（电力电子与电力传动专业论文）优化控制变频器研究与开发.pdf

查些查兰堡主兰堡垒查一垒坠! 苎生 r e s e a r c ha n dd e s i g no fo p t i m a l l yc o n t r o l l e d i n v e r t e r a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u se v a l u a t i o no fs o c i a ld e v e l o p m e n tt h en e e do fe l e c t r i cp o w e rf r o m a l lk i n d so ff i e l d sb e c a m eg r e a t e ra n dg r e a t e r a sm a i n f o r mo fe n e r g ys o u r c e se l e c t r i cp o w e r p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e c h i n ai sab i gc o u n t r yc o n s u m i n gg r e a t p o w e rs o u r c e sa n di n e f f i c i e n ti nu s e o fe l e c t r i cp o w e r ，s ot h et e c h n i q u eo fv a r i a b l e f r e q u e n c y a n dv a r i a b l e - s p e e dd i s p l a y si t si m p o r t a n c ea sa l la c t i v em e a s u r et os a v ee n e r g ya n di m p r o v e t h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o n 。i th a sag r e a tv a l u eo fe c o n o m ya n ds o c i a li q r c a n st od e v e l o pa n d p o p u l a r i z et h et e c h n i q u eo f v a r i a b l ef r e q u e n c ya n dv a r i a b l es p e e d t h ec o n t r o lt h e o r ya d o p t e db ye a r t yi n v e r t e r si sv a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ， u s i n gc o n v e n t i o n a ls i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) t h i sk i n do fc o n t r o li se a s y t ob eu n d e r s t o o da n dr e a l i z e d ，i ta l s oh a sag o o dl i n e a r i t yt ob cc o n t r o l l e d i th a st h e d i s a d v a n t a g eo fi n e f f i c i e n tu s eo fd cv o l t a g eh o w e v e r i ti ss u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o no fl o w e r v o l t a g ea n ds t a t i c c o n t r o ls u c ha sf a n sa n db u m p s s u b o p t i m a ls i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o nc a l l eo u ti n1 9 8 5t or e s o l v et h ep r o b l e mo f i n e f f i c i e n tu s eo f s p 、酮mv o l t a g e n l i s w a yo f m o d u l a t i o no p t i m i z e st h es p w ma n dt a k e sa d v a n t a g eo f d cv o l t a g e d i f f e r e n tw j mt h ep r e v i o u sv o l t a g es p w m s v p w md e c i d e st h es w i t c hs t a t e sf r o mt h e p o i n to fm o t o rt og a i n ar o u n df l u xl i n k a g e s v p w ma l s oh a sg o o de f f i c i e n c yo fu s i n g v o l t a g ea sw e l la ss u b o p t i m a ls p w m i nt h ep a r to fc o n t r o lt h ep a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ea b o v ev a r i a b l e f r e q u e n c ya n d v a r i a b l e - s p e e dm e t h o d s 1 1 1 ea l g o r i t h mo fs p w mg i v e nb yt ii si m p r o v e di nt h ep a p e rt o i n c r e a s et h er e s o l u t i o n n 忙m a t hf o r m a to fm o d u l a 垃o nw a v ei sd e d u c e di nt h ep r o c e s so f r e a l i z a t i o no fs v p 、m w h i c hd i s c o v e r st h en a t u r eo fs v p w m t h ed e d u c e dm o d u l a t i o i l w a v ec a l lb eu s e di np w ml i k es p w mo rs u b o p t i r e a ls p w m a tl a s tt h i sk i n do fn e w m o d u l a t i o n f r o mt h ep o i n to f p o w e r , c a l lo b t a i nt h es a m er e s u l tw i t l ls v p w m ， i nt h ep a p e rt h eo b j e c to ft h er e s e a r c hi st h ei n v e r t e rg i v e nb yi n v e r t e kc o m p a n yi n u k n et id s pc h i pw h i c hi su s e dt oc o n t r o lm o t o r ss p e c i a l l yi su s e dt oc o n t r o lt h em a i n i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t l o o p t h em e m o r yi se x t e n d e di nt h ec o n t r o lb o a r di nc a s eo ft h ee x t e n s i o no ff u n c t i o na n d p r o g r a m t h e r ea r ec i r c u i t so fd i s p l a y , k e y s ，i n t e r f a c eo fm e m o r ya n de m u l a t i o ni nt h ep a r to f h a r d w a r e a s s e m b l ya n dcl a n g u a g ea r em i x e di nt h es o f t w a r et om o d u l a r i z et h ep r o g r a ma n d a tt h es a l n et i m et h ef l o wc h a r t sa r eg i v e n k e yw o r d s ：v v v f , s p w m ，s u b o p t i m a ls p w m ，s v p w m ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n - i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名： 翻乙爹 签字日期：口- _ 严7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 变频器主要用于交流电动机( 异步电机或同步电机) 转速的调节，是公认的交流电动 机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节 能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪8 0 年代被引进中 国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速 发展和广泛的应用。在电力、纺织与化纤、建材、石油、化工、冶金、市政、造纸、食 品饮料、烟草等行业以及公用工程( 中央空调、供水、水处理、电梯等) 中，变频器都 在发挥着重要作用。 1 1 变频器应用范围 变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能 耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在2 0 0 3 年的中国电力消耗中，6 0 - 7 0 为动力电，而在总容量为5 8 亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2 0 0 0 万千瓦的电动 机是带变频控制的 1 。 ? 由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精 确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。 除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越 来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有变频控制的冰 箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有 很大的优势。 1 2 变频器的发展 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。2 0 世纪6 0 年代后半期开始，电 力电子器件从s c r ( 晶闸管) 、g t o ( 门极可关断晶闸管) 、b j t ( 双极型功率晶体管) 、 m o s f e t ( 金属氧化物场效应管) 、s i t ( 静电感应晶体管) 、s l t h ( 静电感应晶闸管) 、 m c t ( m o s 控制晶体管) 、m c t ( 邺s 控制晶闸管) 发展到今天的i g b t ( 绝缘栅双极型晶体 管) 、h v i g b t ( 耐高压绝缘栅双极型晶闸管) ，器件的更新促使电力变换技术的不断发展 f 2 。 查些查兰堡主兰竺笙查 在控制方式上变频器由标量控制( v f 控制和转差频率控制) 量控制和直接转矩控制发展，经历了三个发展阶段： 第一章绪论 向高动态性能的矢 第一阶段：电压空间矢量。八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢 量( 或称磁通轨迹法) 。该方法以三相波形的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，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢 量控制。 第二阶段：矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德f b l a s s c h k e 等 人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创 了交流电动机等效直流电动机控制的先河。 第三阶段：直接转矩控制。1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出直接 转矩控制理论( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 3 。直接转矩控制与矢量控制不 同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来 控制。 由于半导体器件的迅速发展，变频器的控制电路也逐渐由模拟电路向数字电路转 变，尤其是d s p 的出现给各种控制方式带来强大的数据计算能力，促进了变频器的发 展。 1 3 变频器分类及其特点 变频器的分类方法有多种，主要分类有以下几种： l 、按变换的环节分类： 可分为交一交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式 变频器：交一直一交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变 换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。 2 、按赢流电源性质分类： ( 1 ) 电流型变频器 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即 扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器( 电 流型) 。电流型变频器有如下特点： ( a ) 直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻 抗。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( b ) 因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形 波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同，其波形 常接近正弦波。 ( c ) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联 二级管。 ( d ) 逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电流无脉动，故传送功 率的脉动是由直流电压的脉动来体现的。 电流型变频器的特点( 优点) 是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负 载电流变化较大的场合。 ( 2 ) 电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由 它来缓冲，直流电压较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器， 电压型变频器有如下特点： ( a ) 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻 抗。 ( b ) 由于直流电压源的箱位作用，逆变交流输出的电压波形为矩形波，与负载阻抗 角无关，而交流侧的电流波形和相位因负载的阻抗角的不同而不同，其波形接近三角 波或者正弦波。 ( c ) 当交流侧为电感性负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作 用。为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，各桥臂都反并联了二极管。 ( d ) 逆变电路从直流测向交流侧传送的功率时脉动的，因直流电压无脉动，故传送 功率的脉动是由直流电流的脉动体现出来的。 根据电压型变频器的特点其常选用于负载电压变化较大的场合。 3 、按照开关方式分类： ( i ) p a m 控制变频器 ( 2 ) p 硼控制变频器 ( 3 ) 商载频p 肼控制变频器 4 、按照工作原理分类： ( 1 ) v f 控制变频器 ( 2 ) 转差频率控制变频器 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 矢量控制变频器 5 、按照用途分类： ( 1 ) 通用变频器 ( 2 ) 高性能专用变频器 ( 3 ) 高频变频器 ( 4 ) 单相变频器 ( 5 ) 三相变频器 变频器分类方式见表1 1 4 。 表1 1 变额器分类 t a b l e l ld i v i s i o no f i n v e r t e r s 变频器分类 交一直一交变频器 交一交变频器 1 4 本文主要的工作 调压方式 输出自耦变压器 相位控制 可控硅直流开关 脉冲宽度调制 直流电源型式 耄蒙篓 f 串联电感式 换流电路 曼联二极管式 l 带辅助晶闸管式 晶闸管导通时间j 18 09 导电型 相数 兰嚣 f 反并联 连接方式 霎蚤三角形 【环形 环流 妻柔蓁 本文主要研究的是交一直一交电压源型变频器，针对英泰公司3 7 k w 通用变频器的主 回路进行控制，对控制电路进行设计，实现相关的算法，并在此基础上对算法的实现 垒苎垄堂壁主兰堡兰圭 苎二主! 鱼 ( 3 ) 矢量控制变频器 5 、按照用途分类： ( 1 ) 通用变频器 ( 2 ) 高性能专用变频器 ( 3 ) 高频变频器 ( 4 ) 单相变频器 ( 5 ) 三相变频器 变频器分类方式觅表1 1 4 。 表1 1 变频器分类 t a b l e lld i v i s i o no f i n v e r t e r s 变频器分类 交一直一交变频器 交一交变频器 1 4 本文主要的工作 i 输出自耦变压器 调压方式 薯塞薹型流开关 i 脉冲宽度调制 直流电源型式 耄曩茎 f 串联电感式 换流电路 串联二极管式 l 带辅助晶闸管式 晶闸管导通时问 ：喜耄篓 相数f 兰嚣 f 反并联 连接方式 霁言三焦形 l 环形 环流 妻暮曩 本文主要研究的是交一直一交电压源型变频器，针对英泰公司3 7 k w 通用变频器的主 回路进行控制，对控制电路进行设计，实现相关的算法，并在此基础上对算法的实现 回路进行控制，对控制电路进行设计，实现相关的算法，并在此基础上对算法的实现 - 4 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 进行了改进使得控制精度得以提高。具体内容有： ( 1 ) 控制板电路的设计。包括器件的选型，频率显示、按键电路设计与调试。 ( 2 ) 控制软件的设计。软件设计内容有6 路p 1 v m 输出，变频器的启动、停止、 频率的增加与减小。频率显示，按键程序。 ( 3 ) 各种脉宽调制方法的研究。对常规的s p w m 与准优化s p w m 进行比较，分析 了各自特点。对空间矢量p w m 算法进行仿真，比较其与优化$ p w m 算法， 揭示s v p w m 的本质，推导出另外一种新型的脉宽调制方法。 东北犬擘硕士学位论文 第二章变压变撅方式变频器原理 第二章变压变频方式变频器原理 由电机学可知，异步电动机转速公式为： ，l ：丝( 1 一j ) ：竺( 1 一j ) ( 2 1 ) n pz 万”p 式中，z 为电机定子供电频率，y p 为电机极对数，吐= 2 万z 为定子供电角频率( 角 速度) ；。：型：竺二竺为转差频率；其中，亿：皇呸：昙堕为同步转速。 h s m | n pz 冗n p 由式( 2 1 ) 可知，如果均匀地改变异步电动机的定子供电频率z ，就可以平滑地 调节电动机的转速n 。实际应用中，不仅要求调节转速，同时还要求调速系统具有优良 的机械特性。 于直流调速系统相同，在额定转速以下调速时，希望保持电机中每极磁通量为额 定值。如果磁通下降，则异步电动机的电磁转矩将减小，这样在基速以下时，无疑会 失去调速系统的恒转矩机械特性。另外，随着电机的最大转矩的下降，有可能造成电 机堵转。反之，如果磁通上升，又会使电机磁路饱和，励磁电流将迅速上升，导致电 机铁损大量增加，造成电机铁心严重过热，不仅会使电机输出效率大大降低，而且由 于电机过热，造成电机绕组绝缘降低，严重时，又烧毁电机的危险。因此在调速过程 中不仅要改变定子供电频率，而且还要保持磁通恒定。 2 1 变压变频v v v f 控制原理 感应电机定子每相感应电动势的有效值为： e = 4 4 4 z 也丸( 2 2 ) 式中， e 为气隙磁通在定予每相中感应电动势有效值( v ) ；，为定子频率( h z ) ； m 为定子每相绕组串联匝数；k 为基波绕组系数：丸为每极气隙磁通( w b ) 。感 应电机端电压u 。与感应电动势e 。的关系式为 u s = 疋+ 墨t( 2 3 ) 其中占斤和s ，分别为定子电阻和定子电流。在电机控制过程中，使每极磁通丸保持 额定值不变是关键的一环。在交流感应电机中，磁通丸是定子和转子磁动势合成产生 东北大学项士学位论文第二章变压变频方式变频器原理 的，因此由式( 2 2 ) 可知，只要协调控制e 和正，就可以达到控制丸并使之恒定的 目的。对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上两种情况。 2 1 1 基频以下变压变频控制方式 稳态情况下异步电动机定子每相电压与感应电动势的关系为： 队= b + ，互= j 2 r r f , i 钿l , , + 厶十吲上鼬厶) ( 2 4 ) 式中，b = j 2 x f , 厶l ；i s 互= 足s + ，2 疗z 厶。：i s 为定子相电流；i 。为励磁电流；r 。 为定子每相绕组电阻；乙为定、转子之间的互感；上s ，为每相定子绕组漏感。 当定子频率，较高时，感应电动势的有效值e 也较大，这时可以忽略定子绕组的 阻抗压降，互，认为定子相电压有效值z 乓，为此在实际工程中是以代替e 而 获得电压与频率之比为常数的恒压频比控制方程式，即为： z = q o 。= c( 2 5 ) 其控胄4 特性如图2 i ( i ) 所示。 h h 土 k n 月。 。下 o 幽2 1 恒压频比控制特性 f i g 2 1t h ec h a r a c t e r i s t i co f v v v f 由于恒压频比控制方式成立的前提条件示忽略了定子阻抗上的压降。但是在f 较 低时，由式( 2 4 ) 可知r 定子感应电动势有效值置也变小了，其中难有；。匙项不减 小，与e s 相比，1 。五比重加大，u s “e 不再成立，也就是说，较第十的定子阻抗压 降不能再忽略了a 为了让兵= c 的控制方式在低频情况下也能应用，往往在实际 工程中采用+ 足补偿措施，即根据伏在电流大小把定子项电压有效值以适当地抬 _ 8 东北大学硕士学位论文 第二章变压变额方式变频器原理 高，以补偿定予阻抗压降的影响。补偿后的正= c 的控制特性如图2 1 ( i i ) a ，较低时，如果不进行厶+ r 补偿，u s l = c 的控制原则失效，异步电动机势必 处于弱磁工作状态，异步电动机的最大转矩必然严重降低，导致电动机的过载能力下 降。当在五较低对采用冬+ 毽补偿后，z 霞，表明了低频时仍能时气隙磁通九恒定， 也就是说在低频情况下通过r ，补偿后，电动机的最大转矩得到了提升，因此通常把 i x + r 。补偿措施称为转矩提升。 2 1 2 基频以上变频控制方式 基频以上调速分为两种情况：异步电动机不允许过压，但允许由一定超速( 高 于额定转速) 。此种情况下，应保持电压为额定电压。当异步电动机允许有一定的电 压升高即超过电机的额定电压，或者是特制的先升压后弱磁专用调速异步电动机，应 采用比较准确的恒功率调速方式。 】基频以上保持电压为额定电压的控制方式 在基频以上调速时，即当电机转速超过额定转速时，定子供电频率f 大于基频。 如果仍维持，工= c 时不允许的，因为定予电压过高会损坏电动机的绝缘。因此， 当，大于基频时，往往把电机的定子电压限制为额定电压，并保持不变。由式( 2 5 ) 知， 这将迫使磁通吐k 与频率z 成反比降低，相当直流电动机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，得到图2 2 所示的异步电动机变频调 速控制特性。 图2 2 异步电动机调速时的控制特性 f i g 2 2t h ec o n t r o lc h a r a c t e ro f a cm o t o rw i t hv a r i a b l es p e e d 2 保持恒功率控制方式 当异步电动机允许有一定的电压升高，或者是特制的先升压后弱磁专用调速异步 东北大学硕士学位论文 第二章变压变频方式变颓器原理 电动机，应采用比较准确的恒功率调速方式，电压、频率协调控制关系推导如下。 三相异步电动机在正弦波恒压恒频供电时的机械特性方程式为： z ：塾车墨：g ( 2 6 ) 2 可面而彳汀霹瓦而 q 式中，r r 为折算到定子侧的转子每相电阻；三。为折算到定子侧的转子每相漏感。三相 异步电动机的同步转速悔为 玎一60_z 6 0 0 ) s ( 2 7 ) 璩2 2 = 一 喵- ，j n p z a n 口 式( 2 6 ) 可改写为： 瓦嘲，謦) 2 瓦i 再s 丙( o s r 甄r 了河 ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 得 己= 3 瓦面万u z f s 而r , - 再 2 9 ) 在基频以上变频调速时，s 较小 只 3 警- 3 嘲耳 ( 2 i1 0 ) 在额定频率和额定电压下，即在额定工作点处， 3 u ；s r , ( 2 1 1 ) 在基频以上，采用恒功率调速时艺= 则： 略如= 研s = c ( 2 1 2 ) 其中， 如：垃：她：学 ( 2 1 3 ) mm) “ j ：竺：竺卫：掣( 2 1 4 ) m e m 3j 1 由于变频调速时，电机机械特性曲线平行移动，则有国。一彩。= 国。一。根据式 ( 2 1 2 ) ，则推得 旁2 瓷一c心ls 遗 。 - 1 0 - ( 2 1 5 ) 查苎查鲎翌主兰堡丝圭 苎三主奎璺奎! 堕苎壅塑墨! ! 墅 式( 2 1 5 ) 表明，只要满足u 。，压= c 就可以比较准确地实现恒功率调速。 2 2 变压变频v v v f 控制方式的机械特性 将式( 2 6 ) 对s 求导，并令吸d s = o ，可求得最大电磁转矩z 和对应的转差率 疋一= 丽再露3 n p 雨u 2 葡 z - s ) 2 丽葛惫丽 c z 根据( 2 6 ) ，( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) 得出正弦波恒压恒频供电时的三相异步电动机的机械特性 曲线，如图2 3 所示。 0 矗已- 图2 3 正弦波恒压恒频供电时异步电动机机械特性 f i g 2 3t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e ro f a cm o t o rw i t hs i n ep o w e r o f f i x e dv o l t a g ea n df r e q u e n c y 对于采用恒压频比，工= c 控制方式的变压变频电源供电时的机械特性有如下特点： 最大电磁转矩随着。的降低丽减小。如图2 4 实线所示。这将限制调速系统的 带载能力。 初始启动转矩( s = l ，n = o ) 在频率很低时也变小。如图2 4 中国。所示的特性曲 线。 针对以上特点，可采用定子阻抗压降补偿措施，即适当提高电压u 。，以改善低 频时的机械特性，如图2 4 中虚线所示。 东北失学硕士学位论文 第二章变压变频方式变频器原理 的特性 图2 4 基频以下机械特性 f i g 2 4t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e rb e l o wt h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c y 在恒功率调速情况下，最大电磁转矩随着q 提高而减小，其机械特性曲线平行上 移，最大转矩也随着减小，如图2 5 所示。 图2 5 恒功率调速机械特性 f i g 2 - 5t h em e c h a n i c a lc h a r a e t e rw i t hf l x e dp o w e ra n dv a r i a b l es p e e d 1 2 东北大学硕士学位论文 第三章电压型逆变器脉宽调制优化控制方法 第三章电压型逆变器脉宽调制优化控制方法 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 上不节上时，其效果基本相同。脉宽调制技术就是以该结论为理论基础，所谓脉宽调制 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 就是利用全控型电力电子器件如i g b t 、i g c t 等的导通和 关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压变频控制并消除谐波的一种 方法称为脉宽调制。 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人把通信系统中的调制技术推广到变频调速中，率 先提出了脉宽调制变频的思想。由于锾电子技术的迅速发展微处理器使得p w m 技术逐 渐数字化，p w m 技术不断优化和翻新，从追求电压波形正弦 5 ，到电流波形正弦，再 到磁通波形正弦：从效率最优，转矩脉动最小，再到消除谐波噪声等。 脉宽调制技术主要有以下种类： 正弦脉宽调制( s p w m ) 谐波消除脉宽调制( s h e p w m ) 最小畸波电流脉宽调制 空间矢量脉宽调制 随机脉宽调制 跟踪型脉宽调制 3 1 脉宽调制p w m 技术原理 脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉 冲宽度的一种方法，如图3 1 所示为三相正弦波分别对三角载波进行调制 6 。这里所 谓的相当于基波分量的信号波并不定指正弦波，在p w m 优化控制模式中可以是预畸 变的信号波。正弦波是一种最通俗的调制信号，但决不是最优信号。而三角载波也只 是为了形象说明调制原理而借用或用模拟电路产生p 删脉冲时必须采用的波形。 采用模拟电路时，由振荡器分别产生正弦波和三角波信号，然后通过比较器来确 定逆变器某一桥臂开关器件的开通和关断。这种传统的做法，使系统的器件过多。控 制线路复杂，精度也难以保证。在用数字化控制技术产生p w m 脉冲时，三角载波实际 上是不存在的完全用软件硬件定时器代替了，这样既可减少硬件成本又能提高系统可 靠性。 叁些苎兰堕主兰璺丝兰 苎三主皇垦型墼矍壁童型垡垡塑型查鳖 m 图3 1 脉宽调制波形 f i g 3 1w a v e f o r mo f p w i v l 不同信号波调制后生成的p w m 脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转 矩、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大。 3 2 正弦脉宽调制( s p w m ) 及其优化 在一般的通用变频器上使用的脉宽调制技术都是s p m w ，这是因为变频器输出的电 压或者电流波形更接近于正弦波。s p w m 方案有很多，主要有电压正弦p w m ，电流正弦 p 蝴和磁通正弦p 嘲等。本文采用的是电压正弦p w m 。 在图3 2 ( a ) 为电压正弦p l 】6 , t 变频器主电路示意图 7 ，图中v t l 至v t 6 是逆变器 的六个i g b t 功率开关器件，各有一个续流二极管反并联连接，逆变器所需要的恒值直 流电压有三相整流器提供。图3 2 ( b ) 是它的控制电路由参考信号发生器提供一组 三相对称可调正弦参考电压信号咎。，z b ，u m c ，其频率决定逆变器输出的基波频率。 参考信号的幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压大小。三角载波信号是共 用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生s p 咖脉冲 序列波“。，“。，u d c ，作为逆变器功率开关器件的控制信号。 几厂 一几 图3 2 ( a ) s p w m 变频器主电路示意图 f i g 3 2 ( a ) t h em a i nc i r c u i td i a g r a mo f s p w mi n v e r i e r 查! ! 垄兰塑主兰堡垒查 苎三主皇垦型望銮墨壁塞塑圭! 垡垡垫型查望 几几几 驱动v t l 一w 6 图3 2 ( b ) s p w m 变频器主电路示意图 f i g ，3 2 ( b ) t h ec o n t r o lc i r c u i td i a g r a mo f s p w m i n v e r t e r 改变参考信号“。的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了逆变器输出电压的大小， 当改变的频率时，输出电压频率也随之改变。但一般情况下参考信号的最大幅值 必须小于三角波幅值，否则输出电压的大小和频率将失去所要求的配合关系。 由于微处理器的速度和精度在不断提高，p w m 典型的数字化控制算法有自然采样 法和规则采样法 7 ， 8 ， 9 。其中规则采样法又分为对称规则采样法和非对称规则采 样法。 3 2 1s p w m 控制算法 自然采样法 i o 1 1 是在三角载波与正弦调制波的自然交点时刻控制功率开关器 件的通断。在数字化s p w m 中，自然交点时刻可转化为一个采样周期内对输出脉冲宽度 时间及间隙时间的计算，由微处理器来完成，时间的改变可通过定时器来完成。输出 脉冲宽度时间就 是功率开关器件的导通时间，间隙时间就是功率器件的关断时间，如图3 3 所示 0 、r， 东北大学硕士学位论文 第三章电压型逆变器脉宽调制优化控制方法 图3 3s p w m 的自然采样法 f i g 3 3n a t u r a ls a m p l eo f s p w m 由图3 3 中的几何关系得 f ，：+ f 二：冬 1 + 要幽o ) s l a q - sn c o ：。) l + s i n c a ( 3 1 ) f p = f 。+ f 二= 等 1 + 等( 3 i n ( 3 1 ) 上式中，除蛾、m 为已知外，和都是未知，该式是一个超越方程，需要 计算机迭代求解，难以用于实时控制。当然也可以把事先计算出的数据放在计算机内 存中利用查表法输出p w m 波形。但频率范围变化很大时，需要大量的内存。 规则采样法 8 时利用载波三角波的正峰值点、负峰值点所对应的正弦函数值来代 替三角波与正弦波自然交点出正弦函数值，从而求得脉冲宽度。在图3 4 ( a ) 中非对 称规则采样的几何关系德出 o = 冬( 1 一s i n c a m s i n f j 0 ，f 1 ) ( 3 2 ) o = 导( 1 一 ，f 1 ) ( 3 - 2 ) k = 冬( 1 + m s i n a , t 1 ) ( 3 3 ) = 每( 1 一所s i n c o 。t 2 ) ( 3 4 ) 乇= 冬( 1 + 肌s i n t o 。如) ( 3 5 ) 脉冲宽度 r 。= f 。+ = 冬【1 + ( s i n c o , t , + s i n c o , t 2 ) ( 3 6 ) 由此可见，非对称规则采样法在一个载波周期里采样两次正弦波数值，该采样值真 实地反映了实际的正弦波数值。但由于采样次数增大一倍。对于微处理器系统来说， 增大了数据处理量。当载波频率较高时，微处理器的运算速度将成问题。 图3 4 ( a ) 非对称规则采样p 哪 1 6 东北大学硕士学位论文第三章电压型逆变器脉宽调制优化控制方法 f i g 3 4 ( a ) a s y m e t r i c a lr e g u l a rp w m 图3 4 ( b ) 对称规财采样p 啊 f i g 。3 4 ( b ) s y m e t r i c a lr e g u l a rp w m 对称规则采样法将采样时刻设在三角载波的谷点处，如图3 4 ( b ) 所示 1 2 。以 此刻的正弦波数值为中心，引一水平线与两侧的三角载波相交，确定p w m 脉冲的前后 沿，虽然此时后沿仍较窄，但前沿却较宽，平均考虑与正弦三角波直接比较已基本相 当。此时的脉冲宽度与间隙时间分别为 下 ，月= 詈( 1 + m s i n c o , t 1 ) ( 3 7 ) 二 1 o = 0 = 旺一) ( 3 8 ) 二 对称规则采样使输出电压比非对称规则采样方式较高，且每个采样周期只采样一 次正弦调制波，微处理器的工作量相对也减少，有利于p w m 的在线实时计算处理。 3 2 2 准优化正弦脉宽调制 规则采样p w m 具有实现容易、控制线性度好等优点但它和自然采样p w m 一样具 有电压利用率低等缺点 9 ， 1 3 。逆变器输出的线电压中基波分量的幅值最大值，只 有逆变器输入电网线电压幅值的0 8 6 6 倍，使用正弦脉宽调制法的系统不能充分利用 逆交器电压容量。为了解决这一问题，s r b o w e s 等人在1 9 8 5 年提出了准优化p w m 技 术。在规则采样p w m 中，调制函数为正弦波，而准优化p w 的调制为基波叠加适当幅 度与相位的三次谐波分量，如图3 5 所示 8 。叠加的结果使得合成的调制信号“0 最 大值减小，并且在逆变器输出电压中产生大量三次谐波分量，但由于三相交流电机负 载的连接方式，可使线电流中不出现三次谐波，不影响电机的运行。 东北大学硕士学位论文第三章电压型逆变器脉宽调制优化控制方法 例3 5 准优化s p 嘲波形 f i g 3 5w a v e f o r mo f s u b o p t i m a ls p w m 由于叠加后的调制信号碗最大值减小，因此我们可以将调制系数m 提高大于1 ， 使得“0 最大值小于或者等于三角载波的幅值。此时基波分量正弦波的幅值就大于三角 载波的幅值，变频器输出线电压幅值增大。 设原正弦调制信号u u 为单位正弦波，如为叠加后的调制波，则 “= s i n o + a s i n 3 8( 3 9 ) 式中，口= 皱f ，而口为待定系数。 甜k 对臼微分，并使其为零，从而找到极值点。 等= c o s 扫+ 3 蚴s 3 0 = o ( 3 1 0 ) d 移 c o s 3 8 = 4 c o s 3 口一3 c o s o ( 3 1 1 ) 由式( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) 求得 c o s o = 0 ( 3 1 2 ) 或 c o s 吲等) l ，2 ( 3 1 3 ) s i n 2 0 + c o s 2 占= 1 ( 3 1 4 ) 由式( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 得 s i 肌( 警，2 ( 3 1 5 ) s i n 3 0 = 3 s i n o - 4 s i n 3 口 ( 3 1 6 ) 东北大学硕士学位论文第三章电压型逆变器脉宽调制优化控靠4 方法 将式( 3 1 5 ) 1 弋入式( 3 9 ) ，并利用式( 3 1 6 ) ，可求得的峰值 = ( 1 + 3 a ) s i n o 一4 口s i n 3 0 ( 3 1 7 ) 将式( 3 1 5 ) 代入式( 3 1 7 ) 得 北( 警) 3 ，2 ( 3 1 8 ) a 的值就在【7 赫的极值处，因此可通过对进行微分，并使其为零得 韭：( 娑) m ( 2 一与：o (319)da、1 2 口、3 口7 由式( 3 1 9 ) 得g 值为一；或者吉。由式( 3 1 2 ) 得 s i n 0 = 1 ( 3 2 0 ) 将式( 3 2 0 ) 代入式( 3 1 7 ) 得 = l 一8( 3 2 1 ) 当口= 一；时 1 ，因此可以舍弃口为一i 1 的值，即 j j 如= s i n 口+ s i n 3 0 ( 3 2 2 ) 1 n z 如的峰值为吒= 睾= o 8 6 6 。 上 若使如值为l ，则应加调制系数使站= l ，此时基波s i n 0 峰值可达2 3 = 1 1 5 4 7 。由此得知主回路输出相电压基波幅值产生了1 5 、5 的增量，变频器主回路中 的直流母线电压能得到充分利用。 3 3 空间矢量脉宽调制 上述正弦脉宽调制s p 赚及准优化正弦脉宽调截( s u b o p t i m a ls p 翮) 都是从电源角 度出发的，目的在于生成一个频率和电压都可调的三相对称的正弦电源，并且尽可能 的降低输出电压谐波分量，使得基波分量尽量逼近正弦波形。 空间矢量脉宽调制将逆变器和电机视为一个整体，从电机的角度出发，目的在于 使交流电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通 7 。它以三相对称正弦波电源 供电使交流电机产生的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的计算机 磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成p w m 波形。 东北大学硕士学位论文g - - 章电压型逆变器脉宽调制优纯控制方法 空间矢量脉宽调制的数学模型建立在电机统一理论和电机坐标轴系变换理论基础 之上的，模型简单，物理意义直观，便于微处理器实时控制，并具有转矩脉动小、噪 声低、电压利用率高等优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环系调速系统中均得 到广泛应用。 3 3 1 电机旋转磁场模型 尽管异步交流电机采用u f 恒定的变压变频调速基本上解决了异步电机平滑调速， 但相对于直流电机的优良动静态调速特性来说还不能完全满足需求。为了使异步电机 能具有直流电机的调速性能我们把两者电机旋转磁场做比较。 异步交流电机的励磁电流和负载电流都在定子电路内，处于耦合状态，而直流 电机的励磁电路和电枢电路是互相独立的。 异步交流电机的主磁场于转子电流磁场的夹角于功率因素有关，而直流电机的 主磁场