵引传动系统具 有良好的牵引和制动性能、良好的黏着利用和防空转性能、电机功率大、质量轻、体积 小、功率因数高、谐波干扰小、操作简便、维修工作少、易于标准化、通用化和模块化 等优越性。因此交直交电力机车已成为目前应用最广泛的电力机车。 逆 变 器 在 整 个 牵 引 系 统 中 起 到 把 直 流 电 逆 变 成 为 三 相 交 流 电 的 作 用 ， 供 给 电 动 机 运 行 ， 它 对 整 个 牵 引 系 统 是 否 能 正 常 运 行 起 到 重 要 作 用 。 但 是 对于交直交电力机车 这种大功率场合，由于逆变器的的开关频率较低，将会产生很大的低次谐波，轻则影响 系统的性能，重则将导致整个调速系统的控制失败，因此需要对其进行 pwm 调制。pwm 调 制作为交流调速系统的一个关键环节，其设计的优劣直接关系到系统的性能。 关键词：电力机车、交直交电力机车、pwm 调制 ） iv ac - dc - ac electric locomotive pwm modulation abstract electric locomotive traction motor drive the wheels of the locomotive. ac-dc-actraction drive system, traction than the other good traction and braking performance, good adhesion properties of the use and anti- stall, motor power, light weight, small size, high power factor, harmonic disturbance, the operation simple, low maintenance, easy-to-standard, generic and modular and other advantages. therefore, ac - dc - ac electric locomotive has become the most widely used electric locomotives. inverter in the dc traction system played the role of three-phase ac inverter into the supply motor is running, it is the traction system can play an important role in normal operation. but for ac - dc - ac power for electric locomotive that occasion, the inverter switching frequency islow, will have a lot of low-order harmonics, ranging from the performance of the system, re-adjustment will cause the entire speed control of the system failed, so it needs to be pwm modulation. ac speed control system pwm modulation as a key link in the merits of its design is directly related to system performance. key words: electric locomotives, ac - dc - ac electric locomotive, pwm modulation 1 第 1 章 绪论 电力机车由牵引电动机驱动车轮的机车。电力机车因为所需电能由电气化铁路供电 系统的接触网或第三轨供运行中的电力机车给，所以是一种非自带能源的机车。电力机 车具有功率大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费 用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量等优点。使用电力机车牵引车 列，可以提高运行速度和承载重量，从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力 1.1 电力机车的发展历史 1.1.1 国外电力机车发展概况 从供电网电流制来看，电力牵引经历了从直流制（1.5kv 或 3kv）到单相低频交流 （15kv,50/3hz 或 11kv,25hz） ，再到单相工频交流（25kv，50hz 或 60hz，个别 20kv 和 50kv）3 个主要发展阶段。电力机车也随之由直流制机车发展到交流机车和多流制机车。 采用直流制的国家主要有日本、法国、意大利等；采用单相低频交流制的国家主要有德 国、瑞典、奥地利、挪威和美国；采用单相工频交流制的国家有法国、日本、印度、英 国等。 从主电路系统的特点可以看出电力机车最近几十年来的发展过程。20 世纪 70 年代以 前，直流电力机车普遍采用直流牵引电动机和高压侧调压开关调压系统；低频交流电力 机车几乎全部采用单相交流整流子牵引电动机高压侧调压开关系统。工频交流电力机车 主要采用水银整流器或硅整流器与脉流牵引电机和高压侧或低压侧开关调压系统。 20 世纪 70 年代开始，随着大功率晶闸管及电力电子技术的发展，直流电力机车逐渐 采用斩波调压；单相工频整流器电力机车逐步被晶闸管相控电力机车取代；在采用交流 制的国家中，以瑞典为代表，包括奥地利，着重发展晶闸管相控电力机车，而德国和瑞 士再使用少量相控机车的同时。着力发展三相交流传动电力机车。 在 80 年代，一方面，直流斩波机车和交流相控机车技术得到进一步完善和发展。另 一方面。以 1979 年问世的第一台 e120 型交流传动电力机车（原联邦德国 bbc 公司制造） 为转机，三相交流传动电力机车在德国第一些国家投入运营并得到迅速发展。 从 80 年代末 90 年代初开始，世界上特别是西欧和日本，随着既有电力机车的更新 换代和高速铁路的蓬勃发展，电力机车的研制迅速向交流传动。目前这些国家早已停止 2 了用于本国的直流传动和交直传动电力机车的生产 1.1.2、中国电力机车发展概况 中国电力机车在 40 多年的风雨中不断发展进步，前后共经历了 3 个阶段，开发了 4 代产品。其发展和国际上发展的路径相类似，即由直流传动到交直电传动的发展。 第一阶段（19561968 年）是中国电力机车早期引进仿制阶段 1956 年中国政府提出要迅速地、有步骤地研制使用电力机车。1957 年参照苏联 h60 型单相引燃管整流器电力机车，开始研究设计电力机车。1958 年仿制出第一台电力机车， 即 6y1 型干线电力机车，此后经过多次改进，到 1968 年，6y1 型改名为 ss1 型，是第一 代机车，开始小批量生产； 第二阶段（19681985 年）是中国电力机车艰难的成长阶段 这期间跳出了照搬国外电力机车的模式，走上了自我发展的道路。产品 ss1 型成批 生产，自主研制成功 ss2 型。1979 年株洲电力机车工厂设计试制成功 ss3 型机车，ss3 是在吸收了 ss1 和 ss2 的成熟经验。并在 ss1 基础上改进设计的。ss3 机车综合性能优于 ss1 型。1989 年开始打批量生产，是中国第 2 代干线主型机车，此期间。1985 年 9 月在 株洲电力机车工厂试制成功我国第 1 台相控电力机车 ss4 货运电力机车，ss4 是中国第 3 代电力机车 第三阶段（1984至今）是中国电力机车迅速发展阶段 此阶段我国第 3 代电力机车发展形成多机型系列，基本形成了较为完整的 4、6、8 轴货运、客运系列。1986 年中国铁路牵引动力政策改为“大力发展电力牵引，合理发展 内燃牵引”以及发展“重载高速”机车。此期间株洲电力机车工厂第工厂和株洲电力机 车研究所第科研单位得以大规模改造，新增很多先进专用设备和实验检测设备，引进大 量先进技术。1985 年和 1986 年进口 8k 和 6k 机车的同时，引进了大量先进技术。经过消 化吸收，结合中国电力机车实际和优秀的传统结构，先后自主研制成功第 3 代机车 11 种， 有 ss4、ss5、ss6、ss7、ss8 以及它们的派生型 ss4b、ss4c、ss6b、ss7b、ss7c 第。 1996 年 ac4000 交流传动电力机车研制成功，这是我国电力机车事业发展上的一个重 要的里程碑，是我国铁路电传动机车开始步入交流传动机车的发展时期。同时还研制成 功了第 4 代机车 c4000 型交流传动机车。 2001 年我国研制出第 1 台有自主知识产权交流传动客运电力机车，标志着我国交流传 动机车技术跨上了一个新台阶 3 1.2 交-直-交牵引系统的构成及特点 以电压型交直交变流器供电、三相异步电动机作牵引电动机的机车为例，其包括整 流器、逆变器、电抗器、三相异步电动机等。 电压型异步电动机电力机车工作原理 机车在工作时，将电网歹念压引入机车变压器一次侧绕组，经变压器二次侧绕组降压后 送入环节（整流环节） ，将交流电转换为直流电，经环节平滑处脉动，送入环节， 将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电，经环节平波电抗器，供给三相异步牵 引电动机，实现牵引运行。在这个系统中，机车先将电网的交流能量转换为直流能量， 然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量。各环节的作用分述如下： 环节整流电路基本作用是将交流电转换为直流电。具体电路可以是不可控整 流桥、相控整桥流、四象限脉冲变流器。 环节直流环节滤波器基本作用是平滑处的纹波（脉动） ，消除或减少谐波含 量，改善机车的功率因数。采用不同的整流电路，其滤波电路也不同，功能有所差别。 环节逆变器用于将直流电转换为三相交流电，同时为了机车调速的需要，它 具有较宽的调频范围和调压范围，一般采用正弦波脉宽调制（pwm）技术。或采用电压相 量（vvcpwm）控制技术，降低电机损耗，减少网压波动的影响。 环节电抗器，有三大作用。降低电机、电缆中的高频成分，控制噪声的传播， 抑制电机启动过程中的谐波分量；保证频繁断开电机电路时不损坏变频器；通过三相霍 尔电流传感器对变频器输出端采取完善的短路保护措施。 系统的工作特点： 1、功率/体积比大。由于.三相异步电动机结构中无换向器，所以相同功率的电机， 异步电动机的重量轻、体积小，可使机车转向架簧下部分重量相应减少，在机车通过曲 线时，轮轨之间侧向压力也就相应减少，这对高速行车尤为重要。同时，由于电动机体 积减小，空间利用好，便能选择更为合适的悬挂方式，从而简化了转向架结构。 2.交流电机维修量小。三相异步电机结构简单，几乎无需维修。 3.机车具有优异的牵引和制动运行性能。由于异步电动机具有很稳定的机械特性， 因而有自然防空转和防滑行的性能，粘着利用好，既减少了轮箍的损伤，同时又有利于 提高列车的加速度，缩短机车启动和制动时间。 4.简化了主线路。异步电动机的正、反转及牵引、制动状态的转换，通过机车控制 4 电路就能实现，不需要改变主线路，所以机车主线路中的两位置转换开关可省去，主电 路变得十分简单，使整车的可靠性大大提高，降低了使用维修费用。 交直交牵引系统比其它牵引传动系统具有良好的牵引和制动性能、良好的黏着利用 和防空转性能、电机功率大、质量轻、体积小、功率因数高、谐波干扰小、操作简便、 维修工作少、易于标准化、通用化和模块化等优越性 1.3 课题研究的背景及意义 电力机车的牵引系统可分为直流牵引传动系统、交直牵引传动系统、交直交 牵引传动系统，过去，在具有调速的牵引传动范围内大多采用直流传动，这是由于直流 牵引电动机的磁场电流和电枢电流可以单独控制，起动调速性能和转矩特性比较理想， 并容易获得良好的动态响应。但是直流电动机在结构上有严重的缺点，由于它存在电刷 和换向器，致使电机不仅工艺复杂、价格昂贵，而且在运行中容易产生火花和环火现象， 这就要求电机换向片之间的电压不能过高。从而限制了直流电动机的功率和容量，满足 不了铁路牵引向高速、重载方向发展的要求。 从 20 世纪 60 年代开始，人们将长期使用的串励直流电动机（所谓的纯直流传动） 改为使用它励直流电动机，即采用可控硅电源供给它励电动机励磁（所谓的交直流传 动） 。这种牵引方式将接触网的单向交流电通过可控硅整流变成直流电，通过控制励磁电 力使牵引电机具有所要求的软特性和良好的防空转性能，虽然这种脉流式牵引电动机与 直流电动机有所不同但其工作原理基本上与直流电机相同，仍然无法改变电机存在的火 花和环火的致命缺欠。 交直交牵引系统采用三相交流电动机，由于其转子没有机械换向器，也不带绝 缘绕组，不存在换向火花和环火的现象，因此它结构简单、运行可靠，能以更高的转速 运转，可以满足高功率、大容量牵引传动装置的要求。随着变流技术的发展变流元件从 不控的二极管、半控晶闸管，发展到全控的 gto、igbt、igct，容量不断加大，开关频率 不断提高使得脉宽调制技术成为可能，逆变器的输出具有平滑调节供电频率和电压的性 能交直交牵引系统由这种变流器供电，就可获得极好的调速性能。并且从原来的开 环控制，到今天的广泛使用的矢量控制、直接扭矩控制，使得交流电动机具有极好的控 制特性和动态性能，因此它将更广泛的用于电力机车的牵引传动。 交直交牵引系统比其它牵引传动系统具有良好的牵引和制动性能、良好的黏着利 用和防空转性能、电机功率大、质量轻、体积小、功率因数高、谐波干扰小、操作简便、 5 维修工作少、易于标准化、通用化和模块化等优越性。由于异步电动机轴功率大、体积 小，使得机车具有适合低速大牵引力，以较少的动轴保证列车高速运行时所需的功率。 与同样功率等级的直流电机比较，异步电机的质量低 30%左右，因此减少了簧下质量，减 小对线路的作用力。近年生产的交流传动电力机车，网侧采用了四象限脉宽调制整流器。 使得机车不论在额定功率，还是小负载时，在牵引或再生制动工况，机车的功率系数都 在 0.98 以上。这就意味着铁路电网所需提供的无功功率很小，接触网上的损耗就很小。 那么在给定的电网功率下，使用一定功率的机车就越多，并且等效干扰电流小于 2a。当 列车需要制动时，机车将列车的动能变为电能，反馈至接触网，节约了能耗。较于其它 机车成本较低。因此交直交牵引系统将更广泛的运用于电力机车中。 1.4 论文主要的工作 逆 变 器 在 整 个 牵 引 系 统 中 起 到 把 直 流 电 逆 变 成 为 三 相 交 流 电 的 作 用 ， 供 给 电 动 机 运 行 ， 它 对 整 个 牵 引 系 统 是 否 能 正 常 运 行 起 到 重 要 作 用 。 但 是 对于交直交电力机车 这种大功率场合，由于逆变器的的开关频率较低，将会产生很大的低次谐波，轻则影响 系统的性能，重则将导致整个调速系统的控制失败，因此需要对其进行 pwm 调制，减少 其低次谐波。pwm 调制作为交流调速系统的一个关键环节，其设计的优劣直接关系到系统 的性能 6 第 2 章 逆变器的主电路 逆变器的任务是将直流电压转换成负载电机所需的三相交流电压向电机供电，其输 出方式既可以选择变压变频(vvvf)方式，也可以 选择恒压恒频(cvcf)方式，以满足不同 负载的需要。 现代逆变器的特点是趋向于采用 igbt 及无吸收电路。逆变器过去采用的功率器 件 有晶闸管、gto、功率晶体管等，igbt 技术是近年来逐渐发展成熟起来的，由于 igbt 具 有工作频率高、自我保护能力强、控制较简单的优点，现在逆变器采用的 功率器件主要 是 igbt。同时也由于采用了 igbt，逆变器内部电路结构也发生了变 化，这主要体现在 功率器件的过压保护方面，由最早采用的高损耗 r-c-d 阻容型过 压吸收电路，发展到来 采用的低损耗不对称型过压吸收电路及型过压吸收电 路，再到现在的无吸收电路。吸 收电路逆变器通过采用无感复合母排技术、低感电容技术来尽可能消除产生过电压的因 素，从而尽可能避免过电压情况的发生，同时也消除了吸收电路所产生的损耗，这样， 既简化了电路结构，又降低了逆变 器的损耗，提高了效率，同时还因逆变器发热量的降 低而使得逆变器的体积重量 也得以减小。 2.1 逆变器主电路结构设计 逆 变 器 主 要 分 为 电 压 型 逆 变 器 和 电 流 型 逆 变 器 ， 电 压 型 逆 变 器 由 直 流 电 压 中 间 电 路 供 给 一 个 恒 定 的 直 流 电 压 ， 其 元 件 过 电 压 的 可 能 性 较 小 ， 但 由 于 中 间 电 路 的 内 阻 小 ， 负 载 的 故 障 和 换 流 失 败 ， 易 引 起 过 电 流 。 再 生 制 动 时 ， 为 了 使 电 流 反 向 ， 与 晶 闸 管 反 向 了 二 极 管 ， 因 此 晶 闸 管 毋 需 反 向 耐 压 ； 电 流 型 逆 变 器 由 直 流 电 流 中 间 电 路 供 给 一 个 恒 定 的 直 流 电 流 ， 由 于 将 电 感 串 联 在 中 间 电 路 中 ， 有 较 大 的 阻 抗 ， 半 导 体 器 件 一 般 不 会 产 生 过 电 流 。 再 生 制 动 ， 电 压 方 向 改 变 ， 毋 需 反 并 联 二 极 管 。 就 电 压 型 逆 变 器 和 电 流 型 逆 变 器 相 比 较 ， 在 大 功 率 牵 引 领 域 ， 以 电 压 型 逆 变 器 为 主 。 故 本 课 题 采 用 电 压 型 逆 变 器 。 为了使直流电逆变成为三相可调交流电，需对晶闸管的开关断时间进行调制，在逆变 器运行时，每个工作状态下都有 3 只晶闸管同时导通，其中每个桥臂上都只有一只晶闸 管导通，形成三相负载同时通电，这样就可把直流电逆变成为三相可控交流电。 三相电压型逆变器主电路由 6 只晶闸管组成，每只晶闸管反并一只续流二极管，为 7 负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路。如图 2.1 三相逆变器主电路所示 图 2.1 三相逆变器主电路 2.2 功率开关器件的选择 三相逆变器的开关器件采用 igbt。逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用 较多的功率元件有达林顿功率晶体管（bjt） ，功率场效应管（mosfet） ，绝缘栅晶体管 （igbt）和可关断晶闸管（gto）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为 mosfet，因 为 mosfet 具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用 igbt 模块，这是因为 mosfet 随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而 igbt 在中容量系统 中占有较大的优势，而在特大容量（100kva 以上）系统中，一般均采用 gto 作为功率元 件。在电力机车上的开关器件常用 igbt 和 gto，开关 igbt 元件称为绝缘门极双极型晶体 管，它兼有功率 moosfet 高输入阻抗特性（电压控制型）和双极型器件的通态特性，同 时开关频率也远高于 gto 元件。由于 igbt 的开关频率高，可使 pwm 调制频率提高，因此 igbt 是一种铁道牵引比较理想的变流器件。 igbt(insulated gate bipolar transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由 bjt(双极型三极 管)和 mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有 mosfet 的高输入阻抗和 gtr 的低导通压降两方面的优点。gtr 饱和压降低，载流密度 大，但驱动电流较大;mosfet 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 igbt 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 8 igbt 元件和 gto 元件的基本性能对比可见下图 表 2.1 igbt 元件和 gto 元件的基本性能对比 项目 gto 元件 igbt 元件 电压（v） 4500(6000) 3300(4000) 电流（a） 30004000（可关断电流） 1200 开关频率（hz） 500 5000 开关损耗 大 小 通态损耗 小 大 吸收回路损耗 大 小 驱动功率 大 小 di/dt,du/dt 限制 严格 不严 保护功能 外设 完善的自我保护 9 第 3 章 逆变器的控制技术 现代电力电子技术，特别是数字信号处理技术的不断发展，促进了电力机车逆变器系统 及控制技术的发展。各种先进的控制方式如正弦脉宽调制（spwm） ，空间矢量脉宽调制 （svpwm） ，关联指令脉宽调制等日趋成熟。使用这些先进的控制方式可以很大的提高逆 变器的工作效率。 脉冲宽度调制(pwm)，是英文“pulse width modulation”的缩写，简称脉宽调制， 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 脉 冲 宽 度 调 制 是 一 种 模 拟 控 制 方 式 ， 其 根 据 相 应 载 荷 的 变 化 来 调 制 晶 体 管 栅 极 或 基 极 的 偏 置 ， 来 实 现 开 关 稳 压 电 源 输 出 晶 体 管 或 晶 体 管 导 通 时 间 的 改 变 ， 这 种 方 式 能 使 电 源 的 输 出 电 压 在 工 作 条 件 变 化 时 保 持 恒 定 ， 是 利 用 微 处 理 器 的 数 字 输 出 来 对 模 拟 电 路 进 行 控 制 的 一 种 非 常 有 效 的 技 术 。 pwm控 制 的 基 本 原 理 很 早 就 已 经 提 出 ,但 是 受 电 力 电 子 器 件 发 展 水 平 的 制 约 ,在 上 世 纪 80年 代 以 前 一 直 未 能 实 现 .直 到 进 入 上 世 纪 80年 代 ,随 着 全 控 型 电 力 电 子 器 件 的 出 现 和 迅 速 发 展 ,pwm控 制 技 术 才 真 正 得 到 应 用 .随 着 电 力 电 子 技 术 ,微 电 子 技 术 和 自 动 控 制 技 术 的 发 展 以 及 各 种 新 的 理 论 方 法 ,如 现 代 控 制 理 论 ， 非 线 性 系 统 控 制 思 想 的 应 用 ,pwm控 制 技 术 获 得 了 空 前 的 发 展 .到 目 前 为 止 ,已 出 现 了 多 种 pwm控 制 技 术 ,根 据 pwm控 制 技 术 的 特 点 ,到 目 前 为 止 主 要 有 以 下 几 类 方 法 ： 等 脉 宽 pwm法 、 随 机 pwm 、 spwm法 、 线 电 压 控 制 pwm、 电 流 控 制 pwm、 空 间 电 压 矢 量 控 制 pwm、 矢 量 控 制 pwm、 直 接 转 矩 控 制 pwm、 非 线 性 控 制 pwm、 谐 振 软 开 关 pwm等 。 由 于 正弦pwm（spwm）和电压 空间矢量（svpwm）是应用最多的两种逆变器控制技术。在 此 主 要 介 绍 spwm法 和 空 间 电 压 矢 量 控 制 pwm。 （ 1） spwm法 ： spwm(sinusoidal pwm)法 是 一 种 比 较 成 熟 的 ,目 前 使 用 较 广 泛 的 pwm法 .前 面 提 到 的 采 样 控 制 理 论 中 的 一 个 重 要 结 论 :冲 量 相 等 而 形 状 不 同 的 窄 脉 冲 加 在 具 有 惯 性 的 环 节 上 时 ,其 效 果 基 本 相 同 .spwm法 就 是 以 该 结 论 为 理 论 基 础 ,用 脉 冲 宽 度 按 正 弦 规 律 变 化 而 和 正 弦 波 等 效 的 pwm波 形 即 spwm波 形 控 制 逆 变 电 路 中 开 关 器 件 的 通 断 ,使 其 输 出 的 脉 冲 电 压 的 面 积 与 所 希 望 输 出 的 正 弦 波 在 相 应 区 间 内 的 面 积 相 等 , 通 过 改 变 调 制 波 的 频 率 和 幅 值 则 可 调 节 逆 变 电 路 输 出 电 压 的 频 率 和 幅 值 .该 方 法 的 实 现 有 以 下 几 种 方 案 . 10 1） 等 面 积 法 ： 该 方 案 实 际 上 就 是 spwm法 原 理 的 直 接 阐 释 ,用 同 样 数 量 的 等 幅 而 不 等 宽 的 矩 形 脉 冲 序 列 代 替 正 弦 波 ,然 后 计 算 各 脉 冲 的 宽 度 和 间 隔 ,并 把 这 些 数 据 存 于 微 机 中 ,通 过 查 表 的 方 式 生 成 pwm信 号 控 制 开 关 器 件 的 通 断 ,以 达 到 预 期 的 目 的 .由 于 此 方 法 是 以 spwm控 制 的 基 本 原 理 为 出 发 点 ,可 以 准 确 地 计 算 出 各 开 关 器 件 的 通 断 时 刻 ,其 所 得 的 的 波 形 很 接 近 正 弦 波 ,但 其 存 在 计 算 繁 琐 ,数 据 占 用 内 存 大 ,不 能 实 时 控 制 的 缺 点 . 2） 硬 件 调 制 法 ： 硬 件 调 制 法 是 为 解 决 等 面 积 法 计 算 繁 琐 的 缺 点 而 提 出 的 ,其 原 理 就 是 把 所 希 望 的 波 形 作 为 调 制 信 号 ,把 接 受 调 制 的 信 号 作 为 载 波 ,通 过 对 载 波 的 调 制 得 到 所 期 望 的 pwm波 形 .通 常 采 用 等 腰 三 角 波 作 为 载 波 ,当 调 制 信 号 波 为 正 弦 波 时 , 所 得 到 的 就 是 spwm波 形 .其 实 现 方 法 简 单 ,可 以 用 模 拟 电 路 构 成 三 角 波 载 波 和 正 弦 调 制 波 发 生 电 路 ,用 比 较 器 来 确 定 它 们 的 交 点 ,在 交 点 时 刻 对 开 关 器 件 的 通 断 进 行 控 制 ,就 可 以 生 成 spwm波 .但 是 ,这 种 模 拟 电 路 结 构 复 杂 ,难 以 实 现 精 确 的 控 制 . 3） 软 件 生 成 法 ： 由 于 微 机 技 术 的 发 展 使 得 用 软 件 生 成 spwm波 形 变 得 比 较 容 易 , 因 此 ,软 件 生 成 法 也 就 应 运 而 生 .软 件 生 成 法 其 实 就 是 用 软 件 来 实 现 调 制 的 方 法 ,其 有 两 种 基 本 算 法 ,即 自 然 采 样 法 和 规 则 采 样 法 . 4） 自 然 采 样 法 ： 以 正 弦 波 为 调 制 波 ,等 腰 三 角 波 为 载 波 进 行 比 较 ,在 两 个 波 形 的 自 然 交 点 时 刻 控 制 开 关 器 件 的 通 断 ,这 就 是 自 然 采 样 法 .其 优 点 是 所 得 spwm波 形 最 接 近 正 弦 波 ,但 由 于 三 角 波 与 正 弦 波 交 点 有 任 意 性 ,脉 冲 中 心 在 一 个 周 期 内 不 等 距 ,从 而 脉 宽 表 达 式 是 一 个 超 越 方 程 ,计 算 繁 琐 ,难 以 实 时 控 制 . 5） 规 则 采 样 法 ： 规 则 采 样 法 是 一 种 应 用 较 广 的 工 程 实 用 方 法 ,一 般 采 用 三 角 波 作 为 载 波 .其 原 理 就 是 用 三 角 波 对 正 弦 波 进 行 采 样 得 到 阶 梯 波 ,再 以 阶 梯 波 与 三 角 波 的 交 点 时 刻 控 制 开 关 器 件 的 通 断 ,从 而 实 现 spwm法 .当 三 角 波 只 在 其 顶 点 (或 底 点 )位 置 对 正 弦 波 进 行 采 样 时 ,由 阶 梯 波 与 三 角 波 的 交 点 所 确 定 的 脉 宽 ,在 一 个 载 波 周 期 (即 采 样 周 期 )内 的 位 置 是 对 称 的 ,这 种 方 法 称 为 对 称 规 则 采 样 .当 三 角 波 既 在 其 顶 点 又 在 底 点 时 刻 对 正 弦 波 进 行 采 样 时 ,由 阶 梯 波 与 三 角 波 的 交 点 所 确 定 的 脉 宽 ,在 一 个 载 波 周 期 (此 时 为 采 样 周 期 的 两 倍 )内 的 位 置 一 般 并 不 对 称 ,这 种 方 法 称 为 非 对 称 规 则 采 样 . 规 则 采 样 法 是 对 自 然 采 样 法 的 改 进 ,其 主 要 优 点 就 是 是 计 算 简 单 ,便 于 在 线 实 时 运 算 ,其 中 非 对 称 规 则 采 样 法 因 阶 数 多 而 更 接 近 正 弦 .其 缺 点 是 直 流 电 压 利 用 率 较 低 , 线 性 控 制 范 围 较 小 . 11 以 上 两 种 方 法 均 只 适 用 于 同 步 调 制 方 式 中 . 6） 低 次 谐 波 消 去 法 ： 低 次 谐 波 消 去 法 是 以 消 去 pwm波 形 中 某 些 主 要 的 低 次 谐 波 为 目 的 的 方 法 .其 原 理 是 对 输 出 电 压 波 形 按 傅 氏 级 数 展 开 ,表 示 为 ,首 先 确 定 基ttnausi 波 分 量 a1的 值 ,再 令 两 个 不 同 的 an=0,就 可 以 建 立 三 个 方 程 ,联 立 求 解 得 a1,a2及 a3,这 样 就 可 以 消 去 两 个 频 率 的 谐 波 . 该 方 法 虽 然 可 以 很 好 地 消 除 所 指 定 的 低 次 谐 波 ,但 是 ,剩 余 未 消 去 的 较 低 次 谐 波 的 幅 值 可 能 会 相 当 大 ,而 且 同 样 存 在 计 算 复 杂 的 缺 点 .该 方 法 同 样 只 适 用 于 同 步 调 制 方 式 中 . 7） 梯 形 波 与 三 角 波 比 较 法 前 面 所 介 绍 的 各 种 方 法 主 要 是 以 输 出 波 形 尽 量 接 近 正 弦 波 为 目 的 ,从 而 忽 视 了 直 流 电 压 的 利 用 率 ,如 spwm法 ,其 直 流 电 压 利 用 率 仅 为 86.6%.因 此 ,为 了 提 高 直 流 电 压 利 用 率 ,提 出 了 一 种 新 的 方 法 -梯 形 波 与 三 角 波 比 较 法 .该 方 法 是 采 用 梯 形 波 作 为 调 制 信 号 ,三 角 波 为 载 波 ,且 使 两 波 幅 值 相 等 ,以 两 波 的 交 点 时 刻 控 制 开 关 器 件 的 通 断 实 现 pwm控 制 . 由 于 当 梯 形 波 幅 值 和 三 角 波 幅 值 相 等 时 ,其 所 含 的 基 波 分 量 幅 值 已 超 过 了 三 角 波 幅 值 ,从 而 可 以 有 效 地 提 高 直 流 电 压 利 用 率 .但 由 于 梯 形 波 本 身 含 有 低 次 谐 波 ,所 以 输 出 波 形 中 含 有 5次 ,7次 等 低 次 谐 波 . （ 2） 空 间 电 压 矢 量 控 制 pwm： 空 间 电 压 矢 量 控 制 pwm(svpwm)也 叫 磁 通 正 弦 pwm法 .它 以 三 相 波 形 整 体 生 成 效 果 为 前 提 ,以 逼 近 电 机 气 隙 的 理 想 圆 形 旋 转 磁 场 轨 迹 为 目 的 , 用 逆 变 器 不 同 的 开 关 模 式 所 产 生 的 实 际 磁 通 去 逼 近 基 准 圆 磁 通 ,由 它 们 的 比 较 结 果 决 定 逆 变 器 的 开 关 ,形 成 pwm波 形 .此 法 从 电 动 机 的 角 度 出 发 ,把 逆 变 器 和 电 机 看 作 一 个 整 体 ,以 内 切 多 边 形 逼 近 圆 的 方 式 进 行 控 制 ,使 电 机 获 得 幅 值 恒 定 的 圆 形 磁 场 (正 弦 磁 通 ). 具 体 方 法 又 分 为 磁 通 开 环 式 和 磁 通 闭 环 式 .磁 通 开 环 法 用 两 个 非 零 矢 量 和 一 个 零 矢 量 合 成 一 个 等 效 的 电 压 矢 量 ,若 采 样 时 间 足 够 小 ,可 合 成 任 意 电 压 矢 量 .此 法 输 出 电 压 比 正 弦 波 调 制 时 提 高 15%,谐 波 电 流 有 效 值 之 和 接 近 最 小 .磁 通 闭 环 式 引 入 磁 通 反 馈 ,控 制 磁 通 的 大 小 和 变 化 的 速 度 .在 比 较 估 算 磁 通 和 给 定 磁 通 后 ,根 据 误 差 决 定 产 生 下 一 个 电 压 矢 量 ,形 成 pwm 波 形 .这 种 方 法 克 服 了 磁 通 开 环 法 的 不 足 ,解 决 了 电 机 低 速 时 ,定 子 电 阻 影 响 大 的 问 题 ,减 小 了 电 机 的 脉 动 和 噪 音 .但 由 于 未 引 入 转 矩 的 调 节 ,系 统 性 能 没 有 得 到 根 本 性 的 改 善 12 3.1 spwm 的特点与原理 由于本文采用的是电压型逆变器故采用的 spwm 调制方法是电压 spwm。电压脉冲宽度 调制技术（电压 spwm），顾名思义就是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流 电压变成电压正弦的输出，实现变压、变频控制并且可以较好的消除谐波。 spwm（正弦脉宽调制）是将正弦波变成宽度渐变的脉冲波，其中的脉冲波的宽度变化 规律完全符合正弦的变化规律。正弦脉宽调制的方法也叫三角波调制方法。产生原理是 采用一组等腰三角波信号（载波）与正弦波信号（调制波）通过比较器进行比较，其交 点作为晶闸管的导通和关断时刻，当调制波（正弦波）大于载波（三角波）时，逆变桥 的晶闸管导通，反之，则关断，逆变器就产生一组等幅不等宽的脉冲序列。正弦波的频 率和幅值是可控的，只要改变正弦波的频率，就可以改变输出脉冲的频率，从而改变电 机的转速；改变正弦波的幅值，它与三角波的交点发生改变，是输出的逆变脉冲序列的 宽度发生变化，从而改变输出脉冲的电压，其 spwm 生成的原理如图 3.1 所示，通过生 成的 spwm 信号来控制逆变器的开关断从而实现电机的变频调速。 图 3.1spwm 的 生 成 方 法 三相桥式逆变器的主电路如图 3.1 所示。为了得到三相桥式逆变器所需的三相对称 13 spwm 脉冲，逆变器三相输出端 a,b,c 相电压之间的相位必须互差 120。为此三相 spwm 最基本的设计原则之一就是，用于产生三相 spwm 脉冲的三个正弦调制信号，即图 3.2 中 的 u 相调制波、v 相调制波、w 相调制波。它们之间也必须保持 120的相位差。从原理 上讲，三相 spwm 脉冲的产生可以每相调制波单独配备一个载波，也可以三相共用一个载 波。由于后者的实现和控 制更为简单，因此绝大多数三相逆变器都采用这种方法。为了严格的保证三相之间的相 位差，载波比应该设计为 3 的整数倍，如图 3.2 所示，图 3.1 为 a 相晶闸管的控制脉冲， b 相和 c 相脉冲应该分别滞后 a 相脉冲 180和 240。逆变器三相输出端相对于直流环 节中点 o 的相电压波相分别为图 3.2u 相电压、v 相电压、和 w 相电压所示，三相之间线 电压波形可以通过分别将两相电压相减得到。图 3.2 中线电压 uv 即 u 相与 v 相之间的线 电压的波形。 图 3.2 三 相 spwm 在使用 spwm 进行变频调速时需要考虑的问题是，spwm 波并不是真的正弦波，只 是用按照正弦规律变化的阶梯来逼近正弦波，为此仍然存在大量的高次谐波，在实际控 14 制过程中必须采取有效的措施来减少谐波分量。根据实验课知，当三角载波的频率越高， 出现的谐波幅度就会越小，spwm 的电流波形就越好，因而，希望可以尽量提高载波频 率来降低电流的谐波分量。在实际控制过程中，载波和调制波的频率调整可以有如下三 种方法：同步调制法、异步调制法和分段同步调制法。同步调制是指调制波和载波的比 值等于常数，在调节调制波频率的同时调节载波频率，此方法虽然使得逆变器输出的三 相波形在正、负半波上有严格的对称，但是在低频控制时，会出现 spwm 的脉冲太少， 从而加大了谐波分量，不适合低频控制；异步调制法是指载波频率固定不变，只改变调 制波的频率进行调制，它虽然解决了同步调制在低频时所产生的谐波分量较大的缺陷， 但由于它造成了输出三相波在正负半波的不对称，从而会加大电机运行的不平稳性。鉴 于上述分析：在实际运用中最为广泛的是分段同步调制法，即在低频时采用异步调制法， 在其他频段时采用同步调制法。 spwm 性能如下： 1）直流电压利用率只有 86.6% 2）其输出电压谐波主要是频率为开关频率及开关频率倍数的谐波，而 thd 指标随 开关频率的提高而降低，而同一开关频率下，thd 的变化趋势是随输出频率的提 高而增大 3）采用注入三次谐波可以提高直流电压利用率，最大可以达到 115% 3.2 空间电压矢量 svpwm 电压空间矢量脉冲宽度调制技术是从交流电机的角度出发，以控制交流电机磁链空 间矢量轨迹逼近圆形为调制目的，以求减小电机的转矩脉动、改善电机的运动性能。与 传统的 spwm 方法相比， svpwm 具有直流电压利用率更高、电机的谐波电流和转矩脉 动更小、电压和频率控制能同时完成以及实现简单等优点，目前无论在开环调速系统或 闭环调速系统中都得到了越来越广泛的应用。 3.2.1 svpwm 的基本原理 svpwm 的基本原理可以从交流电机电压空间矢量、磁链空间矢量以及电流空间矢 量的概念出发进行推导和分析。 假设交流电机由理想对称的正弦电压供电，三相电压 , , 可以用矩阵的形式表aubc 15 式为 （3.1）lcb autu3/4cos()2311 式中， 为线电压有效值， 为正弦供电电压的角频率。采用电压空间矢的概念，lu1 定子电压空间矢量 可定义为s )(323 432jcjbas euu （3.2） 与此类似，还可以定义出交流电机的定子电流空间矢量 和定子磁链空间矢量 ：si s )(32 3432jcjbas eiii （3.3） )(3 432jcjbas e （3.4） 其中， ， ， 和 , , 分别代表电机的三相定子电流和定子磁链。于是，交流电aibciabc 机定子电压方程可以利用空间矢量简洁地表示为 sssirdtu （3.5） 其中， 表示定子电阻。sr 由于定子电阻一般较小，除非供电频率很低，定子电阻压降在定子电压中所占有的 比例往往很小，在大多数情况下都可以忽略。因此定子磁链空间矢量 可通过对定子电s 压空间矢量 的积分近似得到su 0sssdtu （3.6） 其中， 表示定子磁链空间矢量的初始位置。0s 当交流电机由对称正弦电压供电时，电压空间矢量 沿着一个半径为 的圆形轨sulu 16 迹匀速运行，其运动速率等于 。从式（3.6）可知。定子磁链空间矢量 的运动方向始1s 终与定子电压空间矢量 的方向相同。因此一个沿圆形轨迹运行的 将在电机定子绕组susu 中产生一个同样沿圆形轨迹移动的 ，而且 得移动速率与 相同。电压空间矢量脉ss 冲宽度调制正是以调节交流电机定子磁链空间矢量 轨迹为目的对 进行直接控制的一ss 种调制方法。 3.2.2 逆变器输出电压矢量和正六边形磁链轨迹控制 在图 2.1 所示的三相桥式逆变器中，6 个开关器件总共可产生 8 种有效的开关组合 模式。如用 , , 分别表示逆变器的三个桥臂的状态，并规定当上桥臂开关器件导通asbc 而下桥臂开关器件截止时桥臂状态为 1。反之当下桥臂开关器件导通而上桥臂开关器件截 止时桥臂的状态为 0，比如 , , =1,0,0就表示 a 相上管导通，b 相和 c 相都是asbc 下管导通。逆变器 8 种开关组合模式所对应的三相输出相电压瞬时值（相对于三相对称 星接负载的中点 n）和电压空间矢量分别如式（3.7 ）和表 3.1 所示。 cbacbasu21 （3.7） 表 3.1 逆变器输出电压空间矢量表 定子电压空 间矢量 开关状态 , , asbcaubucu定子电压空间矢量 表达式7u 0 0 0 0 0 0 01 1 0 0 du32 d31 du3132jde2 1 1 0 d1d d2 1jd3u 0 1 0 332 313 2je4 0 1 1 du2d1dujd5 0 0 1 d31 d3d323 42jde 17 6u1 0 1 du31 d32du3135jde8 1 1 1 0 0 0 0 从表 3.1 可知，在逆变器 种可能的开关组合模式中，有 6 个非零电压空间矢量（称823 为非零矢量） ,它们的幅值（即电压空间矢量的长度）皆相同，都等于 。61u du32 其余的两个矢量 和 的幅值都为 0，称为零电压矢量空间，简称为零矢量。为了更清70 楚地表现这几个矢量之间的关系，可以将这 8 个矢量绘制在复平面上，则 6 个非零矢量 分别位于一个正六边形的 6 个顶点位置，而 2 个零矢量位于原点，如图 3.3，图中可以看 出，相邻两个非零矢量将正六边形外切园平分为 6 个顶角都是 的扇区。3/ 图 3.3 逆变器输出电压空间矢量 由于逆变器输出电压空间矢量只可能处于 7 个离散的位置（ 和 所处的位置相同）上，7u0 因此理论上讲是不可能产生真正的连续