【文章內(nèi)容簡介】 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 ,三角波為載波 ,且使兩波幅值相等 ,以兩波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn) PWM 控制 . 由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時 ,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 . PWM 前面所介紹的各種 PWM 控制方法用于三相逆變電路時 ,都是對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 ,對于像 三相異步電動機 這樣的三相無中線對稱負(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 . 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),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波 ,調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形 ,而且幅值明顯降低 ,于是在調(diào)制信號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 ,所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波 [4]. 除了可以注入三次諧波以外 ,還可以注入其他 3 倍頻于正弦波信號的其他波形 ,這些信號都不會影響線 電壓 .這是因為 ,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倍頻于正弦波信號的諧波 ,但在合成線電壓時 ,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） 單元脈寬調(diào)制法 因為 ,三相對稱線電壓有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的關(guān)系 ,所以 ,某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負(fù)值之和 .現(xiàn)在把一個周期等分為 6個區(qū)間 ,每區(qū)間 60176。, 對于某一線電壓例如 Uuv,半個周期兩邊 60176。 區(qū)間用 Uuv 本身表示 ,中間 60176。 區(qū)間用 (Uvw+Uwu)表示 ,當(dāng)將 Uvw和 Uwu作同樣處理時 ,就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊 60176。 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 ,載波仍用三角波 ,并把各區(qū)間的 曲線 用直線近似 (實踐表明 ,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 ,該波形是完全對稱 ,且規(guī)律性很強 ,負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相 ,因此 ,只要半個周期兩邊 60176。 區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定 ,線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一地確定了 .這個脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號 ,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)動脈沖信號了 . 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) ,同時還能帶來用微機控制的方便 ,但該方法只適用于異步電動機 ,應(yīng)用范圍較小 . 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 ,把實際的電流波形作為反饋信號 ,通過兩者瞬時值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷 ,使實際輸出隨指令信號的改變而改變 .其實現(xiàn)方案主要有以下 3種 . 1） 滯環(huán)比較法 這是一種帶反饋的 PWM 控制方式 ,即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器 ,得出相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài) ,使得實際電流跟蹤給定電流的變化 .該方法的優(yōu)點是電路簡單 ,動態(tài)性能好 ,輸出電壓不含特定頻率的諧波分量 .其缺點是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音 ,和其他方法相比 ,在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多 . 2） 三角波比較法 該方法與 SPWM 法中的三角波比較方式不同 ,這里是把指令電流與實際輸出電流進(jìn)行比較 ,求出偏差電流 ,通過放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較 ,產(chǎn)生 PWM波 .此時開關(guān)頻率一定 ,因而克服了 滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點 .但是 ,這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快 . 3） 預(yù)測電流控制法 預(yù)測電流控制是在每個調(diào)節(jié)周期開始時 ,根據(jù)實際電流誤差 ,負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量 ,來預(yù)測電流誤差矢量趨勢 ,因此 ,下一個調(diào)節(jié)周期由 PWM 產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測的誤差 .該方法的優(yōu)點是 ,若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息 ,則可獲得比較快速 ,準(zhǔn)確的響應(yīng) .目前 ,這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性 . PWM 空間電壓矢量控 制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM法 .它以三相波形整體生成效果為前提 ,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的 ,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基 準(zhǔn)圓磁通 ,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān) ,形成 PWM 波形 .此法從電動機的角度出發(fā) ,把逆變器和電機看作一個整體 ,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制 ,使電機獲得幅值恒定的圓形磁場 (正弦磁通 ). 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式 .磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合 成一個等效的電壓矢量 ,若采樣時間足夠小 ,可合成任意電壓矢量 .此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時提高 15%,諧波電流有效值之和接近最小 .磁通閉環(huán)式引 入磁通反饋 ,控制磁通的大小和變化的速度 .在比較估算磁通和給定磁通后 , 根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量 ,形成 PWM 波形 .這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足 ,解決了電機低速時 ,定子電阻影響大的問題 ,減小了電機的脈動和噪音 .但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié) ,系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善 . 矢量控制 PWM 矢量控制 也稱磁場定向控制 ,其原理是將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子電流 Ia,Ib 及 Ic,通過三相 /二相變換 ,等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1及 Ib1,再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換 ,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1及 It1(Im1相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流 。It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 ),然后模仿對直流電動機的控制方法 ,實現(xiàn)對交流電動機的控制 .其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機 ,分別對速度 ,磁場兩個分量進(jìn)行獨立控制 .通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈 ,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量 ,經(jīng)坐標(biāo)變換 ,實現(xiàn)正交或解耦控制 . 但是 ,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測 ,以及矢量變換的復(fù)雜性 ,使得實際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果 ,這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足 .此外 .它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制 ,在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器 ,這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便 . PWM 1985 年德國魯爾大學(xué) Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論 (Direct Torque Control簡稱 DTC).直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同 ,它不是通過控制電流 ,磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩 ,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制 ,它也不需要解耦電機模型 ,而是在靜止的坐標(biāo)系中計算電機磁通和轉(zhuǎn)矩的實際值 ,然后 ,經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 BandBand 控制產(chǎn)生 PWM 信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制 ,從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足 ,能方便地 實現(xiàn) 無速度傳感器 化 ,有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高 的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度 ,并以新穎的控制思想 ,簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展 . 但 直接轉(zhuǎn)矩控制 也存在缺點 ,如逆變器開關(guān)頻率的提高有限制 . PWM 單周控制法 [7]又稱積分復(fù)位控制 (Integration Reset Control,簡稱 IRC),是一種新型非線性控制技術(shù) ,其基本思想是控制開關(guān)占空比 ,在每個周期使開關(guān)變量的平均值與控制 參考電壓相等或成一定比例 .該技術(shù)同時具有調(diào)制和控制的雙重性 ,通過復(fù)位開關(guān) ,積分器 ,觸發(fā)電路 ,比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的 .單周控制器由控制器 ,比較器 ,積分器及時鐘組成 ,其中控制器可以是 RS 觸發(fā)器 ,其控制原理如圖 1所示 .圖中 K可以是任何物理開關(guān) ,也可是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號 . 單周控制在控制電路中不需要誤差綜合 ,它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài) ,瞬態(tài)誤差 ,使前一周期的誤差不會帶到下一周期 .雖然硬件電路較復(fù)雜 ,但其克服了傳統(tǒng)的 PWM 控制方法的不足 ,適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器 ,具有反應(yīng)快 ,開關(guān)頻 率恒定 ,魯棒性強等優(yōu)點 ,此外 ,單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng) ,減小畸變和抑制電源干擾 ,是一種很有前途的控制方法 . PWM 傳統(tǒng)的 PWM 逆變電路中 ,電力電子開關(guān)器件硬開關(guān)的工作方式 ,大的開關(guān)電壓電流應(yīng)力以及高的 du/dt 和 di/dt 限制了開關(guān)器件工作頻率的提高 ,而高頻化是電力電子主要發(fā)展趨勢之一 ,它能使變換器體積減小 ,重量減輕 ,成本下降 ,性 能提高 ,特別當(dāng)開關(guān)頻率在 18kHz 以上時 ,噪聲將已超過人類聽覺范圍 ,使無噪聲傳動系統(tǒng)成為可能 . 諧振軟開關(guān) PWM 的基本思想是在常規(guī) PWM 變換器拓?fù)涞幕A(chǔ) 上 ,附加一個諧振網(wǎng)絡(luò) ,諧振網(wǎng)絡(luò)一般由諧振電感 ,諧振電容和功率開關(guān)組成 .開關(guān)轉(zhuǎn)換時 ,諧振網(wǎng)絡(luò)工作使電力電子器件在開關(guān)點上實現(xiàn)軟開關(guān)過程 ,諧振過程極短 ,基本不影響 PWM 技術(shù)的實現(xiàn) .從而既保持了 PWM 技術(shù)的特點 ,又實現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù) .但由于諧振網(wǎng)絡(luò)在電路中的存在必然會產(chǎn)生諧振損耗 ,并使電路受固有問題的影響 ,從而限制了該方法的應(yīng)用。 三、 PWM變頻器 在電機中的應(yīng)用 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，使直流電機的傳動技術(shù)得到改進(jìn)，以往普遍采用的三種基本調(diào)速方法，即：（ 1）改變電樞回路總電阻；（ 2）改變電樞的 供電電壓；（ 3）改變勵磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)， 以及全波不控整流 — PWM 斬波直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。近年來，電氣傳動的 PWM 控制技術(shù)已成為電氣