（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的svpwm逆变器的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es p a c ev o l t a g ev e c t o rp w m ( s v p w m ) t e c h n o l o g yc a nr e a l i z e d i g i t i z a t i o nm o r ee a s i l yt h a nn o r m a ls p w m s oi ti su s e dw i d e l y , a n de x t e n d s t oh i g h - v o l t a g ea n dl a r g e c a p a c f f yf i e l d sg r a d u a l l y i ns u c hf i e l d s ，s w i t c h i n g l o s s e sa r er e q u e s t e dt od e c r e a s es t r o n g l y a n dl o w e rt h ec a p a c i t ys t a n d a r do f t h es w i t c h i n gd e v i c e s f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e so fp w m c o n v e r t o rs i m p l y , a n da d v a n c e st h ec o n c e p to fs v p w m t h e n ，i ta n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e o l g e n e r a lp w mm o d u l a t i o n a n dd e d u c e st h es v p w md i g i t a la l g o r i t h m a t t h es a m et i m e t h ed i g i t a ls i m u l a t i o ni sd o n eb yc o m p u t e rt or e a l i z ei t ， t od e c r e a s es w i t c h i n gd i s s i p a t i o na n dr a i s ee f f i c i e n c yo ft h ec o n t r o l l e r s w i t c h i n gt i m e sc a nu s u a l l yb ed e c r e a s e dt of o u rd u r i n ge v e r ys a m p l i n gp e r i o d b yt h em e a n so fs e l e c t i n gz e r ov e c t o r sp r o p e r l y s w i t c h i n gf r e q u e n c yi s d e c r e a s e db y3 3p e r c e n t sa c c o r d i n g l ya n ds w i t c h i n gl o s s e si sd e c r e a s el a r g e l y a tt h es a m ec a r r i e rw a v ef r e q u e n c y t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep e c u l i a r i t yo f s e v e r a lo p t i m i z e dm e t h o d so fs v p w mr o u n d l y , s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sd o n e t h eh a r m o n i cp e c u l i a r i t yo fc a r r i e rw a v e so fe a c ho p t i m i z e dm e t h o da n d e x p r e s s e se l e m e n t a r yi d e a s i nm e t h o d so fd e c r e a s i n gs w i t c h i n gd i s s i p a t i o n a b o v e - m e n t i o n e de s s e n t i a l l y t h e n ，o nt h eb a s eo ft h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h e t h e s i sp r o v e st h a tt h eb e s tm e t h o do fo p t i m i z e ds v p w mi sa ni d e a lc o n t r o l s t r a t e g y ，o fw h i c h t h en o n e s w i t c h i n gs e c t o r si ne a c hh a l fp e r i o d ，d i s t r i b u t e s o nb o t hs i d e so ft h ec u r r e n t p e a k v a l u e s y m m e t r i c a l l y t or e a l i z e t h e a r i t h m e t i co ft h ei d e a lo p t i m i z e dm e t h o d ，t h et h e s i sa d v a n c e sas i m p l ed i g i t a l a r i t h m e t i c ，a n dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sp r o v ei t sf e a s i b i l i t y f i n a l l y , t h et h e s i sd e s c r i b e st h ew a ya n dp r o c e s so ft h er e a l i z a t i o no f s v p w m o p t i m i z e dm e t h o di nd s e k e yw o r d s ：s v p w mo p t i m i z es w i t c h i n gl o s s s i m u l a t i o nd s p 贵州大学硕士学位论文 引言 第一章绪论 人们的生活中离不开电源，所谓电源，就是利用电能变换技术将 市电或电池等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电能的系统或 装置而电能的变换主要体现在变压、调压、整流、滤波、稳定、变 换等这些基本的电能变换是通过一系列的技术方法来实现的，并且 这些技术方法分别适用于不同的环境条件和要求 逆变是对电能进行交换和控制的一种基本形式，现代逆变技术是 一门综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数 7 i b 了技术、p w m 技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技 术苜的综介实用设计技术，已被广泛应用于工业和民用领域中的各种 助串变换系统和装置中1 1 4 1 逆变得技术应用领域主要是：电力变换、 i u 功帆稠速、不问断电源、逆变弧焊电源、感应加热、直流电源变换 装置等方面逆变器的设计主要是逆变主回路和逆变控制电路的设计 因此，对于一名从事电力电子技术研究和设计的科技人员来说，全面 掌握了现代逆变技术及其应用的系统知识，便可较容易地从事电力电 子技术各个领域的研究和设计工作 1 1 电力电子技术的发展及现状 电力电子学是研究电能变换原理与变换装置的综合性学科，它利 用半导体功率器件和无源功率元件【、微处理器及大规模集成电路、 变换理论、传感与信息处理技术、现代控制理论、计算机仿真与辅助 设计技术，以功率变换电路为核心对电能进行变换和控制电力电子 技术经数十年的工程实践不断得到发展和完善以相控理论和晶闸管 ( s c r ) 为基础的大功率相控整流和有源逆变装置。以脉宽调制技术 ( p w m ，s p w m ) 、计算机技术和高频功率器件为基础的无源逆变装置、变 频装置、高功率因数整流器、高频d c d c 变换装置等已进入众多工业 应用领域【1 j 1 1 1 电力电子器件的发展【”1 电力半导体器件是电力电子应用装置的基础一种新型电力半导 体器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命电力半导体器件 的发展经历了晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率m o s f e t 和绝 缘门极晶体管( i g b t ) 等现代电力电子器件的主要发展方向为高频化、 贵州大学硕士学位论文 大功率、低损耗和良好的可控性功率半导体器件另一个重要发展方 向是功率集成电路( p i c ) i ，1 功率集成电路是微电子技术和电力电子相 结合的产物，其发展和应用将使电力电子技术进入智能化时代，当前 电力电子器件的主要成果有1 1 5 l ： 1 ) i g c t 一集成门极换流晶闸管 i g c t 是一个将门极驱动器与低电感封装的g t o 元件相集成的组件与 常规的6 t o 晶闸管相比，它有许多优良的特性：不用缓冲电路就能实 现可靠关断，存储实践短，开通能力强，关断门极电荷少和应用系统 总的j j j 率损耗低等因此在m c t 未问世之前。i g c t 有望成为高功率 i 断l uj i 、低频变流器的优选功率器件之一 2 ) i i l g t 一电子注入增强栅晶体管 ， 近i i 米，东芝开发了i e g t ，使之兼有i g b t 和g t o 两者的优点：低 的饱和压降，宽的安全工作区，低的栅级驱动功率和较高的工作频率 目的达4 5 k v 1 0 0 0 a 的器件水平 3 ) m o s 门控晶闸管 m o s 门控晶闸管充分的利用了晶闸管良好的通态特性及m o s 管优良 的开通和关断特性，具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压 降，易于得到高的耐压，成为未来电力电子装置和系统中有发展前途 的高压大功率器件m o s 门控晶闸管主要有三种结构：m o s 场控晶闸管 ( l t c t ) ：基极电阻控制晶闸管( b r t ) ；及射极开关晶闸管( e s t ) 其中e s t 可能是最有希望的一种结构，但其要成为真正的商业化实用器件， 还需要相当长的一段时间。 4 ) i p e m 一集成电力电子模块 i p e m 是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块它的组成 过程如下：首先将半导体器件的芯片封装在一起组成一个积木单元， 然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它 的下面一次为铜基板、氧化铍瓷片和散热器在积木单元的上部则通 国表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路 集成安装在一薄层绝缘层上 i p e m 采用的是三维立体封装，可实现智能化、模块化，迸一步提 高了可靠性。 1 1 2 电力电子装置的发展1 1 撕, 3 s l 电力电子变换装置发展经历了五个阶段： ( 1 ) 以普通晶闸管为代表的顺变器阶段； ( 2 ) 以g t o ，g t r 为代表的逆变器阶段； 2 ， ， 贵州大学硕士学位论文 ( 3 ) 以场效应管为代表的高频化阶段： ( 4 ) 以i g b t 等双机理器件为主功率器件的高频实用化阶段； ( 5 ) 以i g b t 、i g e t 和功率集成电路为代表的未来电力电子变换装置阶 段 1 1 3 控制技术的发展 电力电子装置控制技术的主要研究目标是：提高装置效率，减小 装置的体积、重量，降低谐波失真，提高装置的动静态性能等控制 理论是其丰要的理论基础纵观几十年来控制技术的发展，从七十年 代的i i d 模拟式控制，到目前豹无速度偏差并可同时对许多参量进行 叫竹嗣l 综合的微处理器及微型计算机控制，特别是多变量和分散控制、 竹柞纷制笛技术的引入，使控制技术逐步经历了从模拟控制、模拟数 4 ，栉制、血接数控制、p w m 控制发展到矢量控制、无速度传感器的矢 量控制、准谐振变换等的发展过程，这些控制方法使电力电子变换装 置的动态和静态指标及保护性能都得到了很大程度的提高 1 2 逆变电源的发展概况 1 2 i 逆变器的分类1 3 9 | 所谓逆变器，是指整流( 又称顺变) 器的逆向变换装置，其作用 是通过半导体功率开关器件( 如s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 和功率m o s f e t 模块等) 的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能由于是通过 半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，所以其转换频 率高，但转换输出的波形比较差，是含有相当多谐波成分的方波逆 变器根据其结构形式和工作机理，大致可以分为以下五类： 多重化逆变器 最初的多重化逆变器是用来将几个方波逆变器的输出通过变压器 按照一定的规律组合起来形成阶梯波输出，以削弱谐波含量，提高装 簧容量。这种逆变器主要用于三相系统，具有器件开关频率低，系统 效率高、制简单等优点。但其输出波形较其后发展起来的s p w m 逆变器 差的多，且难以通过闭环调节予以校正目前，在大容量s p w m 逆变器 中，仍有采用多重化技术进一步提高容量、削弱谐波的例子 p w m 逆变器 p w m 逆变器通过控制开关器件产生一系列等幅( 可正可负) 、不等 宽的恒频脉冲来逼近标准正弦波，再采用滤波网络滤除该脉冲列中的 高频成分，获得正弦度较高的输出p w m 技术大多基于傅立叶周期信号 分解理论，预见性好，且原理直观，便于实现p w m 逆变器具有系统简 3 贵州大学硕士学位论文 洁，技术成熟、动态响应快及适应性强等显著优点，因而应用极为广 泛随着数字技术的发展，p w m 技术还有着广阔的发展空日j 三电平逆变器 所谓三电平逆变器，是指其逆变桥中每一桥臂的中点均能输出三 种电平的逆变器若以逆变桥输入电压的一半e 2 为电压基准，则这 三种电平分别为+ e 2 、0 、一e 2 。对于单相逆变器，三电平逆变器与通 常的二电平逆变器在主电路的结构上并没有什么不通，只是在控制上 二电平逆变器采用双极性s p w m ，而三电平逆变器采用的是单极性s p w m 。 对于j 棚逆变器，三电平逆变器则需要在普通二电平逆变器的基础上 涂加f l 1 轴l 协j r 关管，并采用独特的三电平p w m 控制理论。此时，三 i i l i ，逆蛮器r 抉狲降低丌关管耐压及开关频率等优点因而适合于高 i i 三j i 、人容i l 的( ：i o 逆变电源 y 游振软开关逆变器 为了进一步改善p w m 逆变器的动态响应性能，减小滤波器的尺寸， 需要从根本上减小器件的开关损耗，提高其开关频率这样，就发展 了各种类型的谐振软开关逆变器其中，由结实型谐振直流环流( r d c l ) 和零电压转换p w m 逆变桥( z v t p w m ) 级连构成的组合式逆变器，器件 的开关应力能得到有效的限制，而且解除了谐振直流环节和后续逆变 桥控制上的耦合关系，能充分发挥高频p w m 控制技术的优势。目前， 该类逆变器在小容量、高性能逆变电源中已得到初步应用。其缺点主 要在于。附加功率器件较多，循环能量较大。 高频链逆变器 在输入、输出需要进行电气隔离的逆变电源中，变压器的设置是 必不可少的s p w m 逆交器中采用的以输出电压频率工作的工频或中频 变压器，体积庞大，往往是阻碍其向小型化、轻量化方向发展的主要 障碍因交压器的体积同其工作频率成近似反比的关系，故若能采用 高频变压器进行电气隔离，就能显著地减小装置的体积和重量高频 链逆变器的基本原理就是通过设置中间高频逆变环节，采用高频变压 器进行电气隔离，再将此高频交流电变换成所需频率的交流输出目 前已发展出多种拓扑结构的高频链逆变器 1 2 2 逆变的目的及优越性 采用逆变技术是为了获得不同的稳定或变化形式的电能例如： 1 ) 由蓄电池中的直流电源获得交流电，如不间断电源( u p s ) ，应 急灯电源、通用逆变电源等 2 ) 由蓄电池中的直流电源获得多路稳定的直流电，如程控电话交 乒 贵州大学硕士学位论文 换机二次电源等各种通用d c d c 变换器 3 ) 获得可变频率的交流电源，如交流电动机调速变频器等 4 ) 实现电能量回馈。如电动机制动再生能量回馈有源逆变系统 等 5 ) 使电源设备小型化、高效节能、获得更好的稳定性和调节性能， 如各种类型的直流电源变换器 6 ) 利用感应涡流产生热量，如中频炉和高频感应加热 现代电力电子技术的发展为逆变技术的采用提供了必要的条件， 逆馁技术的优越性主要体现在如下几个方面 3 “： i ) 必活地凋节输出电压或电流的幅度和频率； 2 ) 犄篙i 乜池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电； ：1 ) i j 娃地减小用电设备的体积和重量，节省材料； d ) 高效节能； 5 ) 动态响应快、控制性能好、电气性能指标好： 6 ) 保护快 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要 变频调速、电动机制动再生能量回馈、不问断电源系统、感应加热， 弧焊电源、通信开关电源、变频电源、医用电源、风力发电、直流输 电、电子镇流器、环保电源、磁悬浮列车、有源滤波、无功补偿、化 学电源、现代汽车、家用电器、通用型直流电源变换器、航空逆变器、 电力控制、机器人等等 1 2 3 逆变技术的发展及展望 1 6 , 3 9 逆变器，特别是正弦波逆变器，主要用于交流传动，静止变频和 u p s 电源逆变器的负载多半是感性负载为了提高逆变效率，存储在 负载电感中的无功能量应能反馈回电源因此要求逆变器最好是一个 功率可以双向流动的变换器，即它既可以把直流电能传输到交流负载 侧，也可以把交流负载中的无功能量反馈回支流电源一般认为，逆 交技术的发展可以分成如下两个阶段： 1 9 5 6 年一1 9 8 0 年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件 以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为 主，体积重量较大。逆变效率低。正弦波逆变器开始出现 1 9 8 0 年到现在为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器 件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以p w m 法为主 体积重量较小，逆变效率高正弦波逆变器技术发展日趋完善 目前，现代逆变技术的种类很多。可以按照不同的形式进行分类 贵州大学硕士学位论文 其主要的分类形式如下”： 1 ) 按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高 频逆变工频逆变一般指5 0 6 0 h z 的逆变器；中频逆变的频率一般为 4 0 0 h z 到十几k h z ；高频逆变器的频率则一般为十几k h z 到洲z 在现 代高频开关电源领域，5 0 0 k h z 以上才算是高频，但是在逆变领域，有 时功率比较大，2 0 k h z 的超音频算做高频 2 ) 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变 3 ) 按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变 4 ) 按逆变主电路的形式，可分为单端式，推挽式、半桥式和全桥 式逆变 5 ) 按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变，晶体管逆变、 场效应管逆变、tg b t 逆变，等等 6 ) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆交和电流型逆变 7 ) 按输出电压和电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波 输j l ；逆变 8 ) 按控制方式。可分为调频式逆变和调脉宽式逆变 9 ) 按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关 式逆变和定频软开关式逆变 以上各种形式的逆变分别应用于不同的场合和设备中 在p w m 逆变器中，输出变压器和交流滤波电感的体积重量占主要 部分，为了减少输出变压器和交流滤波器的体积重量，提高逆变器的 功率密度，高频化是主要发展方向之一。例如提高s p w b i 逆变器的开关 频率，采用交流传动用变频器的内高频环( h i g hf r e q u e n c yl i n k ) 等 提高s p w m 逆变器的开关频率可以减少交流滤波器的体积重量，内高频 环可以减少变压器的体积重量。但逆变器的高频化也存在一些问题如 开关损耗增加，电磁干扰增大此外导体的集肤效应与近邻效应，电容 的e s r 以及磁元件的寄生参数等问题都需要解决。其中最主要的就是 开关损耗和电磁干扰问题。 1 3p w m 控制技术1 2 ”川 逆变器的脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o i l ) 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 r i o nw 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 ) 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，就可以得到一组幅 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 6 贵州大学硕士学位论文 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，这种技术就叫脉宽调制技术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函数规律变化，这种调制技术通常 又称为正弦脉宽调制( s i n u s o i d ap w m ) 技术 随着逆变器在交流传动、u p s 电源和有源滤波中等的广泛应用，以 及高速全控开关器件的大量出现，p w m 技术已成为逆变技术的核心，因 而受到了人们的高度重视i i i i 尤其时最近几年，微处理器应用于p w m 技术和数字处理器d s p 的开发应用，到目前为止仍有新的p w m 方式在 小新h ；现 i w m 的发腱过程是：1 9 6 3 年，f g t u r n b u l l 提出了消除特定谐波法； 1 9 6 4 年， s c h n o u n g 和h s t e m m l e r 把通讯系统的调制技术应用到交 流传动的逆变器中，产生了正弦脉宽调制技术( s p w m ) 后由英国 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 w e 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 技术( s u b o p t i m a lp w m ) ， 以提高直流电压利用率1 9 8 3 年，j h o l t z 等又提出了空间相量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 u r n b u l l 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 t a n i g u c h 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， 可以实现特定优化目的等优点，所以人们一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 成优化的p w m 方案此外，a 8 p l u n k e t t 于1 9 8 0 年提出了电流滞环比 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 t r 0 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 一1 9 9 4 年，由a m t r z y n a d l o w s k y ，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 较宽的频宽范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的 随着微处理器的引入促进了模拟控制系统向数字控制系统的转 化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，简化了硬件，降低了 成本，提高了控制精度以及系统的可靠性从电动机角度出发，直接 以电动机磁链圆形轨迹控制为目的s v p w m 调制法，不仅在控制上与s p w m 的效果相同，而且实现起来更方便更重要的是无论从直流电压利用 率还是从电动机谐波损耗上看，s v p w m 法都优于s p w m 法且有较好的应用 7 贵州大学硕士学位论文 前景 s v p w m 技术因其谐波分量小，容易数字化实现等特点，在交流传动领 域得到了广泛的应用，并逐渐应用大容量高电压领域，在大容量高电压领 域的应用迫切需要减小开关损耗并尽可能降低对开关器件容量的要求而 就常规的s v p w m 技术而畜，在每个扇区的开关次数为6 次，减少开关次数， 并将不开关扇区置于开关电流较大的区域成为本文研究的重点，并简化了 其算法，使其便于实现，在文中通过大量仿真对其进行验证 1 ， ， 贵州大学硕士学位论文 第二章电压型p w m 逆变器的控制技术 2 1 逆交器主电路的基本形式 ， 常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可 以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电 压型逆变器和电流型逆变器 迎也搿 u j i ：掣逆变糌 f 推挽式 单相j 半桥式 【全桥式 三相半桥式应用较多 【全桥式( 应用较少) 电流缎逆变器 单相 【三相 理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定的值而没有脉动， 直流电压波形和电流波形中也不应该产生脉动而在实际的逆变电路 中，因为逆变器的脉动数等有限制，因而逆变功率尸是脉动的。当逆 变器的逆交功率p 的脉动波形由直流电流来体现时，称之为电压型逆 变器，直流电源是恒压源 电压型逆变器的特点是1 3 0 l ： 1 ) 直流侧有较大的直流滤波电容c 。 2 ) 当负载功率因数变化时，交流输出电压波形不变，即交流输出 电压波形与负载无关交流输出电压的波形，通过逆变开关的动作被 直流电源电容上的电压嵌位成方波 3 ) 在逆变器中，与逆变开关并联有反馈二极管d 。一d 。，所以交流 电压与负载无关，是方波 4 ) 输出电流的相位随负载功率因数的变化而变化换向是在同桥 臂丌关管之间进行的 5 ) 可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。 当逆变器的逆变功率p 的脉动波形由直流电压来体现时，称之为 电流型逆变器，直流电源是恒流源 电流型逆变器的特点是i 捌： 1 ) 直流侧接有较大的滤波电感l 。 2 ) 当负载功率因数变化时，交流输出电流的波形不变，即交流输 9 贵州大学硕士学位论文 出电流波形与负载无关交流输出电流波形通过逆变开关的动作，被 直流电源电感稳流成方波 3 ) 在逆变器中，与逆变开关串联的有反向阻断二极管d 一d 。，而 没有反馈二极管所以在逆变器中必须有释放换相时积蓄在负载电感 上的能量的电路( 通常用并联电容来吸收这部分能量) 4 ) 输出电压的相位，随负载功率因数的变化而变化换向是在两 相邻相之白j 进行的。 5 ) 嵋以通过栉制输出电流的幅值和波形来控制其输出电流 n jkj 训以来。电压型p w m 逆变器以其简单的结构、较低的损耗、 ，j 十i ! 的柠；1 i l 僚一系列优点，一直成为p w m 逆交器研究的重点，本论文 就以i i t 瓜掣i m 逆变器为研究对象，对其空问矢量p w m 控制方式进行 i f j 究j i 闸迷，l u 流，鬯p w m 逆变器不做过多的讨论 2 2 电压型p w m 逆变器的拓扑结构 三相电压源逆变器的拓扑结构如图2 - 1 所示图中，出为直流侧电 g a b c 图2 - 1 三相电压型逆变器拓扑结构 压，啊、嘎、喁为上桥臂的开关器件，吼、仉、仉为下桥臂的开关 器件为便于研究计算，将其数学模型画出如图2 - 2 所示逆变器桥 墨 岛 i s 1 ar y ，” = = b ，、 c g 是 蜀 | 一 n 匿 2 - 2 三相电压型逆变器数学模型 l o ， 一 贵州大学硕士学位论文 臂的上下开关元件在任一时刻不能同时导通，不考虑死区时，上下桥 臂的开关呈互逆状态1 3 2 设三相交流系统各相电压为： 删似) = u mc o s ( o x ) “届( 纠) = c c 0 瓯耐一1 2 0 。) u c n ( o a ) = u _ c o s ( o x + 1 2 0 0 ) ( 2 - 1 ) 式巾：u 。为相电压的基波幅值，角频率。= 2 万，f 为基波电压频 二簪划i 桐l l 乜压可用式( 2 - 2 ) 描述的合成矢量表示l j 6 ) ，l ： 一= = 2 i 哺u q + 磊u 铂q + 茬2 u c t v _ )= = “ n + 孔h n + 磊2 j ( 2 - 2 ) j 弋1 1 1 彳= 口一 将式( 2 - i ) 带入式( 2 - 2 ) 中，可得： u = u 。e 胂 ( 2 - 3 ) 则三相电压可以用复平面上一幅值为u i 并以角速度m 逆时针旋转的矢 量盯表示如图2 - 3 所示反过来，矢量驴在三相轴上的投影，即为三 圈2 - 3 空间电压矢量 向电压的瞬时值因而对三相逆变系统进行控制时，可以根据三相电 压的瞬时值求得复平，面内输出的瞬时矢量直接对这一矢量进行控制， 丽不是分别的三相；丽在复平面进行内调节得到的控制矢量，其效果 也和在三相上分别控制的效果相同 2 3 常用p w m 技术比较 在交流驱动系统中，电机的外加电压是通过功率器件组成的逆变 电路获得的，目前电压型逆变器对输出电压的控制方法采用较广泛的 是电压脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术p w m 控制技术一直 贵州大学硕士学位论文 - 是变频技术的核心技术之一从最初采用模拟电路完成三角载波和参 考正弦波比较，产生正弦脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开关开 始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的p w m 信号输出， 可以说直到目前为止，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人 们研究的热点由于p w m 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点， 由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用 p w m 技术即脉冲宽度调制技术，是指利用半导体开关器件的通断把 。饩流电j k 馁成定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频及消除谐波 的i l 的。垓技术一6 0 年代出现，其后各种新的p w m 控制方案不断被提 ：i 州| i 丽为i l ：。订i 徉种p w m 技术中，正弦脉宽调制( s p w m ) 在各应用 ；场，、仍i i if i1 地化。随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子 电术的小断发胜p w m 变豺j 技术也获得了飞速发展，目前主要有三种形 式：坫j ：i 卜弦波埘t 角波脉宽调制的s p w m 控制、基于电流滞环跟踪的 c h p w m 控制和电压空自j 矢量s v p w m 控制其中，基于电流滞环跟踪的 c h p w m 控制技术属于电流型控制技术，在此也不过多介绍 2 3 1s p w m 技术 电压s p w m 是最典型的p w m 技术，用需要输出的正弦信号作为调制 波，用高频三角波作为载波，控制逆变器一个桥臂的上、下两个开关 管导通与关断如果在半个正弦周期内，只有上( 下) 桥臀的开关管反 复通断，下( 上) 桥臂开关管不动作，则称为单极式s p w m 。如果在整个 周期内，上，下桥臂的开关管交替导通与关断，即在上通下断和上断 下通的状态反复切换，则称为双极式s p w m 。图2 - 4 给出了双极式s p w m l。vv v 叫峨 l f f对 一 t t 图2 - 4s p w m 原理示意图 的原理示意图当载波与调制波相交时，由该交点确定逆变器一个桥 贵州大学硕士学位论文 臂开关器件的开关动作时刻及开关通断状态，获得一系列宽度不等的 正负矩形脉冲电压波形该脉冲序列的特点是等幅不等宽，其宽度按 正弦规律变化；在正弦波半个周期内，正负脉冲的面积总和与正弦波 的面积相等s p w m 调制的理论基础是面积等效原则，而图2 - 4 中的坐 标横轴代表时间，因此s p w m 的理论依据实际是时间平均等效原理可 以证明，当脉冲数足够多时，可以认为逆变器输出电压的基波幅值和 调制波幅值是相等的，即s p w m 逆变器输出的脉冲波的基波幅值就是调 制时所蛭求的等效j 下弦波在正弦脉宽调制中，一般定义调制波幅值 o j 伐波栩一川( 之比为调制比m ，当m l ，即调制波幅值不超过载波幅值 州”w h 逆馊器输j i j 的电压基波幅值与m 成正比关系s p w m 逆变器通 i i 坛渊：| j l i 甜州的址坼柏电压，需要输出三相正弦电压时，可以对三 l i 、分) ；l j 进行溯；j j i i 1 i i 洲w m 窬埸贸现对电压的控制，控制线性度好，但存在电压利 川串低的问题，采用一般的线性调制方法，调制波幅值不能超过载波 幅值，所以电压s p w m 输出的相电压基波幅值最大为母线直流电压的一 半，即奶。= o 5 u 。，电压利用率不高在同等的开关频率下。它的开 关损耗较大 2 3 2 电压空间矢量( s v p w m ) 技术 电压空间矢量( v o l t a g es p a c e v e c t o r ) 是8 0 年代中期国外学者 在交流电机调速中提出，由磁通轨迹控制思想发展而来的，其物理概 念清晰，算法简单且适合数字化方案。其思路是把互差1 2 0 。作正弦变 化的三相电压看作由一个在空间进行旋转的矢量分解而成，此方法可 以把滞留利用率m 提高到1 1 5 4 7 3 9 1 电压空问矢量法( s v p w m ，也称磁通正弦p w m ) 是从电动机的角度出 发，着眼于如何使电机获得恒定的圆形磁场，即正弦磁通它以三相 正弦波电压供电时交流电机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不 同的开关模式产生的实际磁通去逼进基准磁通圆，从而达到较高的控 制性能，使得电机具有较好的调速性能。三相电压源型逆变桥的上桥 臂和下桥臂开关状态互补，故可以用三个上桥臂的功率器件的开关状 态来描述逆变器的工作状态，从而有八种组合由图2 2 可知，三相 桥臂开关器件的开关函数蜀( m = l ，2 ，3 ) 满足如下关系： ro g jl 上桥臂开关器件品导通。下桥臂开关器件关断 【0 上桥臂开关器件& 关断，下桥臂开关器件导通 ，9 一小 、-i ， 因此根据式2 - 4 可以得出逆变器的八种开关状态： 贵州大学硕士学位论文 西岛s 3 ； j 1 】 i 1 4 )1 5 ) ( 6 ) 嘲2 - 5 逆变器的丌关状态 则s v p w m 的基本欠量如图2 - 6 所示 ( 0 1 1 ) 圈2 - 6s v p w m 基本矢量图 ( 3 ) l o m ( 7 ) s v p w ) “控制技术的目标就是要通过控制开关状态组合，将空间电压 矢量u 控制为按设定的参数做圆形旋转在某个时刻，u 处于某个区域 中，u 可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不 同组合来得到三个矢量的作用时间可以一次施加，也可以在一个采 样周期内分多次施加通过控制各个电压矢量的作用时间，使电压空 j 矢量接近按圆轨迹旋转，就可以使电机磁通也逼近圆轨迹。 s v p w m 的优点主要有： ( 1 ) s v p w m 谐波优化程度高，消除谐波效果比s p w m 要好，实现容 易，并且可以提高电压利用率。 ( 2 ) s v p w m 比较适合于数字化控制系统。 目前以微控制器为核心的数字化控制系统是发展趋势，所以逆交 器中采用s v p w m 应是优先的选择 “ 贵州大学硕士学位论文 第三章空间电压矢量调制法的优化 在电气传动中，p w m 控制技术已经得到广泛的应用简单的说，p w m 控制技术就是利用一定的规则来控制功率半导体期间的导通和关断， 把直流电压转换成一系列的电压脉冲序列，并通过规则控制来调整电 压脉冲序列的周期和宽度，以达到预期的变频、调压及减少谐波含量 臀i i 的随着微处理器的发展，具有易数字化、直流电压利用率高、 淅被翕f i ：低等显著优点的电压空间矢量调制法( s v p w m ) ，已经成为一 种被j 泛研究应用的p w m 调制技术 t 2 1 i 乜慷审州矢量控制主要应用于电机驱动中，而这种控制方式最初 的发展也和电机的磁场定向控制密不可分二十世纪7 0 8 0 年代期间， 为了对交流电机负载进行控制，德国的f e l i xb l a s c h k e 等人提出了矢 量变换控制( 磁场定向控制) 的方法，将三相交流电机系统通过矢量 变换，转换至两相坐标系中进行控制经过这种变换，原本具有强耦 合性的三相交流电机系统等价成了两相直流系统，耦合性大大降低。 控制也可以采用类似直流电机的方式进行如果抛开磁场定向控制中 所包含的关于电机的物理概念，那么这种方式实际上是一种将三相系 统的电压统一考虑，并转换至两相系统中进行研究的方法其实现方 式和电机模型没有本质上的联系，因此将其移植至三相非电机负载逆 变电源的控制中，其控制效果不会受影响。这就是s v p w m 控制方式， 其实际上是一种不同于规则采样方式的脉宽调制波产生方法，其最大 特点体现在对三相系统的统一表述和控制，以及对幅值和相位的同时 控制两方面口j 9 3 6 ，“ 3 1s v p w m 技术原理 电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。电动 机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图3 - i ，这是 图3 - l 电压空间矢量 贵州大学硕士学位论文 一个特殊的坐标系，它有三个轴，互相间隔1 2 0 4 。分别代表三个相。 三相定子电压、，它们的方向始终在各相的轴线上，大小则随 时间按正弦规律变化因此，三个相电压空间矢量相加所形成的合成 电压矢量u 是一个以电源角频率口速度旋转的空间矢量 矿= 盯j + 盯j + u c 。 ( 3 一1 ) 同样可以定义定子电流和磁链的空间矢量7 和币 ， 当异步电动机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时， 埘雠稍l 鄢”r 以写出一个电压平衡方程式，三相的电压平衡方程式相 j j i i ，溉绀川介成中n j 矢量表示的定子电压方程式：，则有， 盯：丽+ 些( 3 2 ) t l t 代i u 一定，。i 舸川l 压合成空问矢量： 厂一定子三柙电流合成空问矢量： 一 币一定子兰相磁链合成空日j 矢量 当电动机转速不是很低时，定子电阻r 的压降相对较小，上式可简化 为 盯掣( 3 3 ) 口 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其 空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形( 一般简称为 磁链圆) 。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示 币= 甲_ e t m 其中，已是磁链可的幅值，m 为其旋转角速度 则 疗= 譬竽= 鸺e 州t 蛳“。2 ( 3 由上式可以看出，当磁链幅值匕一定时，矢量盯的大小与m ( 或者 供电电压频率f ) 成正比，其方向则与磁链矢量可正交，即磁链圆的切 线方向如图3 - 2 所示当磁链矢量在空间旋转一周时电压矢量也连 1 6 贵州大学硕士学位论文 【， 削3 - 2 旋转磁场畸电压宅问矢量的运动轨迹 ：j i i i 仫i 如饥蹦的切线方向运动2 万弧度，其运动轨迹与磁链圆重合这 ti | i ，j j j j i l 肠：1 磁场的轨迹口j 题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问 融 。 3 2 啦标变换川 空f l i ji u 瓜久越足= i 相交流电压的一种简洁而形象的表达方式，也 是s v p w i 调制方式的基础由第二章的内容可以知道，三相桥式电压 型逆变器共有八种开关状态，输出电压矢量可定义为 驴= ；( 孤口+ 孑2 u c ) ( 3 5 ) 式中孑= e ，是为单位旋转矢量 瞬时矢量矿是s v p w m 控制中的关键，如果按式( 3 - 5 ) 来求瞬时矢量，复 杂难以实现，实际中是通过坐标变换来求取的。矢量控制算法中使用 的变换主要有：三相静止a b c 坐标系至两相静止口一，坐标系的变换即 c l a r k 交换及其反变换；两相静止a 一，坐标系至两相旋转d - q 坐标系的 变换即p a r k 变换及其反变换。 i c l a r k 变换( 口一口变换) 将三相电压转换至图3 - 3 所示的口一口静止坐标系内，a 轴和定子a 1 7 贵州大学硕士学位论文 ： s 瘁拿2 朝 洚6 ， 将式( 2 - 1 ) 代入式( 3 - 6 ) 得 2 、爹一叫l ( 3 。，2 、扣- s i n ( r o t ) j i i p a r k 变换( d - q 交换) 通过选择d - q 旋转坐标系中d 轴的位置可以简化控制，提高精度。 对三相电压进行控制时，令d 轴和三相合成矢量重合，则d - q 坐标系 的旋转角速度为由，和输出正弦一致，即d - q 坐标系与输出矢量同步旋 盼瞄酬s i n 0 ：； u p 8 ， 式中