畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于空間矢量的PWM方法研究

1、天津科技大學(xué)2011屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)1. 緒論1.1 課題意義與背景空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation) 是已被應(yīng)用于變頻器、ups、無功補(bǔ)償器等領(lǐng)域的新技術(shù)。近年來隨著大型重工業(yè)行業(yè)的技術(shù)改造和更新工作的展開，對(duì)大功率、高質(zhì)量變頻器的需求與日俱增，這種情況在我國(guó)尤其突出。電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，為變頻器技術(shù)日趨成熟準(zhǔn)備了條件，先進(jìn)的svpwm技術(shù)在此環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。變頻器的svpwm算法與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，因此必須根據(jù)變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，選取相應(yīng)的控制算法。電力電子技術(shù)是一門融合了電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)的

2、交叉科學(xué)，自20世紀(jì)50年代末第一支管問世以來，電力電子技術(shù)就開始登上現(xiàn)代電氣傳動(dòng)技術(shù)舞臺(tái)，在隨后的40余年里，電力電子技術(shù)在電氣件、變流電路、控制技術(shù)等方面都發(fā)生了日新月異的變化，在國(guó)際上，電力電子是競(jìng)爭(zhēng)最激烈的高新技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)無論是對(duì)改造傳統(tǒng)工業(yè)還是對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)都至關(guān)重要，他們已經(jīng)迅速的發(fā)展成為了一門與現(xiàn)代控制理論、電機(jī)控制、微電子等科目相互滲透的學(xué)科。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，在風(fēng)能、太陽能等節(jié)能電源、交直流供電電源、電機(jī)節(jié)能應(yīng)用、電梯控制等領(lǐng)域，乃至社會(huì)生活等諸多方面的應(yīng)用不斷延伸，是信息時(shí)代的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。電力電子變換器的控制策略和方法與

3、其使用的電力半導(dǎo)體器件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，不同的開關(guān)器件和不同的拓?fù)溆胁煌膒wm方式，比如，基于半控開關(guān)和全控開關(guān)的變換器控制方式完全不一樣，基于不同類型的全控開關(guān)的變換器控制方式中關(guān)鍵參數(shù)也有很大差異。從變換器控制策略的角度講，可以將pwm技術(shù)分開兩個(gè)層面，一個(gè)是pwm實(shí)現(xiàn)方法，一個(gè)是pwm控制目標(biāo)的確定。pwm控制技術(shù)亦稱為斬波技術(shù)，與之相對(duì)應(yīng)的有一種脈幅調(diào)制控制技術(shù)，既在能量采樣時(shí),脈寬不變，脈幅不變，從而輸出不同的幅值的恒脈寬脈沖序列。他們統(tǒng)稱為調(diào)制技術(shù)。多電平逆變器適用于高壓、大功率電力電子裝置和設(shè)備中，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。其基本思想是把多個(gè)功率器件按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接成可以提供多

4、種電平輸出的電路，然后使用適當(dāng)?shù)目刂七壿媽讉€(gè)電平臺(tái)階合成階梯波以輸出逼近薩弦的交流電壓。多電平逆變器在大功率有源電力濾波、無功補(bǔ)償?shù)入娔苜|(zhì)量綜合治理領(lǐng)域以及高電壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合獲得了廣泛的應(yīng)用。有源電力濾波技術(shù)和無功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于電力系統(tǒng)改善供電質(zhì)量，保證可靠性有著重要的意義。電力系統(tǒng)要求有源濾波和無功補(bǔ)償裝置具有良好的調(diào)節(jié)性能和足夠大的輸出功率，以提供電流的超前或滯后補(bǔ)償，同時(shí)要求系統(tǒng)有足夠的頻帶寬度以達(dá)到消除高次諧波的目的。為實(shí)現(xiàn)對(duì)無功電流和高次諧波電流的有效補(bǔ)償，需要開關(guān)器件工作在較高的頻率下，而大功率電力電子器件(如gto等)的開關(guān)頻率較低，且高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致較大的開關(guān)損耗，降低了

5、系統(tǒng)效率，難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的需要。多電平逆變器應(yīng)用于有源電力濾波裝置，在較低的器件開關(guān)頻率下，就可增大系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率使整個(gè)逆變器的傳輸帶寬大大提高。多電平逆變器應(yīng)用于靜止無功補(bǔ)償裝置可以對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，抑制電壓波動(dòng)和|=j、j變，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減小功率損耗：減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高供電質(zhì)量，改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。多電平逆變器的最主要的應(yīng)用場(chǎng)合是高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)全國(guó)第三次工業(yè)普查公布的統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)風(fēng)機(jī)、泵類總裝機(jī)容量達(dá)到1.6億kw，年耗電量3200億kwh，占全國(guó)發(fā)電量的40%。大部分風(fēng)機(jī)和水泵的高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)都為恒壓恒頻控制，

6、如采用變頻方式控制高壓電機(jī)可節(jié)約至少20的電能。節(jié)能是當(dāng)前我國(guó)由高能耗型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式向低能耗型增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變，不斷提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量的重要途徑之一。將多電平逆變技術(shù)應(yīng)用于高壓大功率風(fēng)機(jī)和水泵的變頻調(diào)速具有現(xiàn)實(shí)的節(jié)能意義。傳統(tǒng)的晶閘管交交變頻調(diào)速和降壓普通變頻升壓的晶閘管變頻裝置不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且大多采用scr和gto作為開關(guān)元件，由于開關(guān)頻率只有幾百hz，引起電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，動(dòng)態(tài)性能差等問題。與降壓普通變頻升壓的變頻裝置相比較，采用多電平逆變技術(shù)的變頻裝置可以省去輸出變壓器，直接輸出高電壓，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、效率增加。此外，此類系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)諧波較大，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，需要附加電網(wǎng)濾波裝置，使系統(tǒng)成本

7、增加。多電平逆變器采用多級(jí)直流電壓合成階梯波以逼近正弦波，隨電平級(jí)數(shù)的增加，合成的輸出階梯波級(jí)數(shù)增加，輸出越來越逼近正弦波，諧波含量大大減小。多電平逆變器因其諧波含量小、效率高、輸出電壓高、功率大，已經(jīng)成為高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域的新寵。1.2 研究現(xiàn)狀多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括二極管嵌位式、電容嵌位式、級(jí)聯(lián)式，針對(duì)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)趨于成熟。多電平逆變器的控制方式是決定其性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是多電平逆變技術(shù)的一個(gè)重要方面。級(jí)聯(lián)式多電平逆變器的調(diào)制方法主要有階梯波脈寬調(diào)制、三角載波pwm、電壓空間矢量pwm(svpwm)等。不同的調(diào)制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，也適用于不同的場(chǎng)合。各種pwm方法中，

8、出于svpwm以瞬時(shí)空間電壓矢量為控制量，最適合用于高動(dòng)態(tài)性能的控制方法如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。因此，基于多電平逆變器的svpwm方法的研究是一個(gè)不可回避的問題。級(jí)聯(lián)式多電平電路輸出電壓一般為七電平以上，雖然已有簡(jiǎn)化控制算法提出，但對(duì)于實(shí)時(shí)控制仍然很復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)。源于此，本文以多電平逆變器的svpwm方法為研究課題探索多電平svpwm的簡(jiǎn)化方法，以期將多電平svpwm與電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能數(shù)字化控制。目前，以德國(guó)的西門子、歐洲abb公司及日本的東芝、三菱及美國(guó)的ab公司、robicon公司等為代表大型國(guó)際企業(yè)生產(chǎn)的大功率變頻調(diào)速裝置，均采用數(shù)字化控制，應(yīng)用水平較高

9、。但是產(chǎn)品的價(jià)格和服務(wù)費(fèi)用昂貴，難以完全滿足的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的技術(shù)尚處于起步階段，產(chǎn)品還不成熟，性能和可靠性還有待提高。因而研究多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。變頻器、逆變電源、高頻開關(guān)電源以及各類特種變流器等裝置很大一部分都需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓。由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對(duì)電網(wǎng)注入了大量諧波及無功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。作為電網(wǎng)主要“污染”源的整流器，首先受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注并開展了大量研究工作。其主要思路就是將pwm技術(shù)引入整流器的控制中，使整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且可運(yùn)行于單位功率因數(shù)，這就是pw

10、m整流器。pwm整流器的研究始于20世紀(jì)80年代，這一時(shí)期由于全控器件的日益成熟和應(yīng)用，推動(dòng)了pwm技術(shù)的應(yīng)用與研究。1982年bussealfred、oltz joachim首先提出了基于可關(guān)斷器件的三相全橋pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其網(wǎng)側(cè)電流幅相控制策略，并實(shí)現(xiàn)了電流型pwm整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。1984年alagi hirofumi等提出了基于pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無功補(bǔ)償器控制策略，這實(shí)際上就是電壓型pwm整流器早期的設(shè)計(jì)思想。到20世紀(jì)80年代末，隨著awgreen等人提出了基于坐標(biāo)變換的pwm整流器連續(xù)、離散動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及控制策略，pwm整流器的研究發(fā)展到一個(gè)新的高度。

11、20世紀(jì)90年代以來，pwm整流器一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)課題。隨著研究的深入，基于pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的拓展，相關(guān)的應(yīng)用研究也發(fā)展起來。這些應(yīng)用研究，又促進(jìn)了pwm整流器及其控制技術(shù)的進(jìn)步和完善。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，pwm整流器技術(shù)已日趨成熟。pwm整流器主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；pwm開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級(jí)從千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)，而在主電路類型上，既有電壓型整流器(voltage source rectifier-vsr)，也有電流型整流器(current sourcereetifier-csr)，并且兩者在工業(yè)上均成

12、功地投入了應(yīng)用?？刂萍夹g(shù)是pwm整流器發(fā)展的關(guān)鍵。為保證直流側(cè)的電壓恒定，控制系統(tǒng)多采用電壓外環(huán)的pi調(diào)節(jié)控制。為了使電壓型pwm整流器工作時(shí)達(dá)到單位功率因數(shù)，網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特性，其網(wǎng)側(cè)電流控制策略的研究顯得十分重要。根據(jù)有無引人電流反饋可將控制方法分為兩大類：不引入交流電流反饋的是由jwdixon和btooi首先提出的間接電流控制策略；引入交流電流反饋的目前占主導(dǎo)地位的直接電流控制策略。間接電流控制技術(shù)為電流開環(huán)控制，如早期采用的相位幅值控制17l，通過pwm方法在整流器橋臂中點(diǎn)輸出幅值和相位受控的正弦pwm電壓，該電壓與電網(wǎng)電壓2共同作用，可在整流器交流側(cè)形成所需的正弦基波電流，而諧波

13、電流則由交流電感濾除。間接電流控制由于無需交流電流傳感器，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，無限流功能，穩(wěn)定性很差等缺點(diǎn)影響了它的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)逐漸被直接電流控制取代。直接電流控制由于具有網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能得到提高，可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性。當(dāng)然，直接電流控制的控制結(jié)構(gòu)和算法較間接電流控制復(fù)雜。對(duì)于直接電流控制系統(tǒng)，可分為滯環(huán)電流控制、預(yù)測(cè)電流控制、同步pi控制、直接功率控制等，其中基于空間矢量的pwm控制最為流行。早期pwm整流器多采用滯環(huán)電流控制，近期多采用預(yù)測(cè)電流控制和同步pi控制等控制算法。滯環(huán)電流控制開關(guān)

14、頻率不同定，不利于器件的選取和控制的實(shí)現(xiàn)。預(yù)測(cè)電流控制保持滯環(huán)電流控制響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，實(shí)際電流能夠在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)跟蹤上指令電流，而且控制周期和器件開關(guān)頻率固定，整個(gè)控制系統(tǒng)中只有電壓環(huán)一個(gè)pl調(diào)節(jié)器，參數(shù)整定比較簡(jiǎn)單。同步pi控制開關(guān)頻率固定，采用同步坐標(biāo)系下控制，可實(shí)現(xiàn)有功、無功電流解耦控制，有功、無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)；采用pi調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，能夠獲得較好的動(dòng)靜態(tài)特性。矢量控制早在20世紀(jì)70年代初被提出，當(dāng)時(shí)以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了把交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。根據(jù)磁場(chǎng)等效的基本原理，三相靜止坐標(biāo)、兩相靜止坐標(biāo)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間

15、可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，這樣就可以把對(duì)交流量的控制轉(zhuǎn)變成對(duì)直流量的控制，使系統(tǒng)得到較好的動(dòng)靜態(tài)性能。矢量控制可以分為電壓定向控制和虛擬磁鏈定向控制兩種。另外一種是直接功率控制。三相pwm整流器的直接功率控制是一種基于瞬時(shí)功率理論的滯環(huán)控制方法。它根據(jù)有功和無功功率與開關(guān)狀態(tài)的簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系，由整流器的開關(guān)狀態(tài)來估計(jì)有功和無功功率。用給定功率和估鍘功率進(jìn)行比較，其誤差經(jīng)過比較器和整流器狀態(tài)選擇器，就可以輸出整流器下一次的開關(guān)狀態(tài)，達(dá)到了直接功率控制的要求。直接功率控制在本質(zhì)上是對(duì)輸入電流進(jìn)行控制，能夠有效改善電流波形的畸變，獲得高功率因數(shù)；控制系統(tǒng)中沒有電流內(nèi)環(huán)控制和pwm調(diào)制模塊，控制方便，算法簡(jiǎn)單；

16、由整流器的交流側(cè)電流、直流側(cè)電壓和功率器件的開關(guān)狀態(tài)來估算有功、無功功率和電網(wǎng)電壓。這種控制算法的缺點(diǎn)是需使用微分項(xiàng)，易引入高頻干擾；由于采用滯環(huán)控制方式，開關(guān)頻率不固定，要求快速的微處理器來實(shí)現(xiàn)。直接功率控制也可以分為電壓定向控制和虛擬磁鏈定向控制兩種。本文并聯(lián)二重化實(shí)驗(yàn)用小功率pwm整流器系統(tǒng)將采用同步pi控制方法。本文逆變器試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)將采用三相獨(dú)立調(diào)節(jié)電流的預(yù)測(cè)電流控制算法，可以單獨(dú)控制各相電流的不平衡運(yùn)行。第二、五章將詳細(xì)介紹同步pi控制和新型預(yù)測(cè)電流控制算法。隨著pwm整流器及其控制策略研究的深入。研究人員展開了多角度多層次的研究工作。為了解決pwm整流器在應(yīng)用中的既有缺點(diǎn)和障礙，一

17、些較為新穎的系統(tǒng)控制策略相繼被提出。下面簡(jiǎn)單的介紹其中的三種。首先，出現(xiàn)了對(duì)無電網(wǎng)電壓傳感器控制及無電網(wǎng)電流傳感器控制的研究。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化電壓型pwm整流器的信號(hào)檢測(cè)，t0slli hiko noguchi等學(xué)者提出了一種無電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器的pwm整流器控制策略。隨后bhkwon等人也提出了類似的研究報(bào)告。無電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器控制方式，其主要實(shí)現(xiàn)方案可以分為兩大類：矢量控制(voc)和直接功率控制(dpc)。他們分別是虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制(vfoc)和虛擬電網(wǎng)磁鏈定向直接功率控制。本文將對(duì)虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的矢量控制進(jìn)行控制策略和實(shí)驗(yàn)研究。另外，mriese則通過直流側(cè)電流檢測(cè)來重構(gòu)電壓型逆變

18、器的交流側(cè)電流，從而為無電網(wǎng)電流傳感器的pwm整流器研究奠定了基礎(chǔ)。第二種，pwm整流器的時(shí)間最優(yōu)控制。常規(guī)的基于dq模型的電壓型pwm整流器控制，一般通過前饋解耦控制，并采用兩個(gè)獨(dú)立的pi調(diào)節(jié)器，分別控制相應(yīng)的有功無功分量。而有功、無功分量間的動(dòng)態(tài)耦合和pwm電壓利用率的約束，影響了電壓型pwm整流器有功分量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。針對(duì)這一問題，jong woo choi等學(xué)者利用最優(yōu)控制理論，提出了確保直流電壓響應(yīng)的時(shí)問最優(yōu)控制。其基本思路就是，根據(jù)時(shí)間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動(dòng)態(tài)過程中降低相應(yīng)無功分量的響應(yīng)速度，從而有效的提高了有功分量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了三相電壓型p

19、wm整流器直流電壓的時(shí)間最優(yōu)控制。第三種，很多學(xué)者專注于電網(wǎng)不平衡條件下的pwm整流器控制策略研究。在三相pwm整流器控制策略研究過程中，一般均假設(shè)三相電網(wǎng)是平衡的。而實(shí)際上，三相電網(wǎng)常處于不平衡狀態(tài)，即三相電網(wǎng)電壓的幅值、相位不對(duì)稱。一旦電網(wǎng)不平衡，以三相電網(wǎng)平衡為約束所設(shè)計(jì)的pwm整流器就會(huì)出現(xiàn)不正常的運(yùn)行狀態(tài)，主要表現(xiàn)在：pwm整流器直流側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特性諧波，同時(shí)消耗相應(yīng)增大；pwm整流器網(wǎng)側(cè)電流亦不平衡，嚴(yán)重時(shí)可使pwm整流器發(fā)生故障，甚至燒壞裝置。為了使pwm整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運(yùn)行，必須提出相應(yīng)的控制策略。為此，很多學(xué)者提出了解決不平衡控

20、制的理論，比如不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)電流和直流電壓時(shí)域表達(dá)式、電感電容設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、正負(fù)序兩套同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系獨(dú)立控制等。這方面控制策略仍有待更進(jìn)一步的研究。本文的輔電源試驗(yàn)臺(tái)項(xiàng)目對(duì)這方面研究做出了有益的嘗試。對(duì)于不同功率等級(jí)以及不同的用途，人們研究了各種不同的pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，pwm整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開關(guān)和改進(jìn)直流輸出特性上。對(duì)于大功率pwm整流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交流器多重化以及軟開關(guān)技術(shù)上。多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的pwm整流器主要應(yīng)用于高壓大容量場(chǎng)合。而對(duì)于大電流應(yīng)用場(chǎng)合，常采用變流器并聯(lián)多重化。與普通并聯(lián)不同的是，每個(gè)并聯(lián)的pwm整流器

21、中的pwm信號(hào)發(fā)生采用相移pwm控制技術(shù)，從而以較低的開關(guān)頻率獲得了等效的高開關(guān)頻率控制，即在降低功率損耗的同時(shí)，有效地提高了pwm整流器的電流、電壓波形品質(zhì)。1.3 電力電子技術(shù)1.3.1電力電子技術(shù)概述 以電力電子為對(duì)象的電子技術(shù)，他是一門利用各種電子器件，對(duì)電能進(jìn)行壓、電流、頻率和波形等方面的控制和變換的學(xué)科。電力電子技術(shù)它包括電力電子器件、控制和電路3個(gè)部分，是橫跨電子、電力、電路和控制電氣工程技術(shù)之間的交叉學(xué)科，是目前最活躍、發(fā)展最快的一門新興學(xué)科。 半導(dǎo)體電子技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)形成兩大技術(shù)領(lǐng)域，即以集成電路為核心的微電子技術(shù)和以功率半導(dǎo)體器件（亦稱為電力電子器件）為核心的電力電子技術(shù)

22、。前者主要用于信息處理，向小功率發(fā)展；后者主要用于對(duì)電力的處理，向大功率多功能發(fā)展。1.3.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展 （1）電力電子器件的發(fā)展。由于電力電子器件具有體積小、容量大、重量輕、壽命長(zhǎng)、損耗小、節(jié)能、性能好等優(yōu)點(diǎn)。近半個(gè)世紀(jì)以來，各種新的電力電子器件不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用范圍已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)、交通、電力等部門，擴(kuò)展到信息通信、家用電器以及宇宙開發(fā)等領(lǐng)域。 電力電子器件的發(fā)展可分為兩個(gè)階段： （1）傳統(tǒng)電力電子器件。主要是功率整流管與晶閘管，屬于不控與半控器件。自1957年生產(chǎn)第一支晶閘管以來，現(xiàn)已由普通晶閘管衍生出快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管和不對(duì)稱晶閘管以來，現(xiàn)已由普通晶閘管衍生出快速

23、晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、和不對(duì)稱晶閘管等多種晶閘管，器件的電流、電壓技術(shù)參數(shù)均有很大的提高，單支普通晶閘管的容量已達(dá)6000a、8000v此類器件通過門極只能控制開通而不能控制關(guān)斷，另外其立足于分立元件結(jié)構(gòu)，工作頻率難以提高，因而大大限制了其應(yīng)用范圍。但是晶閘管的價(jià)格相對(duì)低廉，在大電流、高電壓的發(fā)展空間依然較大，目前以晶閘管為核心的設(shè)備仍然在許多場(chǎng)合使用。 （2）現(xiàn)代電力電子器件。20世紀(jì)80年代以來，將微電子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，研制出新一代高額、全控器件稱為現(xiàn)代電力電子器件。主要有功率晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、mos門極晶閘管、絕緣柵雙極晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)管、可關(guān)斷晶閘管等。其中最有發(fā)展

24、前途的是絕緣柵晶體管和mos門晶體管，兩者均為場(chǎng)復(fù)合控制器件，工作的頻率可達(dá)20khz。 器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力，電力電子技術(shù)的每一次飛躍都是以新器件的出現(xiàn)為契機(jī)。電力電子器件的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下六個(gè)方面。 （1）高頻化。采用新材料、新工藝，在一定的開關(guān)損耗下盡量提高器件的開關(guān)速度，使裝置運(yùn)行在更高的頻率。 （2）大容量化，應(yīng)用微電子工藝，使單個(gè)器件的電壓、電流容量進(jìn)一步提高，以滿足大電流的需要。 （3）模塊化。采用制造新工藝將幾個(gè)器件封裝在一起以縮小體積與連線。 （4）易驅(qū)動(dòng)。由電流驅(qū)動(dòng)發(fā)展為由電壓驅(qū)動(dòng)，大力發(fā)展mos結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件，因此可以研制專用的集成驅(qū)

25、動(dòng)模塊，以便更適合中小功率的控制。 （5）功率集成化。充分應(yīng)用集成電路工藝發(fā)展稱為功率集成電路pic，實(shí)現(xiàn)集成電路功率化。 （6）降低導(dǎo)通壓降。研制出比肖特基二極管壓降還低的器件以提高變頻電流，節(jié)省能源。1.3.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、it、通信、民用電器、國(guó)防、新能源發(fā)電等領(lǐng)域。具體應(yīng)用主要有直流可調(diào)電源、電解、加熱、照明控制與節(jié)能照明、充電、不間斷電源、電磁合閘、電焊接、點(diǎn)擊勵(lì)磁、電網(wǎng)無功與諧波補(bǔ)償。全球600億美元的電力電子產(chǎn)品市場(chǎng)已經(jīng)形成，支撐5700億美元的電力電子硬件產(chǎn)品。1.4 svpwm控制方法簡(jiǎn)介 svpwm的主要思想是:以三相對(duì)稱正弦波電壓供

26、電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成pwm波，以所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。傳統(tǒng)的spwm方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而svpwm方法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來考慮，模型比較簡(jiǎn)單，也便于微處理器的實(shí)時(shí)控制。電機(jī)理想的供電電壓為三相對(duì)稱正弦波，設(shè)線電壓vdc，相電壓表示式如下: （11） （12） （13）根據(jù)合成電壓矢量公式: （14）由上面的式子可得 （15）從(5)式可以看出，合成電壓矢量是一個(gè)隨時(shí)間變化、幅值一定的圓形磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)是電壓的積分，因此產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，圖1為

27、逆變器簡(jiǎn)化的拓?fù)鋱D，定義三個(gè)開關(guān)函數(shù)sa，sb，sc，用1代表1個(gè)橋臂的上橋臂導(dǎo)通，用0代表1個(gè)橋臂的下橋臂導(dǎo)通。則對(duì)于180導(dǎo)通型逆變器來說，三相橋臂的開關(guān)有8個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)，包括6個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量。圖1-1 交流電機(jī)控制逆變橋結(jié)構(gòu)圖圖1-2 電壓矢量圖由(1-5)式可得8種電壓矢量v4(100)、v5(101)、v1(001)、v3(011)、v2(010)、v6(110)、v0(000)和v7(111)分別對(duì)應(yīng)的值為括號(hào)中的二進(jìn)制數(shù)，表示三相a、b、c的狀態(tài)，vk中下標(biāo)k07是十進(jìn)制數(shù)，表示括號(hào)中二進(jìn)制數(shù)值。如圖1-2所示，這八種電壓矢量，除了v0、v7幅值為0外，其它電壓矢量幅值均為

28、vdc。合理的選擇6個(gè)非零矢量的施加次序和作用時(shí)間，可使磁鏈空間矢量矢端順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)形成一定的磁鏈軌跡。選擇的方式不同，形成的磁鏈軌跡形狀也不一樣。這就是磁鏈軌跡的形成原理。在圖2中，逆變器的一個(gè)工作周期被6個(gè)有效的電壓空間矢量劃分為6個(gè)扇區(qū)。在每一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，都可采用臨近的兩個(gè)非零矢量來合成處在此扇區(qū)的電壓矢量。以圖2中的電壓矢量vr為例來說明其過程。用電壓矢量v6、v4、v0來合成vr，并按照伏秒平衡的原則得 （16）tn為對(duì)應(yīng)電壓矢量vn的作用時(shí)間(n0，4，6)，結(jié)合式(5)可得: （17）令上式等號(hào)兩邊的實(shí)部、虛部相等，可以得到下面的等式: （18） （19） （110）則由電壓

29、矢量v6、v4、v0和上面求出的作用時(shí)間相結(jié)合，可以控制電壓矢量，形成多邊形的電壓矢量軌跡，從而獲得更加接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁通。各電壓矢量的作用次序要遵守以下原則:任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂開關(guān)動(dòng)作，即在二進(jìn)制矢量中每次只有一位變化，因?yàn)槿绻试S有兩個(gè)或三個(gè)橋臂動(dòng)作，則在線電壓的半周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反極性的電壓脈沖，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。由此可以得出，隨著合成電壓矢量vr的幅值增加，t4和t6的值不斷增加，t0逐漸減少，但t0必須大于零，將此條件代入t0表達(dá)式，得到下面的條件 （111）在實(shí)際中，此式對(duì)任何均成立，即有?？梢姡?dāng)輸出電壓達(dá)到上限值時(shí)，其輸出線電壓基波峰值可達(dá)vd

30、c。svpwm的調(diào)制相電壓波，相當(dāng)于在原正弦波中注入了三角形三次諧波，當(dāng)正弦調(diào)制波幅值為1時(shí)，形成svpwm調(diào)制相電壓幅值為，svpwm調(diào)制方法比傳統(tǒng)的規(guī)則采樣spwm提高了15.4的電壓利用率，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分以及電機(jī)的諧波損耗，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。1.5 本文的研究?jī)?nèi)容本文從svpwm算法的基本定義和產(chǎn)生原理入手對(duì)其進(jìn)行了的研究，并對(duì)算法進(jìn)行了仿真。svpwm 算法實(shí)現(xiàn)容易，電壓利用率比傳統(tǒng)的 spwm控制方法提高15左右，而且svpwm 比較適合于數(shù)字化控制系統(tǒng) ，為以微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)提供了優(yōu)良的選擇方案 ，值得推廣。該課題的主要工作包括： 1）常見的pwm技術(shù)

31、綜述；2）電壓型變流器的形式特點(diǎn)以及svpwm原理和實(shí)現(xiàn)；3）電流型變流器的形式特點(diǎn)以及svpwm原理和實(shí)現(xiàn)；4）仿真驗(yàn)證。2.常用pwm技術(shù)2.1pwm技術(shù)概述 脈沖寬度調(diào)制（pwm），是“pulse width modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)的載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或者基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管畫著晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模

32、擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 pwm控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想實(shí)現(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為pwm控制技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。 pwm的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是pwm相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)wm用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)

33、向pwm可以極大的延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)膔c或lc網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 pwm控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年a.schonung和h.stemmler首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。 從最初的采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制spwm信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的pwm信號(hào)輸出，可以說直到目前為止，pwm在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。 由于pwm可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及

34、至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。pwm控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦pwm（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種pwm方案，多重pwm也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化pwm及隨機(jī)pwm。正弦pwm已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重pwm技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如abb acs1000系列和美國(guó)robicon公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化pwm所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（thd）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5khz，電

35、機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)pwm方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱耍词乖趇gbt已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)pwm仍然有其特殊的價(jià)值（dtc控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī)pwm技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效

36、果基本相同。pwm控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。簡(jiǎn)而言之，pwm是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。pwm信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流

37、供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進(jìn)行編碼。pwm的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 pwm控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn).直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，pwm控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線

38、性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,pwm控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種pwm控制技術(shù),根據(jù)pwm控制技術(shù)的特點(diǎn),到目前為止主要有以下8類方法。2.2 相電壓控制pwm 2.2.1 等脈寬pwm法vvvf(variable voltage variable frequency)裝置在早期是采用pam(pulse amplitude modulation)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬pwm法正是為了克服pam法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來的,是pwm法中最為簡(jiǎn)單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為pwm波,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖

39、的寬度或占空比可以調(diào)壓,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對(duì)于pam法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù),但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量。2.2.2 隨機(jī)pwm 在上世紀(jì)70年代開始至上世紀(jì)80年代初,由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管,載波頻率一般不超過5khz,電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注.為求得改善,隨機(jī)pwm方法應(yīng)運(yùn)而生.其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中,各頻率能量分布是均勻的),盡管噪音的總分貝數(shù)未變,但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱.正因?yàn)槿绱?

40、即使在igbt已被廣泛應(yīng)用的今天,對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合,隨機(jī)pwm仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面則說明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機(jī)pwm技術(shù)正是提供了一個(gè)分析,解決這種問題的全新思路。2.2.3 spwm法 spwm(sinusoidal pwm)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的pwm法.前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同.spwm法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形即spwm波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所

41、希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。2.2.3.1 等面積法 該方案實(shí)際上就是spwm法原理的直接闡釋,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中,通過查表的方式生成pwm信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷,以達(dá)到預(yù)期的目的.由于此方法是以spwm控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn),可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計(jì)算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大,不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。2.2.3.2 硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺

42、點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波,通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角波作為載波,當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí),所得到的就是spwm波形.其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路,用比較器來確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成spwm波。但是,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。2.2.3.3 軟件生成法 由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成spwm波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生.軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法。2.2

43、.3.3.1 自然采樣法以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進(jìn)行比較,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得spwm波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性,脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程,計(jì)算繁瑣,難以實(shí)時(shí)控制。2.2.3.3.2 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,從而實(shí)現(xiàn)spwm法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(即采

44、樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的,這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣.當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱,這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣。規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小。以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。2.2.3.4 低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去pwm波形中某些主要的低次諧波為目的的方法.其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開,表示為u(t)=ansinnt,首先確

45、定基波分量a1的值,再令兩個(gè)不同的an=0,就可以建立三個(gè)方程,聯(lián)立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波。 該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大,而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn).該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。2.2.4 梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的,從而忽視了直流電壓的利用率,如spwm法,其直流電壓利用率僅為86.6%.因此,為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法-梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào),三角波為載波,且使兩波幅值相等,以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)

46、器件的通斷實(shí)現(xiàn)pwm控制。由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值,從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波。2.3 線電壓控制pwm 前面所介紹的各種pwm控制方法用于三相逆變電路時(shí),都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的,使其輸出接近正弦波,但是,對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無中線對(duì)稱負(fù)載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦,而可著眼于使線電壓趨于正弦。因此,提出了線電壓控制pwm,主要有以下兩種方法。2.3.1 馬鞍形波與三角波比較法 馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入pwm方式(hipwm),

47、其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波,調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過三角波幅值,提高了直流電壓利用率.在三相無中線系統(tǒng)中,由于三次諧波電流無通路,所以三個(gè)線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外,還可以注入其他3倍頻于正弦波信號(hào)的其他波形,這些信號(hào)都不會(huì)影響線電壓.這是因?yàn)?經(jīng)過pwm調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的3倍頻于正弦波信號(hào)的諧波,但在合成線電壓時(shí),各相電壓中的這些諧波將互相抵消,從而使線電壓仍為正弦波。2.3.2 單元脈寬調(diào)制法因?yàn)?三相對(duì)稱線電壓有uuv+uvw+uwu=0的關(guān)

48、系,所以,某一線電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線電壓負(fù)值之和.現(xiàn)在把一個(gè)周期等分為6個(gè)區(qū)間,每區(qū)間60,對(duì)于某一線電壓例如uuv,半個(gè)周期兩邊60區(qū)間用uuv本身表示,中間60區(qū)間用-(uvw+uwu)表示,當(dāng)將uvw和uwu作同樣處理時(shí),就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60區(qū)間的兩種波形形狀,并且有正有負(fù).把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號(hào),載波仍用三角波,并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實(shí)踐表明,這樣做引起的誤差不大,完全可行),就可以得到線電壓的脈沖波形,該波形是完全對(duì)稱,且規(guī)律性很強(qiáng),負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相,因此,只要半個(gè)周期兩邊60區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定,線電壓的調(diào)制脈沖波形

49、就唯一地確定了.這個(gè)脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào),但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式,就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)了。該方法不僅能抑制較多的低次諧波,還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū),同時(shí)還能帶來用微機(jī)控制的方便,但該方法只適用于異步電動(dòng)機(jī),應(yīng)用范圍較小. 2.4 電流控制pwm 電流控制pwm的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào),把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào),通過兩者瞬時(shí)值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷,使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。3一種電壓空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)算法的仿真研究電壓空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)控制策略是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā) ,著眼于使電機(jī)獲得幅值恒

50、定的圓形磁場(chǎng) ,即正弦磁通。它以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn) ,用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓 ,從而在不高的開關(guān)頻率 (1 -3khz)的條件下 ,使交流電動(dòng)機(jī)獲得較好的電機(jī)控制性能。svpwm較之于 spwm,提高了電壓型逆變器的電壓利用率和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能 ,同時(shí)減少了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ,簡(jiǎn)單的矢量模式切換更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。3.1電壓空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)原理3.1.1.基本空間電壓矢量三相正弦定子相電壓 ua、 ub、 uc 分別加在三相定子繞組上 ,它們的方向始終在各相的軸線上 ,而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化 ,時(shí)間上互

51、差120 。同時(shí)定義 o矢量復(fù)平面的實(shí)軸與a軸重合?？梢宰C明 ,在 o 坐標(biāo)系下 ,電機(jī)定子三相相電壓 ua、ub、 uc 可以合成為一幅值為um ,以角速度= 2 f 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的矢量 us ,該矢量即被稱為(定子)電壓空間矢量。圖31 三相橋式電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)圖 （31）式中為單位矢量。同理也可以定義定子磁鏈空間矢量s,定子電流空間矢量is。如圖31是典型的三相橋式電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。定義開關(guān)變量式中:k = 1 ,2 ,3。當(dāng) dk = 1 時(shí) ,上橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通 ,下橋臂開關(guān)器件關(guān)斷;當(dāng) dk = 0 時(shí)上橋臂開關(guān)器件關(guān)斷 ,下橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通。則三相逆變器輸出的相電壓代入式(

52、1)可分別得到六個(gè)大小相等 ,位置互差 60的電壓空間矢量 ,兩個(gè)零矢量。在這8個(gè)電壓矢量中 ,u1-u6 6個(gè)可以有效產(chǎn)生輸出電壓的電壓矢量 ,所以稱為有效電壓矢量。而u0、u7不產(chǎn)生輸出電壓,稱為零矢量。這8個(gè)電壓矢量將復(fù)平面分為6個(gè)區(qū)域 ,即扇區(qū)1-6。按照平行四邊形法則,利用這8個(gè)電壓空間矢量可以合成在六邊形區(qū)域內(nèi)的任何輸出電壓矢量。3.1.2.磁鏈圓的形成在 o坐標(biāo)系下,電機(jī)學(xué)知識(shí)表明定子磁鏈空間矢量s與定子電壓空間矢量us是積分關(guān)系。 （32）如前所述 ,當(dāng)定子電壓空間矢量以角速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí) ,以沿落后90 的方向 ,以為半徑旋轉(zhuǎn)形成磁鏈圓。在圖31所示的逆變器異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中,

53、可以合理的選擇逆變器形成的六個(gè)非零矢量的施加順序和作用時(shí)間及零矢量的插入個(gè)數(shù)去控制定子電壓空間矢量的形成及作用時(shí)間,以合成我們希望的圓形磁鏈圓。這樣就把使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)問題轉(zhuǎn)化為控制電壓空間矢量的形成問題,即控制逆變器功率開關(guān)的開關(guān)順序和開關(guān)時(shí)間問題。圖32基本矢量圖3.2 空間電壓矢量脈寬調(diào)制( svpwm)的實(shí)現(xiàn)3.2.1.判斷參考電壓矢量u所在的扇區(qū)由 clark變換可將三相正弦電源分解成:u 、 u 。定義變量: （33）再由下式計(jì)算 p值:p = 4sign(b3 ) + 2sign(b2 ) + sign(b1 ) （34）即可根據(jù) p值查表31獲得扇區(qū)號(hào)。表31p值與

54、扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系3.2.2.根據(jù) p值與扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算相鄰兩開關(guān)電壓矢量作用的時(shí)間圖33 參考電壓矢量u落在第1扇區(qū)矢量分解圖如圖33所示 ,假設(shè)參考電壓矢量落在第 1 扇區(qū)內(nèi) ,據(jù)相似三角形關(guān)系可計(jì)算出 （35）同理可以計(jì)算出其它扇區(qū)的矩陣表達(dá)式 ,如表 2 所示。由上述分析可知 ,表達(dá)式中已不存在相角的三角函數(shù)項(xiàng) ,因而可以簡(jiǎn)化計(jì)算 ,提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。表32各扇區(qū)功率元件導(dǎo)通時(shí)間系數(shù)表3.2.3.計(jì)算a , b , c三相相應(yīng)的開關(guān)切換點(diǎn)在知道了各扇區(qū)內(nèi)兩相鄰矢量作用時(shí)間后,遵循開關(guān)次數(shù)最少的原則,便可采用七段式最近三角矢量空間矢量合成法來發(fā)送各矢量。在每個(gè)扇區(qū)內(nèi),每個(gè)零矢量均以u(píng)

55、0 (000)開始和結(jié)束,中間的零矢量均為 u7 (111) ,其它非零矢量的發(fā)送保證每次只有一個(gè)開關(guān)切換。以電壓矢量在第 1 扇區(qū)為例,各矢量的發(fā)送順序規(guī)律為u0 u1 u2 u7 u2 u1 u0。為了計(jì)算a , b , c三相相應(yīng)的開關(guān)時(shí)間的切換點(diǎn),定義: （36）則各扇區(qū)矢量的發(fā)送順序和作用時(shí)間規(guī)律見表33表33 各扇區(qū)矢量切換點(diǎn)表這樣遵循上述各矢量的發(fā)送順序和作用時(shí)間規(guī)律,便可以合成所期望的電壓矢量,從而實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量脈寬調(diào)制。3.3 mat lab建模仿真3.3.1.系統(tǒng)組成主回路由三相交流電源:25kv ,60hz,10mva;整流電路:二極管三相橋式;逆變電路: ig bt三

56、相橋式;負(fù)載:三相均衡負(fù)載(50kw,380v ,50hz) ;lc濾波單元組成?？刂苹芈酚扇嗫删幊探涣麟娫?,c lark變換單元 ,電壓測(cè)量單元等組成。3.3.2. c lark變換單元的仿真(圖34) 圖（34）c lark變換單元3.3.3. svpwm脈寬調(diào)制發(fā)生器單元結(jié)構(gòu)圖根據(jù)以上 svpwm算法 ,svpwm觸發(fā)脈沖發(fā)生器單元的結(jié)構(gòu)如圖35所示。圖3-5 svpwm脈寬調(diào)制發(fā)生器單元結(jié)構(gòu)圖3.3.4.電壓空間矢量脈寬調(diào)制發(fā)生器單元的仿真該發(fā)生器單元由扇區(qū)判斷單元、 開關(guān)矢量作用時(shí)間計(jì)算單元、 切換點(diǎn)計(jì)算單元組成。由上文給出的各計(jì)算單元的表格運(yùn)用 mat labp simulink的 look - up table 編