電氣畢業(yè)論文--電力機(jī)車逆變器pwm調(diào)制(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 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)確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻 ,其所得的的波形很接近正弦波 ,但其存在 計算繁瑣 ,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大 ,不能實時控制的缺點(diǎn) . 2）硬件調(diào)制法：硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的 ,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號 ,把接受調(diào)制的信號作為載波 ,通過對載波的調(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)制信號波為正弦波時 ,所得到的就是 SPWM波形 .其實現(xiàn)方法簡單 ,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)時刻對開關(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 ,難以實現(xiàn)精確的控制 . 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 .軟件生成法其實就是用軟件來實現(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 . 4）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 ,在兩個波形的自然交點(diǎn)時刻控制開關(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 ,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距 ,從而脈寬表達(dá)式是一個超越方程 ,計算繁瑣 ,難以實時控制 . 5）規(guī)則采樣法：規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用 方法 ,一般采用三角波作為載波 .其原理就是用三角波對正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波 ,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷 ,從而實現(xiàn) SPWM法 .當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn) (或底點(diǎn) )位置對正弦波進(jìn)行采樣時 ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個載波周期 (即采樣周期 )內(nèi)的位置是對稱的 ,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣 .當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時刻對正弦波進(jìn)行采樣時 ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個載波周期 (此時為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對稱 ,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣 . 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn) ,其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計算簡單 ,便于在線實時運(yùn)算 ,其中非對稱規(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 . 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 11 6）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 .其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開 ,表示為 tt nanu ?? sin? ,首先確定基波分量 a1的值 ,再令兩個不同的 an=0,就可以建立三個方程 ,聯(lián)立求解得 a1,a2及 a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波 . 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相當(dāng)大 ,而且同樣存在計算復(fù)雜的缺點(diǎn) .該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中 . 7）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 %.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 ,三角波為載波 ,且使兩波幅值相等 ,以兩波的交點(diǎn)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 . （ 2）空間電壓矢量控制 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(jī)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(jī)的角度出發(fā) ,把逆變器和電機(jī)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(jī)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(jī)低速時 ,定子電阻影響大的問題 ,減小了電機(jī)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 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 12 SPWM 的特點(diǎn)與原理 由于本文采用的是電壓型逆變器 故采用的 SPWM 調(diào)制方法是電壓 SPWM。電壓脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（電壓 SPWM），顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成電壓正弦的輸出，實現(xiàn)變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）是將正弦波變成寬度漸變的脈沖波，其中的脈沖波的寬度變化規(guī)律完全符合正弦的變化規(guī)律。正弦脈寬調(diào)制的方法也叫三角波調(diào)制方法。產(chǎn)生原理是采用一組等腰三角波信號（載波）與正弦波信號（調(diào)制波）通過比較器進(jìn)行比較，其交點(diǎn)作為晶閘管的導(dǎo) 通和關(guān)斷時刻，當(dāng)調(diào)制波（正弦波）大于載波（三角波）時，逆變橋的晶閘管導(dǎo)通，反之，則關(guān)斷，逆變器就產(chǎn)生一組等幅不等寬的脈沖序列。正弦波的頻率和幅值是可控的，只要改變正弦波的頻率，就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點(diǎn)發(fā)生改變，是輸出的逆變脈沖序列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出脈沖的電壓，其 SPWM 生成的原理如圖 所示，通過生成的 SPWM 信號來控制逆變器的開關(guān)斷從而實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。 圖 的生成方法 三相 橋式逆變器的主電路如圖 所示。為了得到 三相 橋式逆變器所需的三相對稱河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 13 SPWM 脈沖，逆變器三相輸出端 A,B,C 相電壓之間的相位必須互差 120176。為此三相 SPWM最基本的設(shè)計原則之一就是，用于產(chǎn)生三相 SPWM 脈沖的三個正弦調(diào)制信號，即圖 中的 U相調(diào)制波、 V 相調(diào)制波、 W 相調(diào)制波。它們之間也必須保持 120176。的相位差。從原理上講，三相 SPWM 脈沖的產(chǎn)生可以每相調(diào)制波單獨(dú)配備一個載波，也可以三相共用一個載波。由于后者的實現(xiàn)和控 制更為簡單，因此絕大多數(shù) 三相 逆變器都采用這種方法。為了嚴(yán)格的保證三相之間的相位差，載波比應(yīng)該設(shè)計為 3 的整數(shù)倍 ，如圖 所示，圖 為 A 相晶閘管的控制脈沖， B相和 C 相脈沖應(yīng)該分別滯后 A 相脈沖 180176。和 240176。逆變器三相輸出端相對于直流環(huán)節(jié)中點(diǎn) O的相電壓波相分別為圖 相電壓、 V相電壓、和 W 相電壓所示，三相之間線電壓波形可以通過分別將兩相電壓相減得到。圖 中線電壓 UV 即 U 相與 V 相之間的線電壓的波形。 圖 三相 SPWM 在 使用 SPWM 進(jìn)行變頻調(diào)速時需要考慮的問題是， SPWM 波并不是真的正弦波，只是用按照正弦規(guī)律變化的階梯來逼近正弦波，為此仍然存在大量的高次諧波，在實際控制河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 14 過程中必須采取有效的措施 來減少諧波分量。根據(jù)實驗課知，當(dāng)三角載波的頻率越高，出現(xiàn)的諧波幅度就會越小， SPWM 的電流波形就越好，因而，希望可以盡量提高載波頻率來降低電流的諧波分量。在實際控制過程中，載波和調(diào)制波的頻率調(diào)整可以有如下三種方法：同步調(diào)制法、異步調(diào)制法和分段同步調(diào)制法。同步調(diào)制是指調(diào)制波和載波的比值等于常數(shù)，在調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率的同時調(diào)節(jié)載波頻率，此方法雖然使得逆變器輸出的三相波形在正、負(fù)半波上有嚴(yán)格的對稱，但是在低頻控制時，會出現(xiàn) SPWM 的脈沖太少，從而加大了諧波分量，不適合低頻控制；異步調(diào)制法是指載波頻率固定不變，只改變調(diào) 制波的頻率進(jìn)行調(diào)制，它雖然解決了同步調(diào)制在低頻時所產(chǎn)生的諧波分量較大的缺陷，但由于它造成了輸出三相波在正負(fù)半波的不對稱，從而會加大電機(jī)運(yùn)行的不平穩(wěn)性。鑒于上述分析：在實際運(yùn)用中最為廣泛的是分段同步調(diào)制法，即在低頻時采用異步調(diào)制法，在其他頻段時采用同步調(diào)制法。 SPWM 性能如下： 1） 直流電壓利用率只有 % 2） 其輸出電壓諧波主要是頻率為開關(guān)頻率及開關(guān)頻率倍數(shù)的諧波，而 THD 指標(biāo)隨開關(guān)頻率的提高而降低，而同一開關(guān)頻率下， THD 的變化趨勢是隨輸出頻率的提高而增大 3） 采用注入三次諧波可以提高直流電壓利用率，最大可以達(dá) 到 115% 空間電壓矢量 SVPWM 電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是從交流電機(jī)的角度出發(fā)，以控制交流電機(jī)磁鏈空間矢量軌跡逼近圓形為調(diào)制目的，以求減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動、改善電機(jī)的運(yùn)動性能。與傳統(tǒng)的 SPWM 方法相比， SVPWM 具有直流電壓利用率更高、電機(jī)的諧波電流和轉(zhuǎn)矩脈動更小、電壓和頻率控制能同時完成以及實現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，目前無論在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中都得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 SVPWM 的基本原理 SVPWM 的基本原理可以從交流電機(jī)電壓空間矢量、磁鏈空間矢量以及電流空間矢量的概念 出發(fā)進(jìn)行推導(dǎo)和分析。 假設(shè)交流電機(jī)由理想對稱的正弦電壓供電，三相電壓 Au , Bu , Cu 可以用矩陣的形式表河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 15 式為 LCBAUtuuu???????????????????????3/4c o s ()3/2c o s (c o s32111????? （ ） 式中， LU 為線電壓有效值， 1? 為正弦供電電壓的角頻率。采用電壓空間矢的概念，定子電壓空 間矢量 SU 可定義為 )(32 3432 ?? jCjBAS eueuuU ??? （ ） 與此 類似，還可以定義出交流電機(jī)的定子電流空間矢量 SI 和定子磁鏈空間矢量 s? ： )(32 3432 ?? jCjBAS eieiiI ??? （ ） )(32 3432 ?? ???? jCjBAS ee ??? （ ） 其中 ， Ai ， Bi ， Ci 和 A? , B? , C? 分別代表電機(jī)的三相定子電流和定子磁鏈。于是，交流電機(jī)定子電壓方程可以利用空間矢量簡潔地表示為 SSsS IRdtdU ?? ? （ ） 其中 ， SR 表示定子電阻。 由于定子電阻一般較小，除非供電頻率很低，定子電阻壓降在定子電壓中所占有的比例往往很小，在大多數(shù)情況下都可以忽略。因此定子磁鏈空間矢量 s? 可通過對定子電壓空間矢量 SU 的積分近似得到 0sSS dtU ?? ?? ? （ ） 其中， 0s? 表示定子磁鏈空間矢量的初始位置。 當(dāng)交流電機(jī)由對稱正弦電壓供電時，電壓空間矢量 SU 沿著一個半徑為 LU 的圓形軌跡勻速運(yùn)行，其運(yùn)動速率等于 1? 。從式（ ）可知。定子磁鏈空間矢量 s? 的運(yùn)動方向始終與定子電壓空間矢量 SU 的方向相同。 因此一個沿圓形軌跡運(yùn)行的 SU 將在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生一個同樣沿圓形軌跡移動的 s? ，而且 s? 得移動速率與 SU 相同。電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制正是以調(diào)節(jié)交流電機(jī)定子磁鏈空間矢量 s? 軌跡為目的對 SU 進(jìn)行直接控制的一種調(diào)制方法。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 16 逆變器輸出電壓矢量和正六邊形 磁鏈軌跡控制 在圖 所示的三相橋式逆變器中， 6 個開關(guān)器件總共可產(chǎn)生 8 種有效的開關(guān)組合模式。如用 AS , BS , CS 分別表示逆變器的三個橋臂的狀態(tài)，并規(guī)定當(dāng)上橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通而下橋臂開關(guān)器件截止時橋臂狀態(tài)為 1。反之當(dāng)下橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通而上橋臂開關(guān)器件截止時橋臂的狀態(tài)為 0，比如 { AS , BS , CS }={1,0,0}就表示 A 相上管導(dǎo)通， B 相和 C 相都是下管導(dǎo)通。逆變器 8 種開關(guān)組合模式所對應(yīng)的三相輸出相電壓瞬時值（相對于三相對稱星接負(fù)載的中點(diǎn) N）和電壓空間矢量分別如式（ ）和表 所示。 ?????????????????????????????????????CBACBASSSuuu211121112 （ ） 表 定子電壓空間矢量 開關(guān)狀態(tài) { AS , BS , CS } Au Bu Cu 定子電壓空間矢量表達(dá)式 7