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现代交流调速系统-第2章PWM控制技术_图文

第二章 PWM控制技术
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 电压型PWM变频器 PWM控制技术 正弦PWM控制技术 优化PWM和随机PWM技术

§2.1 电压型PWM变频器
在变频器中均采用电压型PWM桥式电路来实现变压变频 控制的目标。按照变频器控制方式的不同,可分为以下 几种方式。 ?SCR整流器调压、逆变器调频的交-直-交变压变频装置
DC AC M ~

AC 3
~50Hz

调 压

调 频

图 2-1 可控整流器调压、六拍逆变器调频的电压型 PWM 变频器

?不可控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频的交-直 -交变压变频装置
基本结构形式如图2-2所示。其主要特点是电网侧功率因数低, 注入电网的谐波电流较大,而且由于逆变器采用SCR器件,所以 输出有较大的谐波。
AC

AC 3
~50Hz M ~

调 压

调 频

图 2-2 不可控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频的 电压型 PWM 变频器

?不可控整流、PWM逆变器调压调频的交-直-交变压 变频装置
整流器采用功率整流管器件,使得电网侧功率因数低,注入电网 的谐波电流较大,PWM逆变器则由于采用了全控自关断型电力半 导体器件和PWM控制技术,使得输出谐波大为降低。
AC

AC

3
M ~

~50Hz

调压调频

图 2-3 不可控整流、PWM 逆变器调压调频的电压型 PWM 变频器

?PWM可控整流、PWM逆变器调压调频的交-直-交 变压变频装置
由这种结构形式组成的电压型PWM变频器系统可使得电网侧功 率因数接近于1,注入电网的谐波电流很小;同时还可以进行再 生制动,即可使异步电机四象限运行。该系统有两种控制方式, 如图2-4(a)和(b)所示。
AC

AC

3
M ~

~50Hz

PWM 整流

PWM 调压调频

(a)
AC

AC

3
M ~

~50Hz

PWM 调压

PWM 调频

(b)

图 2-4 PWM 可控整流、 PWM 逆变器调压调频的电压型 PWM 变频器

§2.2 PWM控制技术
§2.2.1 PWM控制技术分类
PWM技术就是利用电力半导体器件的开通和关断把直流 电压变成一定形状的电压脉冲序列,(再经过一定的低通滤 波器后)来实现变压变频,并有效地控制和消除谐波的一种 技术。 PWM控制技术可以分为三大类:正弦PWM(包括以电 压、电流或磁链波形的正弦为目标的各种PWM方案)、优化 PWM及随机PWM。当然从实现的方法上看,大致有模拟式 和数字式两种。从控制的特性来看,主要可分为两种:开环 式(电压或磁链控制型)和闭环式(电压、电流或磁链控制 型)。

§2.2.2 PWM控制性能指标 ?电流谐波
谐波电流主要影响电机的铜耗,它构成了电机损耗的主要部分。 ① 谐波电流有效值为
Ih ? 1 T

?

T

[i ( t ) ? i t ( t )]2 dt

其中,为电流的基波分量 ② 电流谐波畸变率(Total Harmonic Distortion)
I 1 THD ? h ? I1 I1

?I
n? 2

?

2 n

其中,、分别为基波电流和n次谐波电流的有效值。

?谐波频谱
各频率分量在非正弦电流中所占的份额可用谐波电流频谱来表 示,它能够比电流谐波畸变率提供更详细的说明。

?最大调制度
调制度m定义为调制信号峰值与U1m三角载波信号峰值Utm之比, 即:

m ? U1m / U tm

?转矩脉动
在交流电机中,转矩脉动的标么值表示为

?T ? [Tmax ? Tav ] / TN
其中,Tmax为最大电磁转矩;Tav为平均转矩;为电机额 定转矩。

?开关频率和开关损耗

§2.3 正弦PWM控制技术
§2.3.1 电压正弦PWM技术
电压SPWM技术可以采用模拟电路、数字电路或大规模集成 电路芯片来实现。随着电机控制专用DSP芯片开始普及与应用, 数字化PWM技术得到了迅速的发展,典型的数字化PWM方法有 自然采样PWM和规则采样PWM两种方法。 自然采样PWM见图2-5示意。

下桥臂 PWM 脉冲

TS 图 2-5 自然采样 PWM

脉冲宽度为:

TS m t 2 ? [1 ? (sin?1t a ? sin?1t b )] 2 2

规则采样PWM则是对自然采样PWM的一种简单近似处理。它 又可以分为对称规则采样PWM和不对称规则采样PWM两种方法, 分别如图2-6(a)和(b)所示。此时脉冲宽度分别为:

TS t2 ? [1 ? m(sin?1 t k )] 2

(2-8) (2-9)

TS m t 2 ? [1 ? (sin?1t k ? sin?1 t k ?1 )] 2 2

式2-8是采用对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式; 式2-9则是使用不对称规则采样PWM时的脉冲宽度公式。

下桥臂 PWM 脉冲

TS (a ) 对称规则采样 PWM

下桥臂 PWM 脉冲

TS (b) 不对称规则采样 PWM 图 2-6 规则采样 PWM

§2.3.2 电流正弦PWM技术
交流电机的控制性能主要取决于转矩或电流的控制质量(在磁 链控制恒定的前提下),为了满足电机控制良好的动态性能,经常 采用电流的闭环控制,即采用电流正弦PWM技术。 最初的电流反馈控制就是采用通常的PI调节器的方法分别控制 三相电流,PI调节器的输出和三角波信号进行比较后产生出PWM 控制信号。在电流SPWM控制方式中,最简单、曾经广泛应用于 小功率调速系统中的是电流滞环PWM控制,即将正弦电流参考波 形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较,其结果决定逆变器 桥臂的上下开关器件的开通和关断。

§2.3.3 磁链正弦PWM技术
磁链正弦PWM(即电压空间矢量PWM——Space Vector PWM,以后简称SVPWM)与电压SPWM不同,它是从电机的角 度出发,着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁链,即正弦 磁链。 磁链SPWM多采用控制电压矢量的导通时间的方法,用尽 可能多的多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁链。 在理想情况下,电压空间矢量为圆形旋转矢量,而磁链为电压 矢量的时间积分,也是圆形的旋转矢量。为了使逆变器的输出电压 矢量接近圆形,并最终获得圆形的旋转磁链,必须利用逆变器的输 出电压矢量的时间组合,形成多边形电压矢量轨迹,使之更加接近 圆形。目前,磁链SPWM多采用控制电压矢量的导通时间的方法, 用尽可能多的多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁链。

一种具体的PWM脉冲分布如图2-7所示
U 0 ? U1 ? U 2 ? U 7 ? U 7 ? U 2 ? U1 ? U 0

A 相上臂 PWM 信号

B 相上臂 PWM 信号

C 相上臂 PWM 信号

TS 图 2-7 一种具体的 PWM 脉冲分布

§2.4 优化PWM和随机PWM技术
§2.4.1 优化PWM技术
优化PWM就是根据某一优化目标将所有工作频率范围内的开关角 度预先计算出来,然后通过查表或其他方式输出PWM控制信号。常用 的有以下几种优化方法: ?谐波消除法 通过在方波电压中增加几次开关动作,来削弱某次特定的低次谐波,从 而使输出的电流波形非常接近于正弦波。 ?效率最优PWM技术 这种方法是以效率最优为目标,因为效率是和负载大小有关的,因此, 在求解效率最优PWM的过程中,应考虑负载的变化。 ?转矩脉动最小PWM 这种方法是以转矩脉动最小为目标。

§2.4.2 随机PWM技术

?随机PWM技术概述 PWM逆变器的电流中均含有谐波分量,此谐波电流会引起转 矩脉动。为了抑制交流调速系统中的噪声,一种方法是提高开关 频率,使之超过20kHz;另一种方法就是采用随机PWM控制技 术,从改变噪声的频谱分布入手,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。 ?随机PWM技术 基于随机PWM的方法分为三类: ?随机开关频率PWM; ?随机脉冲位置PWM; ?随机开关PWM。

§2.5 小 结
?随着电机控制专用DSP技术的发展,全数字化PWM技术已经开始 取代模拟式PWM,成为电力电子设备中共用的核心技术。目前广 泛应用的是在规则采样PWM基础上发展起来的电压空间矢量PWM 控制(SVPWM),它具有计算简单、定时控制容易的特点。 ?所有PWM技术的不同之处都在于对谐波控制的不同。 ? PWM逆变器在大功率和高频化等方面尚有大量工作有待进行。 ?消除机械和电磁噪声的最佳方法并不是盲目地提高装置或系统的 工作(开关)效率,而随机PWM控制则提供了一个全新的发展思 想。


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