（电机与电器专业论文）交流变频调速系统svpwm技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 a b s t r a c t t h ef l u xs i n u s o i d a lp w m ( s v p w m ) t e c h n o l o g yc a nr e a l i z ed i g i t i z a t i o n m 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 st o h i g h v o l t a g ea n dl a r g e c a p a c i t y f i e l d s g r a d u a l l y i n s 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 西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 e t h e s i s a n a l y z e s t h e w o r k i n gp r i n c i g i l e s o ft r a d i t i o n a lf l u x s i n u s o i d a lp w mc o n t r o l t e c h n i q u e i nd e t a i l a n dt h em o d u l a t i o nw a v e f u n c t i o n sa r ed e d u c e d t os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n ，a n o p t i m i z e ds i m p l e r m e t h o di su s e dt or e a l i z et h ed i g i t a la l g o r i t h m a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o d o fr e a l i z a t i o ni no v e r - m o d u l a t i o nr a n g e a n dt h ed i g i t a ls i m u l a t i o ni sd o n e b y c o m p u t e r t ov e r i f y t od e c r e a s es w j t c h j l l 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 l lu 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 g z e r ov e c t o r s p 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 s a c c o r d i n g l y a n d s w i t c h i n g l o s s e si sd e c f e a s e d l a r g e l ya tt h es a m e c a r r i e rw a v e f 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 y o fs e v e r a lo p t i m i z e dm e t h o d so fs v p w m r 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 s d 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 d q u a l i t a t i v e l y , a n de x p r e s s e se l e m e n t a r y i d e a si nm e t h o d so f d e c r e a s i n g s 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 d e s s e n t i a l l yb yu s i n g h a r r n o m c i n j e c t i o nm e t h o d 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 et h e s i sp r o v e s o p t i m i z e d s v p w mm e t h o di 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 e n 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 so nb o t hs i d e so ft h e c u r r e n tp e a kv a l u e s y m m e t r i c a l l y t o r e a l i z et h ea r i t h m e t i co ft h ei d e a l o p t i m i z e dm e t h o d ，t h et h e s i sp r e s e n t s as i m p l ed i 西t a la r i t h m e t i c ，a n dt h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s p r o v e st h ef e a s i b i l i t y t h e d e f i c i e n c i e si n v o l t a g e u t i l i t i e so ft h es e v e r a lo p t i o n a lm e t h o d sa r ea n a l y z e d 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 ma n dt h eo p t i m i z e di nd s p k e yw o r d s s v p w m o p t i m i z e s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 交流电机控制系统具有电机制造成本低、结构简单、维护方便，易 实现大功率高速驱动等优点，在工业中得到广泛的应用；并发展很快，随 着微处理器应用于交流电机控制系统以来，控制系统的硬件结构也大大减 化，软件所能实现的功能越来越复杂，到目前为止，交流电机控制技术已 发展成为集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字计算机仿真技术 为一体的新兴学科【9 】。本章简介了交流调速系统的发展概况。 1 1 交流调速系统发展概况与趋势 在电机控制系统中，大部分要求控制电机或生产机械机构的位置、速 度或转矩，主要分为速度控制和位置控制。对位置控制( 伺服) 系统，国 际上多称之为运动控制系统，在机器人、打印机、磁盘驱动器等领域应用 广泛；速度控制系统也叫调速系统，是电动机的转速调节，它在交通、机 械、矿山等部门应用广泛；除此之处，还有张力控制系统，主要应用在带 材或线材加工过程中，必须保持一定的张力使线材拉得均匀而不断裂；另 外还有多电机同步控制系统。 调速系统( 转速控制系统) 通常又可分为直流调速和交流调速度两种， 称为直流传动系统和交流传动系统。直流电机调速度性能优越，然而因为 换向器的存在，使其寿命缩短，同时也加大了维护工作量，单机容量，最 高转速及使用环境都受到限制，使得人们转向对交流电机调速系统进行更 深入的研究，从2 0 世纪3 0 年代就已开始，只是进展缓慢，直流调速在相 当长时间内占居主流；7 0 年代以来，电力电子技术和控制技术发展迅速， 使得交流调速可与直流竞争：到2 0 世纪8 0 年代，已经有一系列的商品化 交流电机控制系统问世【引。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电体的综合性技术，既要处理 巨大电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因 此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流 有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决( 基于 现代控制理论的控制策略和智能控制策略) 的硬、软件开发问题( 在目前 状况下主要全数字控制技术) 。 其主要发展方向有如下几项： 1 电力电子技术的发展与进步 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电力电子技术是门多学科交叉的边缘学科，它同时涉及电力学、电 子学、控制理论三大领域，下图可表示出它们之间的关系。 图1 1 电力电子学图1 ，2 器件容量与开关频率关系 电力电子器件是电力电子技术的核心。1 9 5 8 年美国通用电气公司研 制出第一个工业用晶闸管，大大扩展了半导体器件功率控制范围，电能变 换的变流器开始以电力半导体器件组成，电力电子技术随即诞生。经过数 十年的发展，一代又一代的新型电力电子器件相继的问世。评价电力电子 器件的品质因素也从单纯追求容量到目前的大容量、高频率、低损耗、易 驱动等综合性指标。 电力电子器件的发展是交流调速系统的物质基础，其发展方向是高 压、高频化、大功率、智能化和组合化。新的可关断器件的出现，使高频 p w m 技术得以实现。电力电子器件是实现强电控制弱电的关键所在。 2 控制理论与控制技术方面的研究与研究与开发 异步电机的数学模型比较复杂，它是一个非线性、多变量、强耦合的 控制对象，其电压、电流、磁通、频率及转速都是影响电动机转矩的因素， 其中很多参数互相作用而不能用常规方法加以分开。上世纪7 0 年代初由 德国的e b l a s s c h k e 等人首先提出了用矢量控制理论来研究电机的动态控 制过程，用矢量变换方法，实现同时控制各变量的幅值和相位，巧妙实现 了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制【9 1 。为解决控制精度和系统复杂 性间的矛盾，又出现了直接转矩控制、定子磁场定向控制等方法。 其基本思想【1 ”是先将数学模型简化，然后通过坐标变换和磁场定向， 得到与直流电动机等效的数学模型，来模拟直流电机的控制，以达到直流 电机一样好的动态响应特性。缺点是转子磁链难以准确观测，矢量变换复 杂，往往实际达不到理论分析效果。 3 p w m 模式改进与优化研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 近年来，对于电压空间矢量控制p w m 模式进行了改进与优化，对三 电平模式的研究已取得了有实用价值的成果。 4 ，电子及计算机技术的发展 微处理器是交流电机驱动控制系统中的关键所在，近几十年来，随首 微电子技术和大规模集成电路技术的发展，以3 2 位高速微处理器为基础 的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法。 微机应用：交流电机数字控制系统既可用专门的硬件电路，也可用 总线形式。如v m e 、s t d 等总线。而对高性能的运动控制系统来说，对 存储多种数据和快速实时处理大量信息要求更为严格，能够实现复杂的控 制功能。 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术：数字模拟技术在工程领域已 广泛应用，系统仿真成为系统设计中不可缺少的环节。目前为止，可选择 的用于辅助分析与设计的软件包有很多种，有通用的，也有专用的，有些 软件相互之间还有接口( 如m a t l a b s i m u l i n k 与p s p i c e ) ，这样可以充分利 用各自的优点组合起来进行系统仿真。 5 无机械传感器技术及新型电机的开发 对交流调速控制系统来说，一般具有转速闭环控制。要实现对位置和 转转速信息的反馈，就需要来检测反馈。安装速度传感器则有系统成本高、 可靠性低、易受环境影响、体积大等缺点。成本合理、性能良好的无速度 传感器交流调速系统的特点是不需要在电机转子和机座上安装电磁或光 电传感器，而是利用电机的数学模型及检测到的电机电压、电流参量来估 计出电机转子位置和转速。 伴随着交流传动控制系统的发展，对电动机本身的要求也越来越高 了。如电机的设计和建模、三维涡流磁场的计算、考虑转子运动及外部交 频供电系统、笼条的故障检测问题等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 本文研究的主要内容 本文介绍了交流电机的控制系统的发展及现状，并生简要分析了多种 交流调速技术的原理，对各自特点进行了比较，回顾了p w m 控制技术的 发展。 本文对空间电压矢量p w m 的原理进行了较深入分析，用一种比较简 单的方法导出了矢量合成式s v p w m 每一扇区开关矢量的导通时间，推 导出其调制波函数的数学表达式，对其线性调制区和过调区的算法实现进 行了讨论，并构建了仿真模型，进行了系统仿真。 从理论上详细的分析了多种不同零矢量分配方式的s v p w m 优化策 略，推导出了各种方式的调制波函数，通过对损耗和谐波等方面的分析比 较，最后得出了一种较理想的优化策略。针对这种优化s v p w m 控制策 略，本文提出一种简单的数字化实现算法，用仿真实验进行了验证；最后 用谐波注入法分析了所有优化策略的基本思想，并分析各种优化策略的直 流电压利用率。 最后，详细说明了交流电机数字控制系统中s v p w m 控制算法在 d s p 中的各种实现方法和步骤。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章交流异步电机的变频调速 1 9 6 4 年，德国人a s c h o n u n g 提出了脉宽调制变频的思想，并推广应 用于交流变频调速系统中。为交流调速系统开辟了新的发展领域。交流电 动机的高效调速方法中，典型的是变频调速，不仅适用于交流异步电机， 同样也适用同步电机的调速。变频调速技术能够实现无级调速，并且能根 据负载特性的不同，适当调整电压和频率的关系，以使电机始终运行在高 效区，保证电机具有良好的动态特性。 转速开环的恒压颓比控制系统是目前应用最为广泛的变频调速系统 之一，通常称为恒压频比( 、) 控制。这种控制方案采用转速开环，并 带有低频补偿，其系统结构简单，成本低廉，适用于对系统动态性能要求 不高的场合，如水泵、风机等调速系统。 2 1 转速控制要求和主要指标 对于各种需要转速控制的设备，调速的具体要求会有所不同，转速控 制也多种多样。规纳起来，有以下三项要求； a 稳速：在一定精度内，保持速度的稳定运行，受到一定干扰也不会出 现较大波动。 b 调速：按控制要求，在一定速度范围内，分档( 有级) 地或平滑( 无 级) 地调节速度。 c 加速或减速：对于频繁地起动、制动的设备，要求尽快实现加、减速， 以提高工作效率，有些则要求起动、制动尽量平稳。 以上几项要求并不一定在调速系统中同时需要，有时只会要求其中的 一项或两项；a 硬和b 项则常常出现，对于这二项，常讨论到的指标如 下几项： i )调速范围d ：电机的最高转速n 。和最低转速n m i l i 之比称为电机的 调速范围，表示为： d ；k ( 2 1 ) ，l m 最高转速n m 。和最低转速n 。j 。一般指额定负载下的转速。 i i )静差率s 1 ：指负载由理想空载增加到额定负载时所对应的转速降落 血。，与理想空载转速n o 的比值，用s 1 表示，表达式如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 s ，。竺2( 2 2 ) 以d 用来衡量调速系统在负载变化时的转速的稳定度，它和机械特性的硬度有 关。机械特性越硬，静蓑率s l 就越小，系统转速稳定度就越好。 逝)调速范围d 、静差率5 i 及额定速降如。间的关系 d ：鱼：旦；墨! ( 2 3 ) n mh i na n ( 1 - s ) 由上式可见，调速范围d 和静差率s t 不是互相孤立的，只有同时讨 论才有意义：对调速系统来说，如果对静差s l 要求越严，也就是要求静 差越小，则相应地调速范围就越窄。 2 2 交流异步电机调速技术1 根据电机学原理知识，可以得至0 异步电机的转速表达式： 以。n 。( 1 - s ) 。6 0 , ( 1 一s ) ( 2 4 ) p n 式中：n 1 为同步转速( r r a i n ) ； f l 为定子电源频率( h z ) ； p n 为极对数； s 为转羞率。 式( 2 - 4 ) 表明，异步电机的调速可以通过三种方法进行：调节电源频率、 改变极对数、及调节转差率。 2 2 1 变极调速技术 由式( 2 - 4 ) 可知，改变电机的极对数p n ，同步转速度发生改变，电 机的转速也随之改变了。改变绕组联接方法，使流过线圈时电流反向，来 达到改变电机定子极对数的目的。如图所示，将一相绕组一分为二，当绕 组顺接串联时，就在气隙中形成对4 极磁场，如果想设法让其中一半绕组 的电流反向，把二纸绕组反向串接或反向并接，形成的便是二极磁场，同 步转速度就上升到原来的两倍大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 触觚蹭 abc 图2 - 1 电流反向变极原理a ) 4 极b ) 、c ) 2 极 变极调速，不管有多少极对数，速度只能是一级一级地改变，属有级 调速，不能平滑地变速，其应用范围受到一定限制。 2 2 2 改变转差率调速技术 由式( 2 4 ) 可以看出，改变差率，同样要以改变转速。异步电机电 磁功率可分为：机械功率p 盥。和转差功率琢。 己“。( 1 - s ) 尸m ( 2 - 5 、 只= 以 变频、变极调速改变了同步转速，转差功率由转子铜耗构成，基本上 保持不变。从能量角度上说，是转差功率不变型，效率高。而转差率调速 则是，转差功率与转差率成正比，如果转差功率被消耗掉了，则称转差功 率消耗型；如果回馈到电网，则称为转差功率回馈型。常有以下几种方法： 绕线转子串电阻调速：在绕线转子异步电机的转子回路中串入电阻， 这种方法只要保持转子回路总电阻与s 的比值不变，就能保持转矩为常 数。但转速度越低，转差率越大，串入电阻越大，效率就越低；调速范围 小，平滑性差，不经济。定子调压调速：从异步电机机械特性图上可看 出，改变定子端电压，也可以改变电机转速。另外还有电磁转差离合器调 速、双馈调速和串级调速。 图2 - 2 异步电机机械特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 3 交流变频调速技术 由式( 2 4 ) 可看出，改变电源频率f l 时，同步转速也相应地改变， 电机转速随之变化。这种调速技术调速范围宽、平滑性好、效率高，同时 具有优良的动、静态特性，是应用电为广泛的一种高性能调速技术。 电机设计时，一般将工作点选在磁化曲线开始变弯处，以充分利用铁 心材料。调速时希望每极磁通m 。保持额定值不变：中。= 垂。因为 当磁通增加，过分饱和时，励磁电流剧增，绕组发热，功率因数将降低； 而磁通减少时，将使节电机输出转矩降低，如果此时想维持负载转矩不变， 热必导致定、转子过流，也会产生过热，因而希望保持恒磁通变频调速【8 1 。 2 2 3 1 变压变频( w v f ) 基本原理 电机定子每相感应电动势的有效值为 e l = 4 4 4 ，1 n 1 k l 垂。 ( 2 - 6 ) 式中： e 1 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值( v ) ； f l 为电源频率( h z ) ； n 1 为定子每相绕组串联匝数； i ( n - 为基波绕组系数； 中为每极气隙磁通( w b ) 。 图2 - 3 异步电动机稳态等效电路图 e 2 为折算到定子频率( s = 1 ) 、定子绕组的转子每相感应电动势 x 2 为折算到定子频率、定子绕组的转子每相漏抗； r 2 为定子绕组的转子每相电阻。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 要保持中。：k 粤。c 。脚f ，则要同时改变感应电势局和五，即采用的 ，1 恒电动势频率比的控制方式。这显然是一种理想状况下的控制方法。 实际上，由于感应电动势是难以直接控制的 0 图2 - 4 a ) 日矿恒定时机械特性b ) 【厂，恒定时机械特性 由异步电动机稳态等效电路如图2 3 ，异步电机端电压与感应电势的关 系为： u=e 1 + r 1j 1 ( 2 7 ) 当电源频率f 1 较高时，感应电动势的值也较大，因此可以忽略定子 阻抗压降，认为定子相电压，u 1e 1 4 4 4 f ，1 k ，垂。则得： 中m = k a c o n s t( 2 8 ) ，1 这可近似地维持磁通恒定，实现近似的恒磁通调速，就是恒压频比( u ，) 控制方式。 当频率较低时，毋和巩都较小，定子漏阻抗压降在u 中所占的比 率就比较显著，不满足u ，一e ，= 4 4 4 f i n 。k 。中，不能再忽略。此时若 以巩f 来代替西，就会形成较大误差，这时可以人为的对定子阻抗压 降进行补偿，适当的提高逆变器的输出电压。补偿后的特性如图2 4 b 。 2 2 3 2 变频调速机械特性 根据图2 - 3 及电机学知识，可导出巩，恒定时的机械特性方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 转子电流为： i 2 ； ( 2 9 ) g ! ! ! !( 2 1 0 ) ( _ + 等) 。+ b ，+ x z ) 2 此式即为u 】，】恒定时的机械特性方程。当式中s 很小时，可以忽略 分母中相关项，可得： z 一警附r 1 2 a s _ c z 一 c i = 1 + x 1 | x m l ； x 。为与气隙磁通相对应的定子每相绕组励磁电抗； x 1 为定子绕组每相漏抗；r l 为定子绕组每相电阻； 由此式可见，转矩t 近似跟s 成正比，机械特性表现为一段直线；当 s 接近1 时，式( 2 1 0 ) 取近似，转矩跟s 成反比，机械特性就是一段双 曲线；当处在上述两段之间时，机械特性从直线平滑过渡到双曲线。 在叻仍为恒定情况下，电机同步转速靠j 会随首频率正的变化而改变， 带负载时的转速降落为：幽。，；。塑丘。结合直线段机械特性式 p n ( 2 - 1 0 ) ，可得： 加；里b ( 2 1 2 ) m 1 p f u a l 。 2 z ，1j 最大转矩： l 2 警习盎丽 沼 一训一 耐 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 从上式( 2 1 2 ) 可以看出，当u l f i 为恒定，如果维持转矩t 不变， n ， f l s 是基本不改变的，因而转速降落a n ；s i ，一s 竺卫也基本不变；电源频 p u 率f 1 改变时，机械特性曲线只是平行地上下移动；从式( 2 1 3 ) 看出，最 大转矩t 随f 1 降低而减小，如果频率很低，会影响调速系统带负载能力。 机械特性壹口图2 4 所示。 2 2 3 3 额定频率以上调速 在额定频率以上调速时，频率可以从f 1 往上提高，但是端电压u 1 不 能继续上升，而要维持在额定值u n ，这将迫使磁通与频率成反比下降， 相当于直流电机的弱磁升速情况。异步电机在速个调速范围内，其控制特 性如图2 - 5 所示。如果电机始终具有额定电流，并且在温升允许之下，这 时转矩基本上随磁通变化。所以，在额定转速下时为恒转矩调速，在额定 转速以上则为恒功率调速阶段。 图2 5 控制特性 2 2 3 4 交流调速p w m 控制技术。7 3 p w m 控制技术在电气传动中得到了广泛的应用。p w m 控制技术是 利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变成电压脉冲序列，通过控 制脉冲的周期或宽度来变频变压。在变频的同时也协调地改变电机的端电 压，因此在交流调速系统中的变频器实际上是变压( v a r i a b l ev o l t a g e ) 变 频( v a r i a b l ef r e q u e n c y ) ，即，、，f 。与此相对应的还有定压( c 、定频 ( c f ) 变换器，简称c v c f ，可认为是因定某一点运行时的一种特殊工况。 v w f 技术分为两种? 一种是把w 和v f 分开。常用可控制整流器 进行相控调压，然后逆变成频率可调交流电，或者用不可控制整流器，后 经斩波器调压，再逆变成频率可调的交流电，见图2 6 和图2 7 。这种方 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 式称为脉冲幅值调制( p 丛d v i ) 方式，这是由于早期开关器件频率不高， 只能靠前面环节改变直电压的大小。 图2 - 6 可控整流逆变方式 图2 7 不可控整流斩波- 逆变方式 另一种则是将w 与v f 集中于逆变器一起完成，其原理图见图2 8 。 目前p w m 法有多种，而且一直处在不断发展之中，从控制思想上可以把 它们分为四类：等脉宽p w m 法、正弦p w m ( s p w m ) 法、电流跟踪型p w m 法、磁链跟踪型p w m 法。 等脉宽p w m 法的脉宽都相同，靠改变脉冲周期来调频，改变占空比 调压，其缺点是谐波分量较大；s p w m 从电机供电电源角度出发，着眼 于如何产生可调频调压的三相对称正弦波电源，输出电压中低次谐波分量 可大大减小；电流跟踪型p w m 法采用电压型逆变器主结构，但它是控制 输出电流的电流型逆变器，思想是对定子电流进行跟踪并与电流给定信号 比较，通过控制器件开关来调整电流大小，优点是控制简单，动态响应快； 磁链p w m 法则是从电机角度出发，着眼于如何获得电动机圆形磁场。它 是以三相对称正弦电压供电时交流电机的理想磁链圆为基准，用不同的开 关组合产生的实际磁链来追追踪理想磁链圆，形成p w m 波。磁链追踪型 p w m 法的数学模型是建立在电机统一理论、电机轴系坐标变换基础之 上，模型简单，控制系统简单、实时性强，能获得更好的性能。关于磁链 追踪型p w m 法更详细的讨论将会在以后的各章节进行。 2 2 3 5p w m 控制性能指标 p w m 控制技术也有其对系统的不利影响，它引起的主要问题是电流 畸变、开关器件的开关损耗、电机转矩的脉动、负载中的谐波损耗等。这 里简单讨论这些影响的性能指标( 9 j 【”j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 j ：霸馆 彗臻饕 图2 - 8 p w m 逆变器原理图 1 1 、谐波电流 先假设三相p w m 逆变器的相电压波形u ( t ) 具有四分之一波形对称， 那么就可以展开成付氏级数表达形式： “( f ) 2 o ) ( n2 冬3 , 5 , 7 a ) ( 2 - 1 4 ) u ，( t ) 是基波，u n q ) 钾一1 , 3 ，5 ，7 ) 是n 次谐波；其中u 。( t ) 为 u ( f ) 一a n u ds i n o c o t ) ”去【1 + 2 扣叫 “。= l a n i 玑2 ( 2 1 5 ) a 。是h 在玩= 1 时的傅立叶系数；“是“。例的有效值。谐波电流主要 影响电机铜耗。谐波电流有效值和电流谐波畸变率t h d 为： 一酾磊丽一露 f 2 1 6 ) m = 暑= 去辱2 等垤( 盖) 。一壶j 塞( 鲁) 2 p 功 在以上各式中，n 是付立叶级数展开式的谐波分量阶次：巩、厶分别 为基波电压和电流的有效值；u n 为傅立叶级数展开式的电压分量有效 值；。j 为基波频率：l ，为电动机总漏电感。电路的铜耗与谐波电流的二 次方成正比，即p 工c u 。叮h 矿。 2 ) 、谐波电流频谱 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 谐波电流频谱是用来描述谐波电流各频率分量在非正弦电流中所占的 份额的。它能够比总畸变因数t h d 更详细、直观的说明各频率谐波分布 情况。在同步p w m 中，可以得到离散电流频谱h i 细0 。载波频率正是 基频 的整数倍：f c = n h ：n 叫做载波比：n = l h ：它的限制条件 为： n 。一f l m a x妊- 1 8 ) 式中，五。为功率开关器件所允许最高开关频率， 。：为最高基波频率。 3 ) 、最大调制度 调制度m 定义为调制信号峰值巩。与三角载波信号峰值u 岛之比， 即 一岂( 2 - 1 9 )舭芘 在理想情况下，m 值可在0 1 0 之间变化，并以此来调节逆变器输出 电压。实际上m 总是小于1 0 ，在较大时，一般m = 0 8 0 9 。i n 的 大小反映了直流母线电压的利用率的高低【9 1 。 4 ) 、谐波转矩【1 6 】 直流电压经过p w m 控制的逆变器后，将形成一系列电压脉冲，并作 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 转矩的标幺值可用下式表示： t 。坠些：曼2 k ( 2 2 0 ) 式中，死。为最大气隙转矩；l ，为平均气隙转矩；h 为电机额定转矩。 虽然谐波转矩是由谐波电流引起的，但二者间并没有精确的关系【9 1 。 5 1 、开关频率和开关损耗【1 6 l 【4 6 j 功率器件开关频率的增加，可使逆变器交流侧电流的畸变率减小，提高 系统的性能；同时，随着开关次数的增加，开关损耗也会增大，而且功率 器件的开关次数受其允许开关频率的限制。 功率开关器件的损耗主要包括静态损耗和动态损耗；静态损耗，k 与 开关电流成正比，动态损耗尸0 主要包括导通过程中的上升时间和关 断过程中下降时间f ，的开关损耗。开关损耗p k 一般有如下关系式： p b 。= p s s + p 。= u df ( t ) f sk (2-21) 式中，f f ) 是开关电流的单调递增函数；观是逆变器直流侧电压；如是 功率器件的开关频率；k 为常数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第三章空间电压矢量调制及控制算法 在电气传动中，p w m 控制技术已得到广泛应用。简单地说，p w m 控制 技术就是利用一定的规则，来控制功率半导体器件的导通和关断，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等目的。 随着电气传动系统对其控制性能要求的提高，人们也对p w m 技术展开 了深入的研究，从电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通的正弦，p w m 技术得到不断地创新和完善瞄1 。磁通正弦p w m 技术具有谐波分量小、转矩 脉动低、直流利用率高、控制方法简单的特点，而且容易实现数字化。 本章对空间电压矢量p w m 的原理进行了分析，用一种比较简单的方法 推导了其控制算法，推导出了调制波函数，对线性调制区和过调制区进行了 讨论，最后用仿真实验验证。 3 1 磁通正弦p w m 技术 磁通正弦p w m 技术又叫空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 。上世纪8 0 年代，德国的h w v a n d e r b r o e c k 教授等提出了空间电压矢量策略，这种新型 的p w m 调制方式一问世，就迅速受到重视，并在电机调速方面得到广泛应 用。 空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 将逆变器和电机看成一个整体，从电 动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。 用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通，从而达到较高的 控制性能。 在理想电源供电时，加到电机三相绕组上的三相对称电压为： 讣弘邕懋二妇 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 【，2 詈妙。+ 毗以)( 3 - 2 ) = u d e 。“ 电机定子电压方程可描述为： u = r i + d 毋出( 3 3 ) 忽略定子阻抗压降，定子磁通可表示为： 毋；严；肼；粤e i ( o n - 口2 ) = 粤一“) ( 3 - 4 ) 由此可见，磁通矢量是一个落后于电压矢量9 0 度的旋转矢量。通矢 量的轨迹为圆，其半径为： ，。盟( 3 5 ) 珂 由上( 3 5 ) ，不难看出当电压频率比u f 为常数时，磁通轨迹圆的半 径也为常数。这样随着缈的变化，磁通矢量的顶点的运动轨迹就形成了 一个以r 为半径的圆形，即褥到了个理想的磁通圆。s v p w m 法就是以 此理想磁通圆为基淮圆的。 3 2s v p w m 产生原理 图3 - 1 逆变器简化原理图 三相电压型逆变器简化原理图如图3 - 1 。其中同一桥臂上的上下两个开 关元件是互补动的，可以由三个单刀双置开关来表示，用三个开关变量s a ， s b ，s c 来表示，共有8 种开关组合，开关变量为1 时，表示相对应的桥臂上 管导通；为0 时，则相反。s v p w m 实际上是对应于逆变器功率器件的一种 特殊的开关触发顺序和脉宽大小地组合，这种触发顺序和开关组合将在定子 线圈中产生三相互差1 2 0 度电度角的波形失真较小的正弦电流。实践和理论 都可以证明，与直接的正弦脉宽调制技术相比，s v p w m 在输出电压或电机 线圈中电流都将产生较少的谐波【2 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表3 - 1 矢量及开关状态表 状态 v 0v 1v 2v 3v 4v 5v 6v 7 s a00o01ll1 s boo11o011 s c01o10101 淞一旺珊i s ， 阱盯 协7 ， 经过上( 3 7 ) 的计算，计算出相电压和线电压为： 表3 2 相电压和线电压 电压 u ( o o o )u ( o m )u ( o a o )u f o l i )u ( 1 0 0 )u ( 1 0 i )u 0 1 0 )u ( 1 1 1 ) u a0 u d 3- u 们2 u d ，32 i j “3u d 3u d 30 u bou 奶2 u 奶u d 凸- u d 3 2 u d l 3 u d 3 o u e02 u d 3u d ，3u d 3u d 3u d 3- 2 u 0 u a b0ou du du du d00 u b c0- u du d00 - u du d0 u a cou d0u du d0u d0 由上表可以计算出由不同开关状态组成的8 个电压矢量，其中2 个零 矢量，另外6 个非零矢量，各矢量为： ；坚 u = ud e 。3伙= o ，1 5 ) ( 3 - 8 ) 除2 个零矢量外，其余6 个非零空间电压矢量的模值都为2 u j 3 ，在 空间上的相位差为6 0 度，这6 个矢量按照一定的次序作用，就可以形成 一个正六边形，见下基本空间矢量图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ji u 己f 0 1 0 ) u “1 】0 ) 众， u 7 ( 】1 1 ) v 一 图3 - 2 基本空间矢量 3 3 s v p w m 调制波函数推导 t 4 0 1 1 t 1 1 0 0 图3 - 3 电压空间矢量及作用时间定义 因为s v p w m 没有明确的调制波，在这里，本文详细地推导了其调 制波函数。首先定义如图的空间电压矢量图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 p w m l p w m 3 p m 5 奇数区 偶数区 ，t d 2t k 2t k + 2t，t k + 以t d 2列2 、 ，、 、j t 4 2t k + 2t k ，2如 t 一2 t k + 一2t d 2 t 图3 4 s v p w m 波形 图3 - 4 显示出了各扇区的矢量发送顺序。 奇数区依次为：u 0 ，u k