（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的双pwm变频调速系统研究.pdf

摘要 随着微机控制技术及电力电子器件的不断发展，交流电动机变频调速技术也 得到了长足的进步，并在生产生活中起着极其重要的作用。传统二极管整流的交 一直交变频调速系统以其结构简单，可实现数字化控制是目前中高档变频器普遍 采用的一种控制形式，然而不可控整流引起电流畸变所产生的电磁干扰和谐波污 染已经成为了日益严重的问题。 本文所提出的双p w m 变频调速系统，基于交一直一交结构，采用p _ l v m 可控整流， 具有实现网侧电流接近正弦波，网侧功率因数近似为l ，较快的动态响应，电能 双向传输等诸多优点，真正实现了节能调速和“绿色环保”的高度结合。 双p m 变频调速系统包括p w m 整流和p w m 逆变两部分，关键技术在于p w m 整流部 分。文中详细介绍了p w m 整流器的工作原理，推导出基于开关函数的数学模型， 并在此基础上引入两相旋转坐标系，进而给出两相旋转坐标系下的数学模型。应 用前馈控制技术，设计了基于p i 调节器的电流闭环和电压闭环的双闭环控制系 统，利用m a t l a b 提供的电力电子工具箱在s i m u l i n k 仿真环境下进行了仿真实验， 验证了系统的正确性和可行性。 对逆变侧变频调速系统的研究中，从理论上分析和研究了异步交流电动机变 频调速的几种控制方案，重点研究了s v p w m 技术在交流电动机变频调速系统中的 应用，并用m a t l a b 仿真技术对逆变部分进行了仿真实验。 本文在理论分析的基础上，设计了双p m 变频调速系统装置，包括主电路、 控制电路、采样及同步电路，并给出了设计方案。采用t i 公司的2 4 0 7d s p 芯片实 现p w m 整流器双闭环数字控制，并进行软件设计，得到了初步的结果。本文的成 果，为研究和开发双p w m 变频调速应用提供了实用价值。 关键词：双p 1 v m 变频调速； p w m 整流器； 电压型逆变器；s v p w m ；d s p 控制 三童三些奎茎三兰堡兰兰堡篁圣 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e mo fm i c r o c o m p u t e rc o n t r 0 1t e c h n o l o g ya i l dp o w e re l e c t r i c d e v i c e ，t h ea cm o t o tv 撕a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o i o g ya l s or e c e i v e c o n s i d e r a b l ep r o g r e s s ，a i l dp l a y sa i le x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o d u c t i o na n d l i f e a c d c a cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt r a d i t i o n a l d i o d er e c t m e rh a ss i m p l es t r u c t l l r ea r i dc a nb er e a l i z e di n t od i g i t a lc o n t r o l ，a n dt h i s s t r u c t u r ei sak i n do fg e n e r a l l ya d o p t e dc o n 0 1f o r n li nw h i c hm e d i u m t o - h i 曲g r a d e 行e q u e n c y c o n v e r t e r sa t p r e s e n t h o w e v e r ， e l e c t m m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n d h a r m o n i o u sw a v ep o l l u t ew h i c hc a u s e db yc u r r e n td i s t o r t i o ni nu n c o n t r o l l a b l e r e c t m e rh a v eb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mi n c r e a s i n g i m d u a l p w mv a r i a b l en q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw h i c hb ep u tf o r w a r di n t h i s p 印e r i sb a s e do na c d c - a cc o n f i g u r a t j o n t h es y s t e ma d o p t sp w m c o m r o l l a b l er e c t i f i e li th a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha si t sa c - s i d ec u r r e n t l l k e s i n e w a v ea p p m x i m a t e ly ，a c s i d ep o w e rf a c t o ri sc l o s et o1 ，q u i c k e rd y n a m i cr e s p o n s e ， b i d i r e c t i o n a lp o w e rt r a n s m i t ，a l l t h e s er e a l i z ee n e 曜y - c o n s e r v a t i o ns p e e dr e g u l a t i o n w i t hl l i 曲c o m b i n a t i o no f “g r e e ne n v i m n m e n t a lp r o t e c t i o n ”r e a l l y d u a l p v ，mv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mi n c l u d e sp w m r e c t i f i e r a n dp w m i n v e r t e r ；k e yt e c h n o l o g yl i e si np w m r e c t m e lt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f p w mr e c t m e ri si n 仃o d u c e di nd e t a i l i nt h ep 印e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do n s w i t c hf u n c t i o ni sp r o v i d e da n di n t r o d u c e sm er o t a t o r yc o o r d i n a t e ss y s t e mo nt h i s b a s i s ，a n dt h e np r o v i d e st h em a m e m a t i c a lm o d e iu n d e rt h er o t a t o r yc o o r d i n a t e s s y s t e mo ft w op h a s e e m p l o yf e e d f o r w a r dc o n t r 0 1t e c h n 0 1 0 9 y t h ep a p e rd e s i g n sp i r e g u l a t o rc o n t r o lo f c u r r e n tc l o s e d 一1 0 0 pa n dv 0 1 t a g ec l o s e d l o o p u s i n gp o w e re l e c t r i c t o o l b o xo f & r e db ym a t l a bt of l n i s ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tu n d e rs i m u l i n k e n v i r o m e ma n dt ov e r i 母s y s t e m a t i ce x a c 协e s sa n df e a s i b i l i t y i n 血er e s e a r c ho fv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t j o ns y s t e mo n i n v e r t e rs i d e ， 锄a l y z e sa n ds t u d i e s s e v e r a l c o n t r 0 1s c h e m e so na c m o t o r v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d i i 佗g u l a t i o nt h e o r e t i c a i l y ，k e y i nt h eu t i l i t yo fs v p w mt e c l l l l o l o g yi na c 。m o t o r v a r i a b l e 矗e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ，a n do f f ht h em a r l a b s i m u l a t i o nr e s u l t t ov e r i f ym ed e s i g no f t h i sp a r t t h ep a p e rd e s i g n st h ed u a l p w mv 撕a b l e 矗e q u e n c ys y s t e mo nm eb a s eo f t h e o r ya n a l y s i s t h es y s t e md e s i g ni n c l u d e sm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，s a f n p l i n g c i r c u i t ，a n dp r o v i d et h ed e s i g np r o j e c t t h ed e s i g n a d o p t s2 4 0 7 d s pc h i po ft i c o m p a n yt or e a l i z en 啪e r i c a lc o n t m lo fp w m r e c t m e rd o u b l ec l o s e d _ 1 0 0 p ，a f l dt o r e a l i z es o r w a r ed e s i g nt or e c e i v ep r e l i m i n a r yr e s u l t t h er e s e a r c hp r o d u c t i o no f 山i s p a p e rw i l l o 艉rp m c t i c a lv a l u et or e s e a r c h a 1 1 d d e v e l o pd u a l p w mv a r i a b l e f 沁q u e n c ys y s t e m k e vw o r d s ：d u a l 一p w mv 州a b i ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ；p w mr e c t 讯e r ；d s pc o n ”o l v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r ；s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 【i 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备广泛地应用于工农业生产、国防、 科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总电量的6 0 7 0 ，成为用电量 最多的电气设备。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中， 一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控 制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动 生产率和节约电能有着直接的决定性影响。电动机的调速从直流发电机一电动机 组调速、静止晶闸管整流器直流调速逐步发展到交流电动机变频调速。变频器成 为了交流电机控制的重要组成部分，它的优劣程度直接决定了交流电机的控制程 度和所达到的效果要求。“。 电力电子技术及计算机控制技术的发展为交流变频调速提供了良好的契机。 从早期广泛使用的半控型功率半导体开关器件发展到如今性能各异且类型诸多 的全控型功率开关器件，如双极型晶体管( b j t ) 、门极关断( g t 0 ) 晶闸管、绝缘栅 双极型晶体管( i g b t ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 、功率场效应晶体管( m 0 s f e t ) 以及场控晶闸管( m c t ) 等。而2 0 世纪9 0 年代发展起来的智能型功率模块( i p m ) 则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。d s p ( 数字信号处理器) 和a s i c ( 专 用集成电路) 的快速发展以及新颖控制理论和技术( 如磁场定向矢量控制、直接转 矩控制等) 的完善，使变频调速系统在调速范围、调速精度、动态响应、功率因 数、运行效率和使用方便等性能指标上接近直流调速系统，受到各行各业的欢迎， 并取得显著的经济效益3 “。 虽然各种变频调速系统的功能及控制方式不尽相同，但就同前来说，在较高 性能的变频调速系统中广泛采用的还是传统的交一直一交变频调速主电路，即整流 部分是不可控二极管整流或晶闸管相控整流。这种控制方式技术成熟，设计相对 简单，并且随着可控器件性能的不断发展，开关频率也有了很大提高，输出波形 非常接近正弦波。然而其弊端也日趋显露，主要表现为以下几点”“： 。东工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 恶化供电系统的供电质量，加在电源母线上的谐波电流会导致电源电压 畸变。在二极管整流侧，输入电流是非正弦的，因此电流的高次谐波注入电网； 在相控整流下，如果没有输入滤波器，输入电流的谐波含量将达到2 8 以上，严 重干扰附近的用电设备。 ( 2 ) 谐波电流及其产生的谐波电压导致系统中的控制、保护和测量装置误动 作，可能导致系统失误。喈波还会诱发系统的电气震荡及机械震荡，可能导致系 统中的某些部件因过流而损坏。 ( 3 ) 整流器处于深度相控工作时，电网侧功率因数低，与电网交换大量的无 功功率，降低了发电和输电设备的利用率，同时产生大量的附加损耗。 ( 4 ) 由于整流元件的单向导电性，功率因数只能从网侧到负载侧，使系统不 能在再生状态下运行，无法实现能量的再生利用。 在异步电动机变频调速系统中，当电动机减速或者所拖动的位能负载下放 时，电动机将处于再生发电制动状态。传统系统中所存储的机械能经异步电动机 转换成电能，通过逆变桥的功率器件回馈到直流侧。某些情况下，回馈电能比较 小，可以直接被直流侧吸收。然而，一旦再生电能过大，将导致直流侧过压，致 使功率开关元件损坏。当只，只。，0 1 时必须考虑再生电能的影响”1 。其中咒，为 电机最高速时的再生电能功率，只。为电机额定功率，否则会使变频器中的“制 动过电压保护”动作，或损坏变频器。因此大多数电压型交一直一交变频器这种拓 扑结构使得变频器不能直接用于需要快速起制动和频繁正反转的调速场合”。 要解决功率变换器的谐波污染问题“。，基本思路有两条：一是装设谐波补偿 装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对功率变换器本身进行 改造，使其不产生谐波，且功率因数近似为1 。在通用变频器中，要解决再生能 量的问题”，基本思路有三种：一是将能量耗散到“制动电阻”上；二是用并联 直流回路向多台逆变器供电；三是加装装置使能量回馈到电网。 要从根本上消除变频器的上述缺陷，实际中应用可以采用上面提到的几种方 案，但是加装装置势必会增加变频器的体积和复杂程度。随着电力电子器件不断 发展及控制芯片性能的不断提高，实现采用双p w m 的变频器已成为可能。所谓双 p w m 变频器即整流和逆变均采用i g b t 开关器件进行可控整流和逆变，逆变部分 在电机控制上已非常成熟，因此说整个系统的控制关键在于整流部分。通过p 1 】【m 整流控制，可以实现整流环节网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，且能实现 第一章绪论 能量的双向流动。电压型p w m 可逆整流器采用全控器件，器件工作在高频状态， 由于开关器件的开通和关断均是可控的，所以p w m 整流器的电流波形也是可控 的，其理想状态是交流输入电压和电流可保持同相位或反相位，此时网侧功率因 数近似为1 ，输入电流的谐波含量接近零，由于p w m 整流器采样直流输出电压， 因此还能对直流电压进行调整，在负载变化时，具有较快的响应速度，使直流输 出电压稳定在一定的设定值。因此说采用p w m 整流器取代传统交一直一交变频器中 不可控整流部分，不仅克服了上述传统变频器的缺点，还具有网侧电流为正弦波， 网侧功率因数近似为1 ，较快的动态响应，电能双向传输等诸多优点，实现了调 速节能和“绿色环保”的高度结合”。“。 1 2 国内外研究现状 双p w m 变频调速系统的关键技术一p w m 整流器研究始于2 0 世纪8 0 年代“”。，经 过二十余年的发展，技术已口益成熟，其拓扑结构己从单相、三相电路发展到多 相组合及多电平控制；主电路拓扑有电压型整流器( v s r ) ，电流型整流器( c s r ) ， 并且两者在工业上均成功地投入了应用，其中以电压型p w m 整流器结构简单、较 低的损耗、方便的控制等一系列优点，一直成为p w m 整流器技术研究的重点。就 应用来说“，在小功率方面，p w m 整流器主要用于通信电源，家用电器等；在中 等功率应用方面，p w m 整流器主要用于电气传动领域，即可以实现输入侧高功率 因数、减少直流电压波动，又可以使得能量回馈给电网；在大功率应用方面，p w m 整流器主要应用于灵活交流输电( f a c t s ) ，电力有源滤波器( a p f ) ，以及轻型直流 输电( l h v d c ) 等方面。 对于双p w m 变频调速系统的研究同样开始于2 0 世纪8 0 年代，k o h l m e i e r 等在 1 9 8 7 年研制出基于g t o 的高性能双p w m 变频系统”】，开关频率为1 5 k h z 以下。 b 1 a a b j e r g 等在1 9 9 3 年研制出基于i g b t 的双p w m 变频系统“，丌关频率4 8 k h z 。目 前来说，国外已有类似产品上市“，例如富士公司生产的r h c 系列双p w m 交流传动 系统，输入侧功率因数近似为1 ，可以高效率地进行能量再生，a 明公司生产的四 象限运行的交流调速系统，如a c s 6 a c s 6 1 7 ( 容量1 5 k w 1 1 2 m w ) 。 国内对于双p 1 v m 变频调速系统的研究起步较晚，但发展比较迅速，目前其研 究仅处于实验室阶段，还没有可靠产品生产的报道。同时，国外的此类装置价格 昂贵，有的对电网的要求比较高，应用起来不方便。 广东工业大学 二学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容 本课题研究异步电动机双p w m 变频凋速系统，拟分成两个部分进行，一是p w m 整流部分，二是p w m 逆变部分，其中p w m 整流部分采用的是电压型整流器( v s r ) ， 是本文的研究重点。p w m 逆变部分即电机控制理论上采用转子磁链定向的矢量控 制方式，控制对象为交流异步电动机。主要工作如下： 1 分析三相电压型p _ l v m 整流器的结构、工作原理，详细推导在三种坐标系 下的数学模型，并给予比较分析，选出适用于控制的数学模型。并在分析的基础 上给予m a t 【。a b 仿真实验予以验证。 2 分析三相电压型p w m 逆变器的基本结构，变频调速的基本原理及交流异 步电动机矢量控制的基本原理。 3 就p w m 整流器和p w m 逆变器通用的电压空间矢量( s v p w m ) 控制技术进行了 详尽的理论分析、数学描述、软件设计的比较等，并进行m a t 【。a b 仿真实验予以验 证。 4 构建基于t i 公司t m s 3 2 0 c 2 ( ) o o 系列的d s p 为控制核心的全数字双p w m 变频 调速系统，包括主电路、控制电路及采样电路的设计。 5 用d s p 汇编语言来实现双p w m 变频器的软件设计。 6 对双p w m 变频调速系统的波形实测及实验分析。 4 第二章艰p w m 变频调速系统 第二章双p w m 变频调速系统 在传统的交一直一交变频调速系统中，用可控整流取代传统的二极管不可控整 流，即整流器和逆变器均采用p w m 技术，因此称为双p _ l v m 变频调速，有些资料中 形象的称其为“背靠背”系统”。采用双p _ l v m 方式不仅可以提高功率因数，减 少谐波污染，更能提供电动机的四象限运行，克服了不可控整流器能量传输不可 逆，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容威胁变频器安全工作等缺点。 文中所提到的双p w m 变频调速系统均是以交一直一交为基本结构，因其结构较为简 单，从而得到更多的关注。为方便，将整流部分称为p w m 整流器，逆变部分称为 p w m 逆变器。 2 1 双p 咖变频调速系统结构及特点 双p w m 变频调速系统区别于传统变频调速装置仅仅在于：用p w m 整流器替换 不可控整流器，这样，无须增加任何附加电路就能实现变频器再生能量向电网的 回馈。主电路拓扑结构如图2 一l 所示，为方便起见，将整个系统分成交流电网侧、 p w f 整流器、直流侧、p w m 逆变器和交流电动机侧。 图21 交一直一交电压型双p w m 变频调速系统 f i g 2 - la c d c a cv o l t a g es o u r c ed u a l p w ms y s t e m 采用p w m 整流技术，它直接对整流桥上各功率丌关元件进行控制，使得输入 电流接近正弦波，其相位与电源电压相位相同。这样，输入电流中就只含与开关 频率有关的高次谐波，这些谐波次数高，容易滤除，同时也使功率因数接近1 ， 广东工业大学t 学硕十学位论文 减少对电网的公害。双p 1 v m 具有输入电压、电流频率固定，波形均为近似正弦， 功率因数接近l ，输出电压、电流频率可变，电流波形也近似为正弦的特点。这 种变频器可实现四象限运行，从而达到能量的双向传送。 2 1 1 电网侧任意功率因数控制 p w m 整流器可以实现电网侧任意功率因数控制，起到功率补偿作用，相当于 采用全控器件的静止无功发生器”1 ( s v g ) 。一般情况下，p w m 整流器目的就是为 了实现高功率因数，因此只需采用单位功率因数的控制方式。虽然采用二极管整 流通过补偿装置一样可以提高功率因数，但在谐波上，p w l 整流器要远小于二极 管整流。 2 1 2 再生能量回馈 在变频调速过程中，当电动机处于减速运行时，由于负载惯性作用进入发电 状态，此时交流电动机的再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间直流 环节的储能电容充电，使电容器两端电压升高，此时p w m 整流器的开关元件在 p w m 控制下，将能量回馈到交流电网，完成能量的双向流动。因此交流电网侧和 直流电压侧的能量可以在任意时间瞬时流动。采用二极管整流电路时，通常在直 流侧加装制动器，通过将回馈的能量转换成热能消耗掉，而这同时又要为系统配 置散热装置，增加了成本和体积。总的说，在处理再生能量方面，双p w m 变频调 速系统还是具有一定性价比，并且不会对直流侧电容施加太大的电压应力。 2 1 3 直流侧电压可控 双p w m 变频调速系统中的直流电压是可以控制，并且受电机负载和电网侧交 流电压影响小。p w m 整流器的控制类似于d c d c 的b o o s t 升压电路，交流侧电感构 成了b o o s t 电路的必须器件”“。双p w m 变频调速系统正常工作，必须至少要求直流 侧电压等于相间电压的峰值，实际应用中略取大于。在正常情况下，p w m 整流器 直流侧可以承担短期的电流脉冲，相对于二极管整流电路来说，直流侧电容就可 以取的较小，节约了成本和减少了系统体积。 第二章双p w m 变频调速系统 2 2 电力半导体器件的选用 双p m 变频调速系统中，p _ l v m 整流器需要采用开关器件进行控制，要求开关 器件能在瞬间关断和导通。电力半导体器件有很多种，就目前比较常用的功率场 效应晶体管( m o s f e t ) 及绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 来说，其各有优缺点。功率场效 应晶体管( m o s f e t ) 适用于低功率低电压场合，具有开关频率高( 可达5 0 0 k h z 以 上) ，驱动电路简单等特点，但对电压的依赖性很高，容易引起静电击穿，当器 件接有电机负载，在起动和停止时，可能产生过电流而烧坏开关管或可能产生过 压而击穿开关管子”。因此，对过压和过电流都应有适当的保护措施。 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 出现于2 0 世纪8 0 年代，是电力m o s f e t 工艺基础 上的产物，它兼有m o s f e t 高输入阻抗、高速特性和双极晶体管b j t ( g t r ) 大电流 密度特性优点的混合器件。i g b t 在6 0 0 1 8 0 0 v 范围内的通态压降比类似额定电 压的m o s f f t 通态压降小得多。由t g b t 组成的变频器噪声低，具有较高的工作频 率、稳定的开关安全工作区及简单的驱动电路。中小型功率的变频器多采用i g b t 作为丌关电路。 随着生产工艺的不断进步，2 0 世纪9 0 年代出现的智能电力模块器件( i p m ) 将i g b t 开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是 电力集成电路p i c 的一种。其主要具有以下几个特点。“i ： ( 1 ) 模块内集成了电流传感器，可以检测过电流及短路电流，不需要以往电 流检测用的电流互感器，为减低成本、实现小型化打下基础。 ( 2 ) 驱动回路与保护回路等均做到了集成化，大幅度缩短了设计与开发时 问。 ( 3 ) 智能模块内带有过流、短路、电源电压不足、过热等保护功能。当某种 保护功能动作时，智能模块可以自动封锁内部丌关器件的驱动信号并向外部输出 告警信号，以保证安全使用。 ( 4 ) 故障情况下的自保护功能，降低了器件在开发和使用中过载情况下的损 坏机会。不需要实施以往m o s 系列功率模块的防静电措施，操作非常方便。 综上所述，i p m 模块降低了生产厂家的设计、开发和制造上的成本，与i g b t 相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，使设计和开发变的简单。本课题 采用两个六合一的i p m 模块3 作为主电路的开关器件，其中一块用于p w m 整流， 广东工业大学工学硕+ 学位论文 另一块用于交流电动机变频调速。 2 3 传感器及控制芯片 要实现双p w m 变频调速系统的功能，就必须对一些需要的信号进行检测，从 而实现控制。p 1 1 m 整流器的控制，需要两个电流传感器及一个电压传感器，采集 交流侧输入两相电流量及p w m 整流器输出直流侧电压量，实现单位功率因数和直 流电压的跟随性控制；交流电动机变频调速部分同样需要采集逆变后输出的三相 电流量来进行闭环控制，需要两个电流传感器；电机部分加装增量式编码器来检 测电机的位置速度实现矢量控制，当然，也可以采用无速度传感器的控制方法。 因此说电流传感器、电压传感器、速度传感器在双p w m 变频调速系统中是必不可 少的检测器件，其性能的好坏直接影响到控制算法的实现。 随着计算机技术的不断发展，单片机技术，特别是以数字信号处理器d s p 为 控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用及大规模集成电路的应用，促使 交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。因此采用d s p 控制的交 流调速系统具有可以减少成本、缩小体积、控制实时性等特点。本文拟采用美国 德州仪器公司( t i ) t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 芯片“5 来完成系统的设计。 2 4 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 控制 在图2 一l 所示的双p w m 变频调速系统中，p 1 v m 整流器的结构图与p w m 逆变器 相同，若从p w m 整流器a ，b ，c 向交流侧看去，可以把三个电感和电网输入看作 一个三相交流电机模型，即类似于三相交流电机矢量控制，因此可以采用s v p w m 控制方式“。两部分p 1 v m 的控制均采用s v p w m ，既简化了整体的设计，又提高了 电压利用率和减少了电动机的转矩脉动。这里有必要在分别介绍p w m 整流器和 p w m 逆变器前，对共用的s v p w m 控制方式的原理进行介绍。 2 4 1 电压空间矢量脉宽调制基本原理 取出双p w m 变频调速系统的p w m 逆变部分为例进行分析，其拓扑结构如图2 2 所示，这是一个典型三相电压型逆变器。 第二章双p w m 变频调速系统 u d 。 图2 2 三相电压型逆变器 f i g 2 2t h r e e - p h a s ev o i t a g es o u r c ep w mc o n v e r t e r 从图2 2 看出，三相电压源逆变器同样由六个功率开关器件组成，为避免上、 下桥臂同时导通致使出现短路现象，因此同一桥臂的上下开关状态是互补的( 图 中已经标出) ，即同一桥臂上开关导通则下开关必须关断，并且将这个状态记为j ， 同理，将同一桥臂上开关关断而f 开关导通记为状态0 。三个桥臂不同开关状态 组合给出的八个基本电压空间矢量可表示为：“0 0 0 ”、“1 0 0 ”、“1 1 0 ”、“0 1 0 ”、“叭l ”、 “0 0 1 ”、“1 0 1 ”、“1 1 1 ”，其中“o o o ”、“1 1 1 ”为零矢量。它们在空间的分布关系 如图2 3 所示，两个零矢量位于中心，六个非零电压空问矢量相隔6 0 。构成六个扇 区。 v 3 ( 0 1 0 ) v 2 ( 1 1 0 ) 图2 3 电压空间矢量分布图 f i g 2 3d i s t r i b u t i o no f v o l t a g es p a c ev e c t o r 根据八种开关模式，可以推导出逆变器输出线电压矢量 u 。u ，u 。 7 与 开关状态矢量 s 。s ，s 。 1 的关系式如下： 广东工业大学工学硕士学位论文 彭三 = u 。三。j 1 i i c z - ， 逆变器输出相电压矢量 u 。u 。u 。 7 与开关状态矢量 s 。s ，s 。y 的关系 讣扛雕滩i z ， 式中的u 。为p 1 v m 整流器的直流输出电压，& ( t = “，v ，w ) 为同一桥臂上下开 t a b l e 2 一lt h ec o n n e c t i o nb e t w e e np h a s ev 0 1 t a g ea n di i n ev o i t a g ea n ds w i t c hs 诅t e s 。s 。 s 。 u 。u 。u 。虬。u 删u 。k 0ooooooo o 100 2 u m 3一 ，出3 一uk 坞 u o u 女k 11ou d ：怒 u d ：船一2 ，出3 o u 女一u 女 01o u k 如2 【，出32 ，出3u 出u 女 o 圪 o11 2 【，出3u k 您 u d ：坞一u 出 o u 圪 0o1 一uk 沿 一u k 32 【，女3 0 一u 出 u d c l01 u k 32 u 女3 u d ：忍u 出一u 女 0 l1100oo00k 2 4 2 电压空间矢量脉宽调制的坐标变换 双p w m 变频调速系统涉及到p w m 整流和p w m 逆变的控制，而其中的控制算法最 重要的一个部分就是坐标变换。以控制电动机为例，电动机内的磁场是由定子、 转子三相绕组的磁势产生的，根据电动机旋转磁场理论可知，向对称的三相绕组 中通以对称的三相正弦电流时，就会产生合成磁场，它是一个在空间以。速度旋 第二章双p w m 变频调速系统 转的空间矢量。如果用磁势或电流矢量来描述三相磁场、两相磁场和旋转直流磁 场，并对它们进行坐标变换，即称为矢量坐标变换。以s v p w m 控制算法涉及的由 三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的变换进行讨论，以电动机为对象，变换 原则采用的是等功率变换”8 ”1 ，p w m 整流部分采用的s v p w m 控制算法与此相同。 如图24 所示为三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量”，为方便起见 取三相坐标系的a 轴和两相坐标系的n 轴重合。设三相绕组每相有效匝数为n 3 ， 两相绕组每相有效匝数为n 2 ，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积。 c 图2 4 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 f i g 2 4t h es p a c ev e c t o rb e t w e e nt h r e e p h a s ev o l t a g ea n dt 、v o - p h a s ev o l t a g ea n d w i n d l n gm a g n e t o - m o t i v ep o t e n i i a l 设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相磁动势相等时，两套绕 组瞬时磁动势在n 、b 轴上的投影都是相等的，因此有 麓；：等z 等盖? 纛：篇辇：嘉3 2 旷) c z 。， 2 如= o + 3 s i n l 2 0 。+ 3 f cs i n 卜1 2 0 。) 计算后写成矩阵形式，得 转换矩阵 l一三一1 22 。以压u 22 1一三一三 2 2 o 鱼一鱼 2 2 ( 2 4 ) 不是方阵，因此不能求逆阵。所以需要引进一个独 立于f 。和f 。的新变量f 0 ，称它为零轴电流。零轴是同时垂直于n 轴和b 轴的一个 广东工业大学工学硕上学位论文 轴，由此形成o 、b 、0 轴坐标系。定义 2 f o = 剧3 + 心7 3 f 口+ 剧3 f c 式中，k 为待定系数，将式( 2 4 ) 与式( 2 5 ) 组合改写成 令 因此 其转置矩阵为 f n b i o 3 2 c 一：堕 n 、 c ：坐 3 ， c ，：坐 3 ， 0 l l 22 矗托 22 kk 1一! 1 22 。鱼鱼 22 kkk lo 上 一 2 世 131 2 2 2 k 1 3 l 222 k 1 一三 一三 。笪一鱼 22 111 2 k2 k2 j k 匿 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 隧 眨 2 第二章双p w m 变频调速系统 c = 掴一吉雩击 l ， 。 击 1压1 ( 2 1 1 ) 因此遵循功率不变变换原则的三相坐标系向两相直角坐标系的变换式为 2 4 3 电压空间矢量脉宽调制合成原理 l 2 压 2 1 互 ( 2 1 2 ) 电压空间矢量脉宽调制的合成在p w m 整流部分和p m 逆变部分原理上是一致 的，不同的在于p w m 逆变部分以电动机为控制对象，控制开关目的是得到圆形的 旋转磁场，而p w m 整流部分虽然不以电动机为对象，但同样需要电压空间矢量合 成一个圆形，因此说这两部分合成原理是相同的。 仍以p _ l v m 逆变器为例，从图23 可以看出在一个周期内逆变器的工作状态只切 换了六次，如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六 边形的旋转磁场( 如图2 3 虚线所示) ，这显然不像在正弦波供电时所产生的圆形 旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。所以说要想获得更多边形或逼近圆形的 旋转磁场，就必须在每一个6 0 。期间内出现多个工作状态，也即提高开关频率以 形成更多的相位不同的电压空间矢量。关于如何控制开关切换时间才能逼近圆形 旋转磁场，国内外已提出过诸如线形组合法、三段逼近法、比较判断法等”。本 文应用线性组合法，在这里简单介绍线性组合法。 图2 5 表示由电压矢量k 和k 的线性组合构成新的电压矢量k 。 。：压一：。压 。 o 上压 ，l图叫l = 0 0 k 广东工业大学工学硕士学位论文 v 2 ( 1 1 0 ) v l ( 1 0 0 ) f i g 2 5c o n s t r u c t i o no f v o l t a g es p a c ev e c t o r 设在一段换相周期正( 开关周期) 中，有一部分时间f 处于工作状态_ ，另一一 部分时间，z 处于工作状态心，可以用电压矢量号k 和等来表示，这两个矢量 之和虼表示两个矢量线性组合后的电压矢量，如式( 2 1 3 ) 所示， 号k + 2 ( 2 1 3 ) 一般情况下，t 应由旋转磁场所需的频率决定，e 与f + f ：未必相等，其间 隙时间采用零矢量、来填补，为了减少功率器件的开关次数，和各占 一半时间。因此有 f f l + r 2 + = t ，。= r ，= 吉( t 一，一，：) 2 1 4 如图2 5 ，令k 和儿之间的夹角为o ，由正弦定律算得 2 石s i n 曰 s l n ( 2 1 5 ) 据等功率变换原则，得出的阢| = 1 l = 豸【，。，联立式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 得出 圳一 卜m 删。仁一目 l j r 2 = m t s i n 曰 ( 2 1 6 ) f o 7 = t 一，i f 2 式中m 为s v p w f 调制系数，且有 川= 2 u 。i k i ( 2 1 7 ) 由式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 即可得出在一个开关周期内各电压矢量的合成时间，但 在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状 态顺序必须遵守原则：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足 最小开关损耗。 2 5 本章小结 本章介绍了双p w m 变频调速系统的基本结构及其工作原理，按照结构将其分 成两个主要部分：p w m 整流器和p w m 逆变器。针对双p w m 变频调速系统的主要优 点，从单位功率因数、能量回馈及直流电压三个方面给予介绍并分析其工作原理， 这也是双p w m 变频调速系统技术关键所在。提出构成双p w m 变频调速系统必须使 用的主要部件：智能电力模块器件( i p m ) 、电流传感器、电压传感器、增量式编 码器以及控制j 占片d s p 。通过介绍，整体了解双p w m 变频调速系统的工作原理与 组成结构，为后面的硬件设计打下基础，此外还对s v p w m 技术的原理、坐标变换、 矢量合成方式等进行了推导和比较，为系统的软件设计打下基础。 广东工业大学工学颁士学位论文 第三章电压型p w m 整流器理论分析与研究 双p w m 变频调速系统中p w m 整流器在整个系统起到重要作用，本章对其工作 原理进行详细的深入研究。 随着技术的发展，已有多种形式的p w m 整流器。按最基本的分类方法就是 将p w m 整流器分成电压型和电流型两大类。目前，电压型p w m 整流器( 简称v s r ) 在实际应用较多，其常见的拓扑结构有：单相v s r 、三相v s r 、三电平v s r 和基 于软开关调制的v s r 。单相v s r 全桥结构较为简单且不失一般性，这里先以其为 例说明电压型p w m 整流器的工作原理，然后再进一步研究三相电压型p w m 整流器。 3 1 单相全桥电压型p w m 整流器基本原理 单相全桥电压型p w m 整流器拓扑结构如图3 一l 所示，结构由交流回路、功率开 关管桥路以及直流回路组成。为讨论方便假设开关频率足够大，电源内阻及电感 电阻均忽略。交流回路包括交流电压以及网侧电感等，电感在这里起到传递能量、 限制谐波电流和平衡电网电压与桥臂终端电压的关系等作用；直流回路包括直流 电容、负载等，其中电容为高次谐波电流提供低阻抗通路。 u s 图3 1 单相全桥电压型p w m 整流器拓扑结构图 f i g 3 一lc o n 秆g u r a t i o no f s j n g l e - p h a s ev o l t a g es o u r c ep w mr e c t i f i e r 与单相全桥逆变器的工作原理类似，按照正弦信号波和三角波相比较的方法 对图3 1 的v t 。v t 。进行控制，在桥的交流输入端a b 产生输出波“。，“。含有和 正弦信号同频率且幅值成正比的基波分量，以及和三角波有关的频率很高的谐 波，而不含低次谐波。由于电感l 的滤波作用，高次谐波电压只会使交流电流f 。产 第三章电压型p w m 整流器理论分析与研究 生很小的脉动，可以忽略不计。在交流电源电压“。一定的情况下，f ，的幅值和 相位仅由“。中基波分