電氣交—直—交電力機車逆變器pwm調制畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 脈 沖 序 列 代 替 正 弦 波 ,然 后 計 算 各 脈 沖 的 寬 度 和 間 隔 ,并 把 這 些 數 據 存于 微 機 中 ,通 過 查 表 的 方 式 生 成 PWM信 號 控 制 開 關 器 件 的 通 斷 ,以 達 到 預 期 的 目 的 .由于 此 方 法 是 以 SPWM控 制 的 基 本 原 理 為 出 發 點 ,可 以 準 確 地 計 算 出 各 開 關 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 據 占 用 內 存 大 ,不 能 實 時 控制 的 缺 點 . 2） 硬 件 調 制 法 ： 硬 件 調 制 法 是 為 解 決 等 面 積 法 計 算 繁 瑣 的 缺 點 而 提 出 的 ,其 原理 就 是 把 所 希 望 的 波 形 作 為 調 制 信 號 ,把 接 受 調 制 的 信 號 作 為 載 波 ,通 過 對 載 波 的 調制 得 到 所 期 望 的 PWM波 形 .通 常 采 用 等 腰 三 角 波 作 為 載 波 ,當 調 制 信 號 波 為 正 弦 波 時 ,所 得 到 的 就 是 SPWM波 形 .其 實 現 方 法 簡 單 ,可 以 用 模 擬 電 路 構 成 三 角 波 載 波 和 正 弦 調 制波 發 生 電 路 ,用 比 較 器 來 確 定 它 們 的 交 點 ,在 交 點 時 刻 對 開 關 器 件 的 通 斷 進 行 控 制 ,就可 以 生 成 SPWM波 .但 是 ,這 種 模 擬 電 路 結 構 復 雜 ,難 以 實 現 精 確 的 控 制 . 3） 軟 件 生 成 法 ： 由 于 微 機 技 術 的 發 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 運 而 生 .軟 件 生 成 法 其 實 就 是 用 軟 件 來 實 現 調 制 的 方 法 ,其 有兩 種 基 本 算 法 ,即 自 然 采 樣 法 和 規 則 采 樣 法 . 4） 自 然 采 樣 法 ： 以 正 弦 波 為 調 制 波 ,等 腰 三 角 波 為 載 波 進 行 比 較 ,在 兩 個 波 形 的自 然 交 點 時 刻 控 制 開 關 器 件 的 通 斷 ,這 就 是 自 然 采 樣 法 .其 優 點 是 所 得 SPWM波 形 最 接近 正 弦 波 ,但 由 于 三 角 波 與 正 弦 波 交 點 有 任 意 性 ,脈 沖 中 心 在 一 個 周 期 內 不 等 距 ,從 而脈 寬 表 達 式 是 一 個 超 越 方 程 ,計 算 繁 瑣 ,難 以 實 時 控 制 . 5） 規 則 采 樣 法 ： 規 則 采 樣 法 是 一 種 應 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 行 采 樣 得 到 階 梯 波 ,再 以 階 梯 波 與 三 角 波的 交 點 時 刻 控 制 開 關 器 件 的 通 斷 ,從 而 實 現 SPWM法 .當 三 角 波 只 在 其 頂 點 (或 底 點 )位置 對 正 弦 波 進 行 采 樣 時 ,由 階 梯 波 與 三 角 波 的 交 點 所 確 定 的 脈 寬 ,在 一 個 載 波 周 期 (即采 樣 周 期 )內 的 位 置 是 對 稱 的 ,這 種 方 法 稱 為 對 稱 規 則 采 樣 .當 三 角 波 既 在 其 頂 點 又 在底 點 時 刻 對 正 弦 波 進 行 采 樣 時 ,由 階 梯 波 與 三 角 波 的 交 點 所 確 定 的 脈 寬 ,在 一 個 載 波周 期 (此 時 為 采 樣 周 期 的 兩 倍 )內 的 位 置 一 般 并 不 對 稱 ,這 種 方 法 稱 為 非 對 稱 規 則 采 樣 . 規 則 采 樣 法 是 對 自 然 采 樣 法 的 改 進 ,其 主 要 優 點 就 是 是 計 算 簡 單 ,便 于 在 線 實 時運 算 ,其 中 非 對 稱 規 則 采 樣 法 因 階 數 多 而 更 接 近 正 弦 .其 缺 點 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 制 方 式 中 . 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 展 開 ,表 示 為 ,首 先 確 定 基ttnau??si?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 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 大 ,而 且 同 樣 存 在 計 算 復 雜 的 缺 點 .該 方 法 同 樣 只 適 用 于 同 步 調 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 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 器 件 的 通 斷 實 現 PWM控 制 . 由 于 當 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 氣 隙 的 理 想 圓 形 旋 轉 磁 場 軌 跡 為 目 的 ,用 逆 變 器 不 同 的 開 關 模 式 所 產 生 的 實 際 磁 通 去 逼 近 基 準 圓 磁 通 ,由 它 們 的 比 較 結 果 決定 逆 變 器 的 開 關 ,形 成 PWM波 形 .此 法 從 電 動 機 的 角 度 出 發 ,把 逆 變 器 和 電 機 看 作 一 個整 體 ,以 內 切 多 邊 形 逼 近 圓 的 方 式 進 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 式 和 磁 通 閉 環 式 .磁 通 開 環 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 制 時 提 高 15%,諧 波 電 流 有 效 值 之 和 接 近 最 小 .磁 通 閉 環 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 誤 差 決 定 產 生下 一 個 電 壓 矢 量 ,形 成 PWM 波 形 .這 種 方 法 克 服 了 磁 通 開 環 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 矩 的 調 節 ,系統 性 能 沒 有 得 到 根 本 性 的 改 善 SPWM 的特點與原理由于本文采用的是電壓型逆變器故采用的 SPWM 調制方法是電壓 SPWM。電壓脈沖寬度調制技術（電壓 SPWM），顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成電壓正弦的輸出，實現變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。SPWM（正弦脈寬調制）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律完全符合正弦的變化規律。正弦脈寬調制的方法也叫三角波調制方法。產生原理是采用一組等腰三角波信號（載波）與正弦波信號（調制波）通過比較器進行比較，其交點作為晶閘管的導通和關斷時刻，當調制波（正弦波）大于載波（三角波）時，逆變橋的晶閘管導通，反之，則關斷，逆變器就產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，從而改變電機的轉速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點發生改變，是輸出的逆變脈沖序列的寬度發生變化，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斷從而實現電機的變頻調速。 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最基本的設計原則之一就是，用于產生三相 SPWM 脈沖的三個正弦調制信號，即圖 中的 U 相調制波、V 相調制波、W 相調制波。它們之間也必須保持 120176。的相位差。從原理上講，三相 SPWM 脈沖的產生可以每相調制波單獨配備一個載波，也可以三相共用一個載波。由于后者的實現和控制更為簡單，因此絕大多數三相逆變器都采用這種方法。為了嚴格的保證三相之間的相位差，載波比應該設計為 3 的整數倍，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節中點 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 進行變頻調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，在實際控制過程中必須采取有效的措施來減少諧波分量。根據實驗課知，當三角載波的頻率越高，出現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，載波和調制波的頻率調整可以有如下三種方法：同步調制法、異步調制法和分段同步調制法。同步調制是指調制波和載波的比值等于常數，在調節調制波頻率的同時調節載波頻率，此方法雖然使得逆變器輸出的三相波形在正、負半波上有嚴格的對稱，但是在低頻控制時，會出現 SPWM 的脈沖太少，從而加大了諧波分量，不適合低頻控制；異步調制法是指載波頻率固定不變，只改變調制波的頻率進行調制，它雖然解決了同步調制在低頻時所產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半波的不對稱，從而會加大電機運行的不平穩性。鑒于上述分析：在實際運用中最為廣泛的是分段同步調制法，即在低頻時采用異步調制法，在其他頻段時采用同步調制法。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頻率及開關頻率倍數的諧波，而 THD 指標隨開關頻率的提高而降低，而同一開關頻率下，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，最大可以達到 115% 空間電壓矢量 SVPWM電壓空間矢量脈沖寬度調制技術是從交流電機的角度出發，以控制交流電機磁鏈空間矢量軌跡逼近圓形為調制目的，以求減小電機的轉矩脈動、改善電機的運動性能。與傳統的 SPWM 方法相比， SVPWM 具有直流電壓利用率更高、電機的諧波電流和轉矩脈動更小、電壓和頻率控制能同時完成以及實現簡單等優點，目前無論在開環調速系統或閉環調速系統中都得到了越來越廣泛的應用。 SVPWM 的基本原理SVPWM 的基本原理可以從交流電機電壓空間矢量、磁鏈空間矢量以及電流空間矢量的概念出發進行推導和分析。假設交流電機由理想對稱的正弦電壓供電，三相電壓 , , 可以用矩陣的形式表AuBC式為 （）LCBAUtu??????????????3/4cos()2311??式中， 為線電壓有效值， 為正弦供電電壓的角頻率。采用電壓空間矢的概念，LU1定子電壓空間矢量 可定義為S )(323432??jCjBAS euu??（）與此類似，還可以定義出交流電機的定子電流空間矢量 和定子磁鏈空間矢量 ：SI s? )(323432??jCjBAS eiiI??（） )(3432????jCjBAS e（）其中， ， ， 和 , , 分別代表電機的三相定子電流和定子磁鏈。于是，交流電AiBCiA