（电力电子与电力传动专业论文）三相逆变器的pwm控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n o l o g i e sh a v eb e c o m et h ec o r ec o n t r o l l i n g m e t h o d so fc o n v e n e r sw h i c ha r ea p p l i e di na cd r i v e st e c h n o l o g y a l m o s ta n y c o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c so fc o n v e r t e r s i sr e a l i z e dw i t hv a r i o u sp w mm e t h o d s e s p e c i a l l y , s p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) ，o n eo ft h o s e ，n o to n l yd e c r e a s e st o r q u e r i p p l ea n dc u n e n td i s t o r t i o n , b u ta l s og r e a t l yr a i s e st h ed cv o l t a g eu t i l i z a t i o nr a t i o w h e nc o m p a r e dw i t hs i n n s o i d a lp w m ( s p w m ) ，a n di t s e a s yt or e a l i z e t h e r e f o r e ， i t s b r o a d l ya p p l i e d i na c f i e q u e n c y c o n v e r s i o n s p e e dr e g u l a t o ra n d t h e c u r r e n t - t r a c i n gc o n t r o l i nt h e a c t i v ep o w e rf i l t e r p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r s ( p m s m ) a r er e c e i v i n gi n c r e a s e da t t e n t i o nf o rd r i v ea p p f i c a t i o n sb e c a u s eo f t h e i rh i g ht o r q u et or a t i o ，s u p e r i o rp o w e rd e n s i t ya n dh i g he f f i c i e n c y , s ot h ev e c t o r c o n t r o lo fp m s m ，w h i c hu s es v p w ma sk e yc o n t r o ls t r a t e g y , i se x t e n s i v e l yu s e di n t h en u m e r i c a lc o n t r o l l e dm a c h i n et o o l s ，s e r v oc o n t r o ls y s t e m ，r o b o t s ，e t c f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e dt h eo v e r v i e wo nd e v e l o p m e n t ，a c t u a l i t ya n dt h ev i s i o n o ft h ep o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , i n v e r t e r - c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , p w ma n d p m s mg o v e r n i n gs y s t e m b a s e do na n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no fs v p w m , t h ed e a d - t i m e e f f e c to nt h eo u t p u tw a v e f o r mo ft h ep m s mc o n t r o l l e db ys v p w mi n v e r t e rw a s a n a l y z e dw i t h d i f f e r e n tc u r r e n td i r e c t i o n su n d e ri d e a la n dr e a lc i r c u m s t a n c e r e s p e c t i v e l y t h i sp a p e ra d v i s e sac o m p e n s a t i o ns t r a t e g yo fi t se f f e c t , w h i c hd i v i d e s t h r e e - p h a s ec u r r e n ti n t os i xr e g i o n sa c c o r d i n gt ot h e 印a c ev e c t o rf i g u r eo fc u r r e n t , a n dc o m p e n s a t e st h r e e - p h a s ev o l t a g ei ne a c hr e g i o ni nt e r m so fc u r r e n td i r e c t i o n s e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss t r a t e g yc a ng e tg o o dc o m p e n s a t i o ne f f e c tw i t h o u t i n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t yo f b o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f o r i g i n a ls y s t e m t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ep m s mv e c t o rc o n t r o ls y s t e m , a n de s t a b l i s h e dt h e s i m u l a t i o nm o d e l s o fs v p w ma n dp m s mv e c t o rc o n t r o l s y s t e m w i t l l m a t l a b s i m u l i n k , a t t a i n i n ga n da n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s o nt h eb a s i so f t h er e s e a r c ha b o v e , t h i st h e s i sd e v e l o p e dat h r e e - p h a s ei n v e r t e re x p e r i m e n t a l d e v i c ew h i c hu s e dd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a c o n t r o lk e r n e la n dp m s ma sl o a d e s s p e c i a l l y , t h ep a p e rr e s e a r c h e do i lt h ed e s i g no f t h eo f t h er o t o rp o s i t i o na n ds p ds i g n a ls a m p l i n gc i r c u i t s , a n ds u g g e s t e daf r e q u e n c y m u l t i p i c a t i o ni n t e r p o l a t o rf o ri n c r e m e n t a le n e o d e r sb a s e do n p h a s e - l o c kl o o p ( p l l ) m e t h o d , w h i c hi m p r o v e dt h er e s o l u t i o na n do p t i m i z e dp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mw h i l ec h a n g e dt h es y s t e mh a r d w a r ew i t h i nt h em i n i m u m r a n g e i i a b s t t a c t t h e nw i t hh i g he f f i c i e n td s pa s s e m b l yl a n g u a g e ，t h ep a p e rd e s i g n e da n d d e b u g g e dt h ec o d ef o rt h ef u l ld i g i t a la n dr e a l - t i m ec o n t r o lo fp m s m v e c t o rc o n t r o l s y s t e m , i n c l u d i n gs p e e da n dp o s i t i o nm e a s u r i n g , c u r r e n ts a m p l i n g , p ir e g u l a t o r , c o o r d i n a t el m n s f o r m , e l c ， f i n a l l y ，as u m m a r ya b o u tt h ew h o l et h e s i si sm a d e ，a n dp o s s i b l ed e v e l o p m e n t a l d i r e c t i o n so f t h ef u r t h e rr e s e a r c ha r ep r e d i c t e d k e yw o r d s ：p w m ，s v p w m ，p m s m ，v e c t o rc o n t r o l ，d e a d t i m ee f f e c t c o m p e n s a t i o n ，f r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o n i t l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：搿未致 神7 年；月f 阳 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 一躲砷妄k 伽7 年了月 l l e t 第1 章绪论 1 1 电力电子技术发展概述 第1 章绪论 电力电子技术实现了对电能的有效控制和利用，它起源于2 0 世纪初对石油 天然气管道的流量控制i l j 。历经几代的技术革新和多年的研究发展，电力电子技 术已经在工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫生、交通运输、衣食 住行、文化娱乐、办工学习、科学研究、照明、通讯、宇宙探索等各个方面发挥 了革命性的作用。 、 在电力电子装置中，电容器，电感，变压器等器件都已经达到了近乎理想的 特性，而电力电子技术的瓶颈主要在于电力电子器件的水平【”，因此，一代的器 件决定了一代的电力电子技术。大功率晶体管、晶闸管、功率m o s f e t 、g t o 、 i g b t 、i c r c t 的出现，都将电力电子技术推向了新的高度。2 0 世纪9 0 年代出现 了s m a r t 功率器件、智能功率模块球m 、t o p s w i t c h 等，也必将对电力电 子产生深远的影响。 自从第一只晶闸管问世，电力电子器件的发展经历了不控和半控器件、电流 全控器件、电压全控器件和功率集成电路( p o w e ri c ) 等若干阶段。从最初的汞弧 器件到目前的硅半导体器件，器件的体积减小了3 到4 个数量级：大功率时的开 关时间从毫秒级降到了微秒级，低功率时甚至达到了纳秒级；工作频率从5 0 h z 增加到兆赫级；交流器的功率水平从微伏安提高到几百兆伏安；封装与制造技术 从单片微电子芯片制造技术直至用到高电压技术【2 】 目前电力电子器件的水平基本上稳定在1 0 9 1 0 1 w h z 的水平由于每一个 功率开关器件都具有寄生二极管结构，因而功率器件先天性地受到这个寄生二极 管的限制。目前传统的功率器件已经逼近由于寄生二极管制约而能达到的材料极 限f 3 】 自1 9 8 5 年绝缘门极双极型晶体管( i g b t ) 进入实际应用以来，i g b t 已经 涵盖了6 0 0 v - - 6 5 k v 的电压范围和1 3 5 0 0 a 的电流范围，并且表现出在更高的电 压和电流、更高的频率和更低的功率损耗方面具有进一步发展的诸多潜质。i g b t 在低功耗、高可控性方面取得的巨大进步，使得1 0 m w 级的i g b t 功率变流器 已进入商品化，1 0 0 m w 级的逆变器同样也有商品问世【4 】。 在超大功率应用场合，门极可关断晶闸管( g t o ) 现在已经发展为集成门极 换流晶闸管( i g c t ) 【5 】。与g t o 比较，i g c t 的优点为：关断电流分布均匀、 容许瞬态损耗大、可省略吸收电路、通断延迟时间分散性小且仅为g t o 的1 1 0 ， 第1 章绪论 容易串并联、总损耗为g t o 的一半、关断门极电荷仅为l 2 等 6 1 。4 5k v 、4k a 的i g c t 已出现。 碳化硅肖特基二极管( s i c s b d ) 是一个很有前途的开关器件，它在关断时 几乎没有反向恢复电流，在3 0 0 - 3 0 0 0 v 开关频率高于5 0k h z 的应用场合格外有 吸引力。s i c s b d 在电压源逆变器中的应用将使二极管关断损耗和i g b t 开通损 耗大幅度下降1 7 1 。 目前，电力电子系统集成技术已成为研究热点【1 】嗍。电力电子集成是指将功 率器件、电路元件、控制器、传感器、及动作开关等集成为完整的、智能的电力 电子子系统。一个标准的，模块化的、可编程的系统有利于加速系统级水平的设 计，可以极大地提高电力电子产品的标准化、模块化，智能化及生产的自动化程 度，从而使电力电子系统真正成为现代工业生产自动化大系统中的智能化部件， 进一步扩大电力电子的应用水平1 9 1 。电力电子系统集成包含两个层次的集成：一 个是模块级的集成，即电力电子子系统的集成；另一个是系统级的集成，即电力 电子实际应用系统的集成。小规模的集成电力电子模块( i n t e g r a t e dp em o d u l e ， 简称i p e m ) ，它将驱动、自保护、自诊断功能的i c 与电力电子器件集成在一个 模块中，已应用于1 0 - - 1 0 0k w 的电力传动系统【1 0 l 【1 1 】。 电力电子技术已广泛地应用于工业、交通、r r 、通信、国防以及家电等诸多 领域，据美国国家电力科学研究院预测，到2 0 1 0 年8 0 的电能将通过电力电子 技术的处理。目前，电力电子技术在电机驱动及节能照明技术等方面已经取得了 辉煌的成就。 目前，世界上的主要工业化国家在电力传动系统上的电耗约占总电耗的 5 0 ，在我国，电力传动系统的电耗也构成了工业用电的主体部分。八十年代， 成套的变频器主体是为电力传动系统提供可变频、可变压的二次电源系统，进入 九十年代后，随着矢量控制技术的发展，采用了诸如正弦变频、空间矢量p w m 变频、无速度传感变频等新技术，随着电力半导体器件及计算机技术的发展，性 能更为优良的新型变频器产品不断推出。性能优良的变频器与用量极大且性能价 格比很高的鼠笼式交流异步电动机相结合，构成了控制性能优异、价格适宜、在 很多应用场合有很好节能效果的交流传动系统，已经广泛地应用于冶金行业、化 工、造纸行业、纺织行业、煤炭行业、机械加工行业、建筑行业、电动汽车以及 风机、泵类等通用机械上1 1 2 】。将汽油驱动和电力驱动相结合的混合动力汽车已在 日本问世。如丰田p r u s 和本田i n s i g h t ，据称可减少油耗5 0 ，将排放量减至 1 1 0 i l ”。值得注意的是，随着电力电子技术的发展，永磁同步电机控制系统也得 到了长足的发展进步，并广泛应用于各领域( 详见本章1 4 节) 。 节能照明技术是电力电子技术应用的又一个重要成就。照明用电的迅速增加 2 第1 章绪论 不但增加大量的电力投资，还会产生大量污染，照明在能源及其环境污染上的严 重问题已引起了人们的共识，为此工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划， 我国也在1 9 9 6 年正式启动了绿色照明工程，其目的就是制定一系列经济与政策 措施，扶持重点企业发展节能光源，节能电器和节能灯具，实施节能照吲1 4 1 。 电力电子技术正在以前所未有的速度向各个领域进行渗透，如脉冲功率技术 与高功率脉冲电源是本世纪3 0 年代产生，6 0 年代以来迅速发展并逐渐形成- i q 独立学科的新兴技术领域 1 5 1 0 脉冲功率技术是把较小功率的能量以较长时间慢慢 输入到能储存能量的设备中，将能量进行压缩与转换，然后在极短的时间( 最短 可为纳秒级) 及极高的功率密度向负载释放的电物理技术，实质上是输出功率对 输入功率的放大。脉冲功率电源对于国防高能武器、核聚变反应堆、高能激光以 及环保用的脱硫脱销、电子除尘等都有着巨大的意义1 1 5 1 16 】【1 7 】，而目前，大功率 的脉冲电源基本上都不是基于电力电子开关器件的，因此，将电力电子技术应用 到脉冲电源是世界各国研究的顶尖与核心的技术 将电力电子技术应用于电力系统，诞生了f a c t s 装型啪，电力电子变压器 1 9 1 及分布式发电系统等，为电力系统带来了一场革命，电力系统中的电力电子技 术已经成为未来电力电子技术发展中的关键性技术之一。 1 2p 删控制技术概述 1 2 1 逆变器的定义及其应用领域 所谓逆变器，是指整流器( 又称顺变器) 的逆向变换器，其作用是通过半导 体功率开关器件( 如s c r ，g 1 d ，g t r ，i g b t 和功率m o s f e t 等) 的开通和 关断作用，把直流电能变换成交流电能的一种电力电子变换器tr g j 。逆变技术，是 电力电子学( p o w e r e l e c t r o n i c s ) 四种变换技术( a c d c ( 整流) ，d c d c ( 斩波) ， a c a c ( 变频) ，d c a c ( 逆变) ) 中最主要的一种。 逆变器的应用将越来越重要。2 l 世纪是能源开发、资源利用与环境保护互 相协调发展的世纪，能源的优化利用与清洁能源的开发，是能源资源与环境可持 续发展战略的重要组成部分。具有世界三大能源之称的石油、天然气和煤等化石 燃料将逐渐被耗尽，氢能源与再生能源将逐渐取代化石燃料而成为人类使用的主 体能源，这种能源的变迁将迫使发电方式产生一次大变革，使用氢能源与再生能 源的高效低污染燃料发电方式，将成为主体发电方式，因此，逆变技术在新能源 的开发和利用领域有着广泛的应用前景：( 1 ) 以直流发电机、蓄电池、太阳能电 池和燃料电池为主直流电源的领域，如航空静止变流器( 2 7 v 或d c 2 7 0 v a c l l 5 v 第l 章绪论 4 0 0 h z ) 、通信静止变流器( d c 4 8 v a c 2 2 0 v5 0 h z ) ；( 2 ) 以变频或恒频交流电为 主交流电源，而且采用交一直一交变换方式的场合，如飞机变速恒频电源( 变频 交流电a c l l 5 v4 0 0 h z ) 、新型风力发电电源( 变频交流电a c 2 2 0 v5 0 h z ) 和变 频电源( a c 2 2 0 v5 0 h h a c l l 5 v4 0 0 h z 或a c l l 5 v4 0 0 h z a c 2 2 0 v5 0 h z ) ；( 3 ) 不间断电源( u p s ) 中的核心部件逆变器：( 4 ) 交流电机变频调速系统中的 核心部件逆变器等。 1 2 2 逆变技术的发展过程与现状 1 逆变器的发展与现状 逆变器的原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到过。1 9 4 8 年，美国西屋电气公司 用汞弧整流器制成了3 0 0 0 h z 的感应加热用逆变器。 1 9 5 6 年，第一只晶闸管诞生，标志着电力电子学的诞生，并进入传统发展 时期。在这个时期，逆变器继整流器之后开始发展。首先出现的是s c r 电压型 逆变器。1 9 6 1 年，w m c m u r r a y 与b d b e d f o r d 提出了改进型强迫换向式逆变器， 为当时s c r 逆变器的发展奠定了基础。1 9 6 0 年以后，人们注意到改善逆变器输 出电压波形的重要性，并开始进行研究。1 9 6 2 年，a k c r n i c k 提出了“谐波中和 消除法”，即后来“多重叠加法”，标志着正弦波逆变器的诞生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”，为后来的优化p w m 法奠定了基础，以 实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。 2 0 世纪7 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 、电力晶体管g 1 r 及其模块相继 实用化。2 0 世纪8 0 年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种 高频化的全控器件，并得到了迅速的发展，如功率场效应管p o w e rm o s f e t 、绝 缘门极晶体管i g t 或i g b t 、静电感应晶体管s i t 、静电感应晶闸管s i t h 、场控 晶闸管m c t ，以及m o s 晶体管m g t 等。这就使得电力电子技术由传统发展时 代进入高频化时代。在这个时期，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不 穷，特剐是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。 1 9 6 4 年，由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出的把通信系统调制技术应用到逆 变技术的正弦波脉宽调制技术( s p w m ) ，由于当时开关期间的速度慢而未得到 及时推广，知道1 9 7 5 年才由b r i s t o l 大学的s r b o w e s 等人把s p w m 技术正式应 用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展，也使 正弦波逆变技术达到了一个新的高度。此后，各种不同的p w m 技术相继出现， 如注入三次谐波的p w m 、空间矢量p w m ( s v p w m ) ，随机p w m 、电流滞环 p w m 等，成为高速开关器件逆变器的主导控制方式。 4 第1 章绪论 一般认为，逆变技术的发展可以分成如下三个阶段。 1 9 5 6 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，输出电压波形以多重叠加法为主，体积重量较大， 逆变效率较低，正弦波逆变技术开始出现。 1 9 8 1 2 0 0 0 年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 为主，体积重量小，逆变 效率高，正弦波逆变技术的发展日趋完善。 2 0 0 0 年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为 主，低速与告诉开关器件并用，多重叠加法与p w m 法并用，不再偏向追求告诉 开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。 2 逆变器的基本形式 逆变技术的种类很多，可按照很多种不同形式进行分类。其主要分类方式如 下1 2 0 1 ： 1 按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变、中频逆变、高频逆变。 2 按逆变器输出相数，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、i g b t 逆变，等等。 6 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。 7 按输出波形可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 8 按控制方式，可分为调频式( p f m ) 逆变和调脉宽式( p w m ) 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。 3 现代逆变器的研究内容 现代逆变器的研究内容有以下几个方向1 1 9 1 ： ( 1 ) 输出电压或电流波形正弦化技术，如s p w m 技术、多重叠加技术、多 电平逆变技术等； ( 2 ) 降低开关损耗，减小电磁干扰技术，如缓冲技术、软开关技术等； ( 3 ) 减少逆变器体积、重量技术，如内高频环技术等； ( 4 ) 提高直流电源电压利用率技术，如空间电压矢量p w m 控制技术、注 入3 次谐波的p w m 技术、梯形波p w m 技术等； ( 5 ) 逆变器的并联运行技术； 第1 章绪论 ( 6 ) 智能化逆变技术； ( 7 ) 绿色逆变技术； ( 8 ) d e l t a 逆变技术等。 上述研究内容表现在逆变器主电路上共有三种结构形式：p w m 型逆变器、 多重叠加逆变器和多电平逆变器。其具体分类如下： if 正弦波p w m 逆变器 lli 提高直流电压利用率p w m 逆变器 ip 洲掀器卜型一逆变器 黼妻霎鬻涩箸 iil 跟踪型p w m 逆变器 iii d e l t a 逆变器 li 电流型p w m 逆变器 逆变器i 电压型多重叠加 柔冕蓍毳嚣篙霁羹耋舞 f 多重叠加型逆变器i 采用一个变压器的初级串联叠加 il 电流型多量叠加 嘉釜霎鬟蓁驾串联叠加 if 二极管钳位型多电平逆变器 l 多电平逆变器 飞跨电容钳位型多电平逆变器 ll 具有独立直流电源的单相逆交桥直接串联型多电平逆变器 【 。 1 3 p w m 技术概述 图1 1p w m 控制原理示意图 p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技术口”是利用半导体功率器件的导通与 6 第1 章绪论 关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压 ( v v ) 目的，或者通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频( v w f ) 目的的一种控制技术。在离散系统中，冲量( 窄脉冲的等效面积) 相等而形状不同 的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。典型的例子是正弦半 波波形可看成是n 个彼此相连、脉宽相等( 都等于习n ) 但幅值不同( 脉冲的顶部 不是直线，各脉冲的幅值按正弦规律变化) 的脉冲组成的波形，这些脉冲序列可 用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，按照矩形脉冲的中点和相应正 弦部分的中点重合、而且每个矩形脉冲与相应的正弦部分面积相等的原则，就可 得到如图1 1 所示的等效脉冲序列。在p w m 波形中，各脉冲的幅值是相等的， 通过控制逆变器输出电压的脉冲宽度和脉冲列的周期，便可实现变压交频。这就 是p w m 控制技术的理论依据。 1 3 1p i n 技术的研究现状 1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 将通讯系统的调制技术借鉴到交流传动 中，产生了正弦脉宽调常t j ( s p w m ) 变频变压思想。由于它能同时实现变压、变频 及抑制谐波，p w m 控制技术一直是电气传动和能量变换领域的研究热点。近年 来，借助于先进的数字处理器d s p 等工具，p w m 数字化控制策略更是不断翻 新，目前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种。从最初追求 电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦：从效率最优。转矩脉动 最小，再到消除噪声等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和完善的过 程。在比较各类相关资料的基础上，我们可将p w m 控制技术分为三大类，正弦 p w m ( 包括以电压、电流或磁通正弦为目标的各种s p w m 方案) 、优化p w m 及 随机p w m 。 在各种p w m 控制技术中，正弦p w m ( s p w m ) 是最常用的技术。从最初采 用模拟电路完成三角载波与正弦调制波的比较，产生p w m 信号以控制功率器件 的开关，到目前采用全数字化方案，完成实时在线的p w m 信号输出，英国b r i s t o l 大学的s r b o w e s 提出了规则采样数字化p w m 方案阱】，对自然采样规律做了简 单的近似，为控制信号的实时计算提供了理论依据在电压正弦p w m 的数字化 实现中，规则采样p w m 具有容易实现、控制线性度好等优点，但存在直流电压 利用率低的缺陷。为了克服这一问题，s r b o w e s 等又于1 9 8 5 年提出了准优化 p w m 技术1 2 3 和用于高压高频的准优化p w m 技术( h v s o p w m ) ，为优化p w m 技术的进一步发展奠定了理论基础。 电流正弦p w m 技术( 又称为电流追踪型p w m 技术) 具有动态响应快和电压 利用率高等的特点，在电机传动系统中及各种d c a c 电源中也得到了广泛的应 第1 章绪论 用。电流控制的一种数字化实现方法是a b p l u n k e ! t 提出的电流滞环p w m 控制， 即把电流参考波形与电流的实际波形通过滞环装置进行比较，由其结果决定逆变 器上下桥臂功率器件的开通和关断，这种方法的控制精度与滞环宽度有关。在功 率器件的允许开关频率范围内，滞环宽度决定了开关频率的大小，但是开关频率 不固定。优化开关次数 2 4 1 后来又提出了很多改进的方法，如查表选取电压矢量的 方法以利用自适应调节以得到大致固定的开关次数【2 5 】、使用采样保持器以得到固 定开关频率的4 调制法 2 6 1 等。为了解决在有限采样频率下实现电流的有效控制， j h o l t z ，a k a w a m u r a eh a r d a n 等人提出了基于神经网络、扩展的卡尔曼滤波等 的电流预测控制1 2 7 1 。它是在采样周期的开始，根据电流的当前误差和负载情况选 择一个使误差趋于零的电压矢量，去控制逆变器中功率器件的通断。以上几种电 流正弦p w m 控制技术的优点是硬件简单、电流控制响应快、可以实现电压和磁 通的自动跟踪控制，缺点是电流谐波比较大。 磁通正弦p w m 控制( 磁连追踪型p w m 控制) 是用逆交器不同的开关模式所 产生的实际磁通去通近基准圆磁通，并由比较结果决定逆变器的开关状态。它对 电压空间矢量的划分同于德国学者d e p e n b r o c k 提出的直接转矩控制系统。当用 正六边形磁链轨迹去逼近磁链圆时，其控制效果等同于直接转矩控制。现在借助 于高性能的数字处理器d s p ，磁通正弦p w m 控制实际上是用正n 边形磁链轨迹 去逼近理想磁链圆【嚣】磁通正弦p w m 控制以其电压利用率高、开关损耗小、实现 简单的特点越来越广泛地应用于传动系统和变频电源装置中。 最优p w m 技术的概念是由g s b u j a 和g b 1 n d r i 针对谐波电流有效值的优 化问题于1 9 7 7 年提出的。现在所讲的优化p w m 控制实际上是根据某一额定目 标将所有工作频率范围内的开关角度预先计算出来，然后通过查表或其它方式 输出，形成p w m 波形。它所追求的是实现电流谐波畸变率( t h d ) 最小、电压利 用率最高、效率最优、转矩脉动最小及其它特定的优化目标。在变频电源装置等 功率器件开关频率较低的系统中，低次谐波含量较大，若以离线计算好的开关角 度去控制逆变器的开关动作，则较容易实现某个或几个目标的最优控制。g s b u j a 在文献i 柳中计算了开关角度分别为1 ，2 ，3 ，4 时的最优p w m 模式，成为优化p w m 的经典结果，并一再被各国学者所引用和进一步的研究1 3 0 。然而，在运动控制 系统中，由于开关频率较高，开关角的在线或离线计算较为困难，消除指定次 谐波的p w m 优化算法不易实现。 随机p w m 控制方法是从改变噪声的频谱分析入手，使逆变器输出电压的谐 波成分均匀地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。我 们知道，逆变器功率器件的导通位置和开关频率的改变影响着输出电压的频谱分 析。如果导通位置或开关频率以随机的方式加以改变，逆变器输出电压就得到一 8 第l 章绪论 个宽而均匀的连续频谱，某些幅值较大的谐波成分就能被有效地抑制住，这就是 随机p w m 的基本原理。随机p w m 按其实现方式主要分为三类，即随机开关频 率p w m 、随机脉冲位置p w m 和随机开关p w m 。在消除机械和电磁噪声方面， 随机p w m 提供了一个分析问题的全新思路。 1 3 2p 删控制性能指标 随着p w m 控制技术在交流传动中的应用越来越广泛，其对系统的不利影响 也越来越引起人们的重视。以p w m 控制方式运行引起的问题主要是电流畸变、 逆变器中的开关损耗、负载中的谐波损耗以及电机转矩的脉动。下面将分别讨论 这些影响的性能指标。 1 电流谐波1 3 1 鹏l 假定三相p w m 逆变器的相电压波形试u ( t ) 具有四分之一波形对称，根据文 献【3 2 其展成傅立叶f f o r r i e r ) 表达式，有 “( f ) = ( f ) ( 一= l ，3 ，5 a a ) ( 1 1 ) 其中，u i ( t ) 是基波；t h ( t ) ( n = 3 ，5 ) 是u ( t ) 的n 次谐波，且 虬( f ) = u a s i n ( n 研) = 去 1 + z 鲫c o s ( m , ) n 玑= 川叱2 其中，a n 是波形“f j ! ) 在u a = i 时的傅立叶系数；是的有效值。 在谐波电压频率下，感应电动机的谐波等效电路可简化为它的漏感厶。在 假定厶与频率无关的条件下，定义谐波电流的有效值和畸变率分别为 卜酽= 辱 t h d = 鲁= 去摩= 击v 篾4 u l ( 1 3 ) 式中，奶，乃分别为基波电压和电流的有效值；以为傅立叶级数展开式的电 压分量有效值；w ，为基波频率；l ，为电机的总漏电感。 谐波电流主要影响电机的铜耗，它是构成电机损耗的主要部分【3 l 】【3 2 1 。负载 电路的铜耗与谐波电流的二次方成j 下比，即虻t h d 2 。 9 第1 章绪论 2 谐波电流频谱i i 州 谐波电流频谱是指谐波电流的各频率分量在非正弦电流中所占的份额。在系 统仿真中，它比总畸变因数t h d 可提供更详细、直观的说明。在同步p w m 中， 可以得到离散电流频谱籼矧。其中，行为谐波分量的阶次：载波频率，。= 撕是 基频石的整数倍；n 是载波比，n 乏后历，且受下列条件限制： r s 正。，石一 ( 1 4 ) 式中，。为功率器件的允许开关频率；f l 。为最高基波频率。 3 最大调制度p 1 调制度m 定义为调制信号峰值u l 与三角载波信号峰值u ，之比，即 所= u u ( 1 5 ) 理想情况下，m 值可在0 1 0 之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。 实际上m 总是小于1 0 ，在n 较大时，一般取最高的m = 0 8 0 9 。m 值反映了直 流母线电压的利用率。 4 谐波转矩3 1 i 整流后的直流电压经过p w m 控制的逆变器后，形成脉冲电压序列作用于交 流电机上。电压( 流) 中的谐波分量将引起电机转矩的脉动。脉动转矩的标么值可 用下式表示： a t = ( k 一乙) 瓦 ( 1 6 ) 式中，7 k 。心为最大气隙转矩；z 0 为平均气隙转矩；珊为电机额定转矩。 5 开关额率和开关损耗! a 4 l 开关频率的增加，一方面可使逆变器交流侧电流的畸变率减少，提高系统的 性能；另一方面，开关次数的增加，必将导致开关损耗的增大。而且功率器件的 开关次数受其允许开关频率的限制。 0 第1 章绪论 图i 2i g b t 的典型开关波形 功率器件的开关损耗主要包括静态损耗和动态损耗。其中，静态损耗尸0 与 开关电流成正比，动态损耗只。几主要包括功率器件导通过程中的上丹时间矗和 关断过程中下降时间驴两部分内的开关损耗。图1 2 是i g b t 的典型开关波形。 设功率器件的开关损耗为尸妇，则一般有如下关系 咒。= 巴+ 匕= u 2 厂( o e k ( 1 7 ) 式中， 是开关电流的单调递增函数，c ，出是逆变器直流侧电压，e 是功率 器件的开关频率，x 是常量。 1 4 永磁同步电动机调速系统发展概况与趋势 1 4 。1 永磁同步电动机调速系统发展概况 电气传动系统是由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成的一个有机整 体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电气传动系统。虽然调速传动从 电流型式上分为直流调速和交流调速两大类，但在交流调速中，异步电动机调速 系统和同步电动机调速系统己发展成为占有相当比例的两类调速系统，目前己形 成直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机三大类调速系统l 碉。 直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速 系统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护 困难且工作量大，经常因火花大而影响生产；机械换向器的换向能力限制了电动 机的容量、电压和速度；接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；电 枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。这些固有的缺点限制了 直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。 第1 章绪论 在交流电网上，因异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低， 保养维护简单等优点，所以长期以来，在不要求调速的场合，异步电动机占有主 导地位，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用交流异步电动机来 拖动机械工作。但是，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，并且在 这类拖动中，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时 尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗，无形中损失了大量电能。 自7 0 年代以来，科学技术的发展极大地推动了永磁同步电动机的发展和应 用，主要的原因有： 1 。高性能永硪材科的发展 1 9 8 3 年问世的钕铁硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性优异，成本低廉 且材料来源有保证( 我国占有世界蕴藏量8 以上的钕资源) ，所以在开发高磁场 永磁材料( 特别是钕铁硼永磁材料) 方面具有得天独厚的有利条件，我国的钕铁硼 永磁材料特性水平已达到世界的先进水平，为永磁同步电机的发展提供了物质基 础。 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中 用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是：简化了结构，消除了转子的滑环、电 刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省去励磁直流电源，消除了励磁损耗和 发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。 2 新型电力电子技术器件和脉宽调嗣( p w m ) 技术应用 电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间 的桥梁。自1 9 5 8 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元 件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复 合场控器件直至9 0 年代出现的第四代功率集成电路i p m 。半导体开关器件性 能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极大地推动 了各类电机的控制。7 0 年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电机的变频 调速创造了条件。同时对同步电动机而言解决了起动问题。对最新的自同步永磁 同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中必不可少的 功率环节。 3 电子技术和控制理论的发展 集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，规模集成电路和计算机技术 的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。随着电子技术的发展，各种集成 化的数字信号处理器( d s p ) 发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越 第1 章绪论 多，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高，出现了专门用于 电机控制的高性能、低价位的d s p 。这使以单片机为核心的全数字控制系统取 代模拟器件控制系统成为可能。计算机技术的应用除了实现复杂控制规律，便于 故障监视、诊断和保护等功能外，还