（检测技术与自动化装置专业论文）三相逆变器pwm实现方法研究.pdf

摘要摘要采用p w m 技术的三相逆变器由于其优越的性能，在调速传动、高精度电源和电能质量控制等领域均被广泛地应用。传统的三相逆变器p w m 实现方法有多种，但是都存在通用性差、不易扩展的缺点，寻求通用、经济、灵活的三相逆变器p w m 实现方法能更好地满足实际应用的需求。本文以三相逆变器p w m 实现方法为研究内容，提出了采用d s p + c p l d 完成三相逆变器p w m 控制系统的方案。给出了具体的软硬件设计方法。选用c 语言在高性能d s p 芯片中完成各种p w m算法编程。文中详细阐述了两电平和三电平的s v p w m 算法原理，侧重于编程实现对它们进行了具体分析。同时对多种两电平p w m算法进行了归纳与推导，得出了一种通用p w m 算法，在编程实现时，只需要修改部分参数，即可以得到一组p w m 算法的实现。系统选用c p l d 通过v h d l 语言完成三相两电平p w m 脉冲发生器设计。并根据c p l d 积木式结构特点，将6 路输出的三相两电平p w m 脉冲发生器扩展到1 2 路输出的三电平子谐波p w m 脉冲发生器和2 4 路输出的五电平载波移相p w m 脉冲发生器。在相关软件中的时序仿真验证该设计的正确性，将d s p 与c p l d 连接起来在硬件电路板上进行的调试试验中，用示波器观测到的波形结果也验证该设计的正确性。关键词：三相逆变器拓扑结构p w m脉冲发生器d s pc p l d摘要s t u d yo np w mr e a l i z a t i o nm e t h o df o rt h r e e - p h a s ei n v e r t e ra b s t r a c tn 鹏e - p h a s ei n v e n e ru s i n gp w mt e c l l i l o l o g yi s 印p l i e dw i d e l yi nt 1 1 em a n yi n d u s 廿yf i e l d s ，s u c ha sm o t o rc o m r o l ，u p s ，e l e c t r o n i cp o w e rq u a l i t yc o n 们lt e c h n i q u ea n ds oo n ，f o ri t se x c e l l e n tp e r f o m l a n c e t h e r ea r es e v e r a lt r a m t i o np w mr - e a l i z a t i o nm 甜l o d sf o rm e e p h a s ei n v e n e r ，b m 廿l e ya l s oh a v e 也ed i s a d v a n t a g e so fe x c l u s i v ea 1 1 dn o tn e x i b l e h u n t m gf o rm em e t h o dw i mc h a r a c t e r so fn e x i b l e ，e c o n o m i c a l ，g e n e r a lp u 印o s ea n de a s yt oe x t e n di si m p o r t a n tt om e e tm en e e do f 印p l i c a t i o n f o c u s i n go np 、mr e a l i z a t i o nm e t l l o df o rt h r e e _ p h a s ei n v e n e r ，ap w mr e a j i z a t i o ns c h e m ew h i c hu s ed s pa f l dc p l dc h j p st or e a l i z em ec o n 仃o ls y s t 锄i sp r o p o s e d s o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi sd i s c u s s e dmd e t a i l a 儿a l g o r i t h i n sa r ei m p l e m e n t e du s i n gcl a n g u a g ei nd s pc h i p f o c u s i n go nr e a l i 刎o nm o u 曲p m g m m ，t w o - l e v e la 1 1 dm r e e l e v e ls v p w mt h e o r ya r ee x p o u n d e di nt h i st h e s i s a tm es a m et i m e ，ag e n e r a lp w ma l g o r i t l l r r lm a tc a i li 1 1 d u c es e v e r a lp w ma l g o r i t l l m si np r o g r a mr e a l i z a t i o nb yc h a n 西n gaf e wp 籼e t e r si ss a r i z e d i nm es y s t e m ，觚o - l e v e lp w ms i 印a lg e n e r a t o rw 曲s i xp w ms i g n a lo u t p u tc h a i l l l e l si sr e a l i z e du s i n g 仍ll a n g u a g ea n dc p l dc h i p t a k i n ga d v a l l t a g eo fc p l dc h i p sc h a r a c t e r s ，也eg e n e m t o ri se x t e n d e dt o 恤e e - l e v e ls u bh a h n o n i cp w ms i 印a lg e n e r a t o rw i t h 柳e l v ep w ms i g n a lo u t p u tc h 砌僵e l s f i v e l e v e lc a r r i e rp h a s es h i f 【i n gp w ms i g l l a lg e n e ra _ t o rw i m 栅e n 哆f o u rp w ms i g n a lo u t p u tc h a n n e l sc a nb eo b t a i l l e di nt 圭1 es a i i l ew a y t h ec o i 他c t l l e s sa n df e a s i b i l i t yo f 廿l ep r o p o s a la r ev e r i f i e db yt 1 1 er e s u l t so fs i m u l a t i o nb a s e do ns o r 、v a r ee n v i “m m e m o n 廿1 eo n h e rh a n d m ef a c tc a na l s ob ep m v e db y 廿1 ew a v e f o n n so b s e e db yo s c i l l o g r 印h k e yw o r d s ：t 1 1 r e e p h a s ei n v e n e r ；c i r c u i t t o p o l o g y ；p w m ；p u l s eg e n e m t o r ；d s p ：c p l d儿独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：。p 清每p 。年了其”b学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定，即：我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密0 ，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密a 。( 请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：删年f 月f ，日指导教师签名：文。、以) 伊6 年捐f i ，日第1 章概述第1 章概述1 1p w m 技术的发展与应用1 1 1p w m 技术的发展概况脉宽调制( p u l s ew i d mm o d u l a t i o n 缩写为p w m ) 是用一种参考波( 通常是正弦波，有时也用梯形波或方波等) 为“调制波”( m o d u l a t i n gw a v e ) ，而以n 倍于调制波频率的正三角波( 有时也用锯齿波) 为“载波”( c a r r i e rw a v e ) 相交进行比较得出控制脉冲序列的一门技术【1 。1 。由于正三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波。进而用开关量取代模拟量、并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦波函数规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制( s p w m ) 技术。1 9 6 3 年，f g t l 啪b u l l 提出了消除特定谐波法；1 9 6 4 年，a s c h o n u n g和h s t e m 脚l e r 把通讯系统的调制技术应用到交流传动逆变器中，产生了s ，w m 技术，英国b r i s t o l 大学的s r b o w e s 于1 9 7 5 年进行了推广和应用，使s p w m 调制技术成为广泛关注的热点。后来，b o 骗吧s 又相继提出了全数字化s p w m 方案，规则采样数字化p w m 方案及准优化p w m ( s u b o p t i m a lp w m ) 技术，以提高直流电压利用率。1 9 8 3 年，j h o l 乜等又提出了空间矢量p w m 技术，该技术从用于异步电动机的角度出发，直接采用以电动机磁链圆形轨迹为目的的控制方法，因而使用起来更直观，更方便。以t 1 心b l l u 的消除特定谐波法为基础，出现了求最大或最小值的优化p w m 概念，由此于1 9 7 7 1 9 8 6 年，g s b u j a ，f c z a c k 和k i g u c i l i等提出了电流谐波畸变率( t h d ) 最小、效率最优及转矩脉动最小的最优p w m 法。由于这些方法具有电压利用率高，开关次数少，可以实现特定第l 章概述优化目的等优点，所以人们直在进行这方面的研究。随着微处理器运算速度的不断提高，j s u n 等于1 9 9 4 年提出了实时完成优化p w m 方案。此外，a b p l u n k e t 于1 9 8 0 年提出的电流滞环比较p w m 技术，以及在此基础上发展起来的全数字化无差拍控制( d e a d b e a tc o n 们1 ) p w m 技术，都具有实现简单的特点。为了消除噪声，1 9 9 3 1 9 9 4 年，由a m t r z v n a d l o w s k v ，v g a g e l i d i s 等提出了随机p w m 法，它是从改变谐波的频谱分布入手，使谐波均匀分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。最近几年，微处理器应用于p w m 技术和实现数字化控制以后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的p w m 方法不断出现【1 1 。目前用于逆变器中的p w m 技术的研究发展主要集中在4 个方面：( 1 ) 如何提高逆变器直流侧电压利用率；( 2 ) 在输出基波电压不变的前提下，如何尽可能消除谐波；( 3 ) 如何改善控制性能；( 4 ) 如何改变谐波频谱分布。在实现方法上最初的p w m 需要专门的脉宽调制电路来产生，多采用模拟电路输出脉宽调制所需要的载波信号和调制波信号，然后再利用比较器来控制p w m 波的开关时刻，其输出效率、波形质量以及系统可靠性都很低，且成本很高。随着计算机技术的发展，尤其是嵌入式控制技术的发展，人们开始利用微处理器内部的定时器和i o 端口来输出p w m 波，实际上是种利用软件进行脉宽调制的方法，这种方式虽然可以提高p w m波的质量，但其p w m 波占空比和频率的调节很不方便，尤其是这种方式极其耗费c p u 的资源，微处理器除了输出p w m 波，几乎不能再处理任何事情了。采用c p l d 实现的全数字p w m 技术是近几年发展起来的一种新技术，其p w m 波的控制非常方便，波形质量好，可靠性也很高【4 _ 7 1 。用户只需要通过对几个寄存器值进行设置和修改，就可以控制多达几十路的p w m 波，不需要任何外围的反馈电路或调制电路，这种方式还不占用c p u的任何资源，由于其集成于处理器的内部，成本也很低廉，应用前景很被看好。第l 章概述1 1 2p w m 技术的应用p w m 技术可以用于电压型逆变器，也可以用于电流型逆变器，它对逆变技术的发展起了巨大的推动作用。它具有以下显著优点：( 1 ) 电路简单，只用一个功率控制级就可以调节电压和频率。( 2 ) 可以使用不可控整流桥，使系统对电网的功率因数与逆变器输出电压值无关。( 3 1 可以同时进行调频、调压，与中间直流环节的元件参数无关，系统的动态响应速度快。( 4 ) 可以获得更好的波形改善效果。正是由于这些优点，使p w m 技术在当今逆变器控制领域占据了绝对的主导地位。近年来，采用p w m 技术的逆变器主要用在三类工业功率控制装置中：( 1 ) 用于调速传动装置中，尤其广泛用于交流调速系统中【2 】。采用了脉宽调制技术控制逆变器后，使交流拖动系统实现了高调速比的平滑无级调速，出现了交流调速传动系统与直流调速传动系统相媲美、相抗衡的时代，出现了前者取代后者的趋势。( 2 ) 用于三相高精度电源中，特别是用在不间断电源( u p s ) 中，采用脉宽调制技术控制逆变器后，为精密仪器、计算机系统等提供了一种高可靠性的稳频、稳压和正弦波输出的无瞬间停屯电源。在屯网停电时，它依靠装置内已充电的蓄电池供电，在装置内进行直流一交流变换，继续向负载提供电能，不停电时间取决于装置内的电池容量和负载功率。( 3 ) 用于电力系统电能质量控制，如静止无功补偿( s v g ) 、有源电力滤波( a p f ) 、统一潮流控制( u p f c ) 、超导储能( s m e s ) 、高压直流输电c ) 、新型u p s 及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。1 2c p l d 的特点及其在逆变技术中的应用任何一类的c p l d 均是由大量的门和触发器组合在一起的积木式结构第1 章概述芯片【8 9 】。其应用是把一个复杂的数字控制电路全部设计到一个芯片中，从而实现系统的高度集成化和高可靠性。几乎所有应用门阵列、逻辑器件和中小规模通用数字集成电路的场合均可以应用c p l d 器件实现。上至高性能c p u ，下至简单的7 4 系列电路，都可以用c p l d 来实现。c p u ) 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以利用c p l d 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用c p l d 来开发数字电路，可以大大缩短设计时问，减少p c b 面积，提高系统的可靠性。c p l d 的主要特点如下：( 1 ) 速度快。虽然不同公司不同系列的c p l d 的速度各不相同，但其运行的时钟均可达几十z 甚至几百多瑚z ，己远大于d s p 和各类的微控制器。现在已有1 g h z 的产品问世。f 2 ) 规模大。目前市场上c p l d 的密度从几千系统门到2 3 百万系统门。在电机调速的控制系统设计过程中，可以把所有的电路在一片芯片中完成，减少p c b 的面积，提高系统可靠性。( 3 ) 灵活性大。由于c p l d 不仅对其内容可重复编程，对其i o 口也可以重新配置。这样，当发现现有的系统有缺陷或需要对系统进行升级时，有可能不需要改变p c b ，而只对c p l d 重新编程即可，从而减少成本，缩短开发周期。( 4 ) 设计开发简单。为了提高工作效率，c p l d 的开发软件中集成有不同的开发方式，以满足各种不同的电子工程师的需要，如原理图设计方法、a b e l 语言和 ) l 语言( 包括v m ) l 语言和v e r i l o g l 语言) 。目前，使用最广泛的是 ) l 语言，可大大降低硬件电路设计的难度，根据系统的行为和功能需求，“自上而下”地逐层进行设计描述、综合、优化、仿真与验证，直到完成整个器件的设计。另外，还可以利用各c p l d 公司提供的功能内核( i p 核) ，使设计更加快速和灵活。( 5 ) 由于c p l d 规模大、速度快，所以在c p l d 内可以实现各种复杂的功能，如3 2 位算法函数、流水线乘法等复杂逻辑，以及复杂的控制函数和第l 章概述高精度的速度调节等。逆变器是一种将直流电压变换成交流电压的装置。逆变器采用了脉宽调制技术后，其品质性能不仅有效地得到了改善和提高，同时还能将直流电压变换成电压和频率均可调节的交流电压。而采用c p l d 实现的全数字p w m 技术的出现，又给p w m 逆变技术的应用注入了新的生机，其灵活、方便和可靠的控制技术使得p w m 逆变技术的应用范围不断扩大。c p l d 的出现使得对逆变器控制部分的硬件电路进行软件化设计成为可能。为了节省开发时间，许多c p l 工) 公司开发并提供了各式各样的通用型“核”，如加法器、计算器、正弦函数等。针对在逆变系统中的应用，同样也可以设计相对应的功能模块核，如3 2 变换、旋转变换、p i d 控制器、空间矢量p w m 发生器，以及速度估算核等。相信随着c p l d 规模化的生产，价格的降低，以单片大规模c p l d 来实现逆变控制系统的方案很快将会在实际装置中出现。1 3 本文的背景及其主要内容概述本文的研究工作是湖北省科技厅2 0 0 3 年科技攻关计划项目双三点式静止无功发生器的研制课题的一部分，主要是进行三相逆变器的p w m 控制技术的实现方法研究【1 0 】。根据该装置对p w m 控制的实时性及其精度的要求，选用高性能的d s p ( 1 m s 3 2 0 v c 3 3 ) + c p l 肼p g a 来实现三相逆变器的p w m 控制。本文对三相逆变器p w m 控制的实现从算法到硬件和软件实现进行了一定的探讨，文章内容包括以下几个方面：( 1 ) 三相逆变器及p w m 技术：依据主电路结构对几种主要的三相逆变器及其优缺点进行了分类介绍。在详细阐述各种p w m 技术特点的基础上，着重对几种p w m 实现方法进行了对比分析。( 2 ) 算法分析：对两电平空间矢量p w m 算法进行分析，完成简单的两电平p w m 三相脉宽值的计算；对多种算法进行分析，总结归纳了一种通用算法，并在相关实验中对该算法进行了验证。同时对三电平空间矢量p w m 算第1 章概述法进行了分析。( 3 ) 在充分考虑到c p l d 的优点和成本的基础上，应用c p l d 和微控制器d s p 来构成一个p w m 控制系统。文中详细介绍了系统硬件电路及软件设计方法。利用c p l d 完成两电平p w m 脉冲发生器的设计，并且根据多电平p w m 的特点，对两电平p w m 脉冲发生器进行扩展，完成多电平p w m 脉冲发生器的设计。该设计可以制成一个专用的微处理器外设。第2 章三相逆变器及p w m 技术2 1 三相逆变器第2 章三相逆变器及p w m 技术依据不同的分类规则，逆变器有多种分类方式。根据直流环节直流电源性质的不同，可以分为电压源型和电流源型：根据相数又可以分为单相、三相和多相。本文后面提到的逆变器均指实际运用中应用最广泛的三相电压源型逆变器。另外根据逆变器的主电路结构又可以分为简单两电平逆变器、多电平逆变器和多重化逆变器。因为不同主电路结构的逆变器，在选择p w m 控制方法时将有所不同，所以本节主要讨论三相逆变器的主电路结构。2 1 1 三相两电平逆变器图2 1 为三相半桥拓扑结构，其交流侧采用三相对称的无中线连接方式给三相负载供电，采用6 个功率开关管，这是一种最常用的三相逆变器，也就是通常所谓的三相桥式逆变电路。当9 1 导通酗关断时，节点a 接于直流电源正端，v 。= v d 以；当酣导通g l 关断时，节点节点a 接于直流电源负端，v 。一v d 以。同理，b 和c 点也是根据上下管导通情况决定其电位的。每相输出相电压有两个电平，其它两相情况相同，因此这种结构的逆变器也称为三相两电平逆变器。图2 1 三相桥式逆变器第2 章三相逆变器及p w m 技术2 1 2 多电平逆变器多电平( 两电平以上) 逆变器按其电路拓扑结构又可以分为三类，二极管钳位型、飞跨电容型和h 桥单元级联型。在不同的应用场合，这三种结构的多电平逆变器各有不同的优势和缺点。和普通的两电平逆变器相比，三相多电平逆变器具有开关频率低、损耗小、e m i ( 电磁干扰) 小、谐波含量低和更适合高电压、大容量的场合的优点，因而在实际应用中越来越被重视【l l ，1 2 1 。1 二极管钳位型图2 2 所示为一个三相三电平二极管钳位型逆变器。在其直流侧含有2个电容，若直流侧的总电压为v d c ，每个电容上的电压为v d 以，并且通过钳位二极管的钳位作用，每个开关器件上的电压应为v d e 2 ，这样就可以相应刮爿尸d日。q 压争q 勘昏廨。q 避。耸。篷d 4 戢。q 戢。d 4 戢。负载图2 2 三电平二极管钳位型逆变器的提高逆变器合成的输出电压等级14 1 。输出线电压电平数n l ，电容个数n 。与相电压电平数n 。的关系为：n l = 2 n d l( 2 1 )n c 2 n 。l( 2 - 2 )二极管钳位型拓扑结构有下列优点：( 1 ) 减少逆变器输出电压的谐波含量，改善波形质量。f 2 ) 由于每相桥臂中间的开关管的导通时间远远大于两侧的开关管，因此，可以根据需要选择不同额定电流的功率元件，使成本进一步降低，玩：瓦以广l 辛d4一面水竺。第2 章三相逆变器及p w m 技术提高功率元件的利用率；( 3 ) 无需结构复杂的多绕组电源变压器而直接实现高电压、大功率输出，从而大大降低功率变换装置的体积和成本。二极管钳位型拓扑结构也存在如下缺点：( 1 ) 二极管钳位式功率变换电路传递有功功率时，直流侧电容电压有可能出现不平衡现象。电位发生变化不仅影响输出效果，而且使开关元件承受电压发生变化，因此必须采取一定措施保证其平衡；( 2 ) 二极管钳位解决了功率元件的均压问题，却引起钳位二极管自身承受电压不均匀问题。若采用多管串联等效时，二极管总数将有( n 。一1 ) ( n p 2 ) 个，当电平数目增高时，二极管数目很大，增加了实际系统的实现难度。近年来，因为钳位式三电平变流器结构简单，控制灵活，在无功补偿、大功率变频调速、大功率稳压电源和开关电源等方面均有较多的用途，是高压大功率场合中应用最广泛的一种。2 飞跨电容型飞跨电容型的拓扑结构如图2 - 3 所示。它的结构特点是用钳位电容取代二极管钳位型电路中的钳位二极管，其工作原理和二极管钳位电路基本一致，在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性。电容数n c 与相电压电平数i n 。的关系为：，= ，一1 + ( ，一1 ) ( p 一2 ) x 3 ，2( 2 - 3 )第2 章三相逆变器及p w m 技术图2 3 飞跨电容型电路结构飞跨电容型功率变换电路的优点在于：( 1 ) 在电压合成上，由多种开关组合来合成某一输出电平；( 2 ) 电源断电时，大容量电容器存储的能量可以作为电源提供额外控制；( 3 ) 能控制有功和无功功率流量，成为高压直流传输中可能的电压源变换器。而它的缺点在于：功率变换电路控制困难，有功功率流量转换的开关频率和开关损耗较高；当输出电平数很大时，需要的钳位电容数量大，封装困难，成本较高。由于这种结构引入了大量的悬浮电容，而且存在着电容电压平衡的问题。因此，难以实际应用。3 h 桥单元级联型单元级联型多电平逆变器电路结构如图2 4 所示，由h 型全桥逆变电路v “图2 4 单元级联型五电平逆变器电路结构输出线电压电平数n i 、相电压电平数- n 。与每相级联功率单元数n 。的关系为：n | _ 4 n s + l( 2 - 4 )n 口= 2 n s + l( 2 - 5 )这种拓扑结构的优点是：( 1 ) 对于相同电平数而言，h 桥单元级联型所用器件数量最少，装配简单。并且每一个功率单元结构相同，给模块化设计和制造带来方便；( 2 ) 每个功率逆变单元直流侧采用相互独立的直流电源，不存在电压第2 章三相逆变器及p w m 技术不平衡问题，易于实现p w m 控制；( 3 ) 系统可靠性高，若某一功率单元发生故障时可以被旁路掉，其它单元仍可以正常工作，不间断供电；( 4 ) 由于没有钳位二极管或钳位电容器的限制，这种结构的功率变换器输出电平数可以更多，在输出电压提高的同时，谐波含量更小；( 5 ) 由于每个h 桥都采用单相控制，直流电容在任意时刻都有交流电流通过，因此需要使用较大容量的直流电容。这种拓扑结构的缺点是：( 1 ) 采用三相市电( 5 0 h z ) 通过不控整流方式得到直流电源时，需要引入和高电压电网连接的曲折变压器。其一次绕组为高电压，二次绕组为多绕组输出的曲折变压器，体积庞大，成本很高；f 2 ) 由于采用不控整流桥，能量只能单向流动而不能回馈，功率变换电路无法四象限运行。总之，由于h 桥单元级联型拓扑结构容易采用低压功率开关器件实现多级电压串联，获得高电压、大容量输出，因此具有较大的实用价值。2 1 3 多重化逆变器电压型逆变器的多重化有两种连接方式：其一为串联多重联接方式，它是一种将变压器的输出绕组进行串联连接的方式，这种方式在电压型逆变器中是最常用的；其二为并联多重联接方式，它是把变压器输出绕组进行并联的连接方式【l 3 1 。每种连接方式根据直流侧电路构成又有直流侧串联和直流侧并联两种之分，所以组合起来一共有四种拓扑结构。由于把变压器输出绕组并联连接时可能出现由于电压波形的差值而产生环流。为此，对于电压型逆变器，一般多采用变压器输出绕组串联多重联接方式。n 个三相桥式逆变器的串联多重叠加如图2 5 所示，基本原理为：每个三相桥式逆变电路都按1 8 0 导电方式工作( 每周波中每个开关只通断一次) ，每个三相桥式逆变器输出线电压都是1 2 0 。度的方波，每个三相桥式逆变器的初相位角依次滞后兰，通过输出变压器把多个输出电压方波，第2 章三相逆变器及p w m 技术按照一定的相位差叠加起来，使它们所含的某些低次谐波互相抵消，就可以得到更接近于正弦波的合成多阶阶梯波。采用多重化复合结构的逆变器，是扩大逆变器输出容量的一个有效途径。特别是在需要高压输出( 或需要很大电流很低电压输出) 的应用场合，由于必须要有升压或降压器匹配直流输入电压和交流输出电压，使用复合结构逆变器是扩大逆变器输出容量最有效的技术措施【3 】。耋蔓盏丘釜三：酗( a ) 串联多重化( 直流侧并联)( b ) 串联多重化( 直流侧串联)2 2 p w m 控制技术本节依照上述逆变器的主电路结构分别对p w m 控制技术进行分类，由于多重化逆变器采用叠加方波得到阶梯波来逼近正弦波进行调制，不是本文的重点，因此只讨论两电平p w m 和多电平p w m 控制方法。2 2 1 两电平p w m 方法两电平p w m 控制方法，主要有以下7 种。1 等脉宽p w m ：等脉宽p w m 法是为了克服p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 法只能输出频率可调的方波电压而不能调压的缺点发展而来第2 章三相逆变器及p w m 技术的，是p w m 法中最为简单的一种。它是通过改变脉冲列的周期实现调频，改变脉冲的宽度或占空比实现调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于剧心法，该方法的优点是电路结构简单，提高了输入端的功率因数，但其不足之处是输出电压中包含较大的谐波分量。2 随机p w m ：该方法是为改善电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动而产生的。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声( 在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的) ，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在i g b t 已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机p w m 仍然有其特殊的价值。消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机p w m 技术，提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。3 s p w m f s i 肌s o i d a ip w m ) ：s p w m 法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的p w m 法。它是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 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即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：等面积法、硬件调制法、软件生成法。其中软件生成法又分为自然采样法和规则采样法，并且只适用于同步调制方式中。对s p w m 方法进行优化处理又有以下两种调制方法：( 1 ) 低次谐波消去法：低次谐波消去法是以消去p w m 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，祝( 国f ) = a 。s i n ( n 国f )( 2 6 )h = l - 3 5如式( 2 6 ) 所示。首先确定基波分量q 的值，再令两个不同的吒= o ，就可以建立三个方程，联立求解得q ，口，及吒，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。( 2 ) 谐波注入p w m ( p w m ) 法【i6 】：该方法的基本原理是在正弦波中加第2 章三相逆变器及p w m 技术入一定比例的三次谐波( 零序电压) 如图2 6 所示，调制信号呈马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率，而且可以优化器件图2 6 注入3 次谐波p w m 原理的开关频率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其它3 倍频于正弦波信号的其它零序分量，这些信号都不会影响线电压。这是因为，经过p w m 调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3 倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。4 梯形波与三角波比较法 l 7 】：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p w m 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。5 电流控制p w m ：其基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断时刻，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方法主要有以下3 种。f 1 ) 滞环比较法：这是一种带反馈的p w m 控制方式，即每相电流反馈值与电流给定值经滞环比较器，得出相应桥臂开关器件的开关状态，使第2 章三相逆变器及p w m 技术得实际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。( 2 ) 三角波比较法：该方法与s p w m 法中的三角波比较方式不同，这里是把指令电流与实际输出电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较，产生p w m 波。此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。但是，这种方式电流响应不如滞环比较法快。( 3 ) 预测电流控制法：该方法是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此，下一个调节周期由p w m 产生的电压矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准确的响应。目前，这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。6 空间电压矢量控制p w m ( s p a c ev e c t o rp w m 即s v p w m ) 1 9 倒：该方法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p w m 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1 5 ，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p w m 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。第2 章三相逆变器及p w m 技术7 谐振软开关p w m ：传统的p w m 逆变电路中，电力电子开关器件硬开关的工作方式，大的开关电压电流应力以及高的( t ) 和；( t ) 限制了开关器件工作频率的提高，而高频化是电力电子技术主要发展趋势之一，它能使变换器体积减小、重量减轻、成本下降、性能提高，特别当开关频率在1 8 l ( 王z 以上时，噪声将已超过人类听觉范围，使无噪声传动系统成为可能。谐振软开关p w m 的基本思想是在常规p w m 变换器拓扑的基础上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成。开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响p w m 技术的实现。从而既保持了p w m 技术的特点，又实现了软开关技术。但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗，并使电路受固有问题的影响，从而限制了该方法的应用。2 2 。2 多电平p w m 方法多电平p w m 方法可分为：载波p w m 和空间矢量p w m 两大类。1 载波p w m 技术1 2 3 2 8 】。它是应用最广的一类多电平p w m 方法，来源于两电平s p w m 技术。由于多电平逆变器特殊的电路结构，因此其载波p w m 技术又不同于两电平载波p w m 技术。多电平逆交器的载波和调制波都不止一个，每一个载波和调制波有多个控制自由度，这些自由度至少有频率、幅值和偏移量等。将这些自由度进行不同组合，可获得不同的载波p w m 方法。其中最具有代表性的主要有三种，即子谐波p w m 、开关频率优化p w m 和三角载波移相p w m 。( 1 ) 子谐波p 瑚( s u bh a n n o n i cp 、m 即s 船、 ，m ) 方法多电平子谐波p w m 方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。对n 电平逆变器，载波是n 1 个具有相同频率f 、相同的峰峰值4 ，且对称分布的三角波。参考信号是一个峰峰值为彳。、频率为，的正弦信号。在三角载波和正弦波相交的时刻，如果正弦波的值大于载波的值，则开通相应的开关器件，反之则关断该器件。对于n 电平变换器，幅度调制比和频率调制比m ，定义如下：第2 章三相逆变器及p w m 技术= 志= 参( 2 7 )( 2 8 )在载波间的相位关系方面，有三种典型配置方案：所有载波具有相同相位( p h a s ed i s p o s i t i o n 即p d ) ；正、负载波间相位相反( p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n 即p o d ) ；相邻载波间相位相反( a l t e m a t i v ep h a s e0 p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n 即a p o d ) 。在相同的条件下，p d 方式是谐波性能最好，尤其是线电压的谐波性能，a p o d 次之，p o d 效果最差。图2 7 所示为p d 载波配置的五电平子谐波p w m 原理图。飙粼燃一撇图2 7 五电平子谐波p w m 原理( 2 ) 开关频率优化p w m ( s w i t c h i i l qf r e q u e n c y0 p t i m a lp w m 即s f o p w m 、方法s t e i n k e 提出的开关频率优化p w m 方法基于子谐波p w m 方法，图2 8所示为五电平s f o p w m 原理。该方法所采用的载波和子谐波p w m 方法完全相同，不同的是在调制波中注入了零序分量( 如3 次谐波电压) 使之成为马鞍形波。这种方法的优点是可以优化器件的开关频率，提高直流电勰粼燃撇图2 8 五电平开关频率优化p w m 原理第2 章三相逆变器及p w m 技术压的利用率，可以提高线性调制范围，其最大线性幅度调制比可以达到1 1 5 ，比s ，w m 提高1 5 ，但该方法只能够用于三相系统中。( 3 ) 载波移相p w m ( c a r r i e rp h a s es h i r i n gp w m 即c p s p w m ) 方法上述两种载波p w m 方法，主要是针对钳位型多电平变换器提出来的。而载波移相p w m 方法主要用于级联型多电平变换器。这种方法与上两种方法的不同之处在于，每一个级联模块的s p w m 信号都是由一个三角载波和正弦波相交产生的。同一相桥臂上不同模块的调制波是共同的，但是三角载波却有一个相位差e 。当e = 兀n ( 其中n 为级联的模块数) 时，输出相电压的n d 最小。这种方法的原理和两电平中的倍频思想相似。图2 9为简单的载波移相p w m 原理图，v r 为某一相的调制波，v 。和v 。分别为这一相的相邻两个级联单元的相位相差o 的载波。图2 9 简单的载波移相p w m 原理图2 空间矢量p w m 技术：多电平空间矢量p w m 方法和两电平空间矢量p w m 方法一样，都是一种建立在空间矢量合成概念上的p w m 方法【2 9 。3 4 1 。以三电平为例来说明多电平空间矢量p w m 的原理，其空间矢量图如图2 1 0 所示。为了减少谐波，被合成的空间矢量一般都是用空间矢量所在的特定小三角形的三个顶点的电压矢量予以合成。对于多电平变换器，用空间矢量合成的时候，计算比较复杂，很多文献讨论了不少简化的计算方法。空间矢量p w m 方法的特点是谐波小、电压利用率高，但是中点电位平衡不容易实现。目前实用的多为三电平空间矢量p w m 技术。电平数越多，矢量也越多，如何去除多余矢量第2 章三相逆变器及p w m 技术是一个非常棘手的问题。不少学者仍在不断分析四电平、五电平逆变器的控制，至今没有取得令人满意的效果。当逆变器输出电压很高、电平数很多时，采取空间矢量p w m 方法的工作量是不可想象的，除非象直接转矩控制时必须用电压矢量来控制，否则在三电平以上的多电平逆变器的控制方法中不宜使用这种方法。图2 1 0三电平电压空间矢量图2 2 3p w m 的实现方法比较随着微控制器技术的发展，特别是把微控制器与p w m 技术相结合，针对在不同应用场合对控制芯片功能要求的不同，形成了各类各具特色的p w m 实现方法。要产生精确的p w m 控制信号的主要方式如下：1 采用单一的通用微控制器来产生p w m 。该方案只须采用单个芯片，功能强大，控制灵活，保密性能好，但所有p w m 信号的产生均需占用c p u大量的工作时间，软件编程开发周期长，通用性差，不利于产品的更新换代。而且要在限定的时间( 开关周期) 内实现众多的控制功能，可能需增加较多的外围元器件，必须以多片i c 芯片方案来构成完整的控制系统。2 。采用专用大规模集成电路来产生s p w m 信号。如m u l l a r d 公司的 丑i f 4 7 5 2 等，无须和微控制器配合，属于纯硬件实现p w m 的方法，使用简单，省去编写软件的麻烦，开发周期短，但由于所实现的功能在芯片设计时都已确定，控制比较单一，欠灵活性，难以完成更多的复杂控制功能。3 采用微控制器和专用大规模集成电路相结合。它的基本原理是由控第2 章三相逆变器及p w m 技术制电路的核心微处理器来完成各种必要的计算、控制、保护和统筹安排，完成系统要求的性能，并向专用集成电路输送它所需要的各种信号和参数，以保证集成电路有效独立地工作。该方法灵活简单，易于功能开发、扩展和产品的更新换代。微控制器软件完成较复杂的控制算法，专用大规模集成电路内部均有独立的通道，能将微控制器送来的数字信号产生为驱动三相逆变器所需的p w m 信号，而且波形并不局限于正弦波调制，同时内部具有封锁脉冲和可编程死区时间能力，适合于交流电机的变频调速。如s i m e n s公司的s e l 4 5 2 0 ，m i t e l 公司的s a 4 8 2 8 等，但成本较高。微处理器和专用集成电路的结合方式是多种多样的，具体选用什么样的微处理器和专用集成电路组合，应该视具体的需要而定。4 采用电机调速专用控制芯片。近年来，微处理器和数字信号处理器( d s p ) 技术发展迅速，新的产品层出不穷，产品的集成度