【技術(shù)分享】詳解變頻器中的空間矢量SVPWM控制技術(shù)

昨天我們聊了 PWM 逆變電路中的諧波以及如何提高電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)，今天我們繼續(xù)來聊 PWM 中的空間矢量控制以及跟蹤控制技術(shù)

 

01

空間矢量 SVPWM 控制

空間矢量 SVPWM 控制技術(shù)廣泛運(yùn)用于變頻器中，驅(qū)動交流電機(jī)時(shí)，使電機(jī)的磁鏈成為圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而使電機(jī)產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

 

三相電壓型橋式逆變電路

 

采用 180°導(dǎo)通方式，共有 8 種工作狀態(tài)，即 V6、V1、V2 通，V1、V2、V3 通，V2、V3、V4 通，V3、V4、V5 通， V4、V5、V6 通，V5、V6、V1 通，以及 V1、V3、V5 通和 V2、V4、V6 通，用“1”表示每相上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，用“0”表示下橋臂開關(guān)導(dǎo)通，則上述 8 種工作狀態(tài)可依次表示為 100、110、010、011、001、101 以及 111 和 000。前 6 種狀態(tài)有輸出電壓，屬有效工作狀態(tài)，而后兩種全部是上管通或下管通，沒有輸出電壓，稱之為零工作狀態(tài)，故對于這種基本的逆變器，稱之為 6 拍逆變器。

 

對于 6 拍逆變器，在每個(gè)工作周期中，6 種有效工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次，每一種狀態(tài)持續(xù) 60°，在一個(gè)周期中 6 個(gè)電壓矢量共轉(zhuǎn)過 360°，形成一個(gè)封閉的正六邊形

 

電壓空間矢量六邊形

 

對于 111 和 000 這兩個(gè)“零工作狀態(tài)”，在這里表現(xiàn)為位于原點(diǎn)的零矢量，坐落在正六邊形的中心點(diǎn)。采用 PWM 控制，就可以使交流電機(jī)的磁通盡量接近圓形，工作頻率越高，磁通就越接近圓形，需要的電壓矢量不是 6 個(gè)基本電壓矢量時(shí)，可以用兩個(gè)基本矢量和零矢量的組合來實(shí)現(xiàn)。

 

空間電壓矢量的線形組合

 

所要的矢量為 us，用基本矢量 u1 和 u2 的線形組合來實(shí)現(xiàn)，u1 和 u2 的作用時(shí)間一般小于開關(guān)周期 To 的 60°，不足的時(shí)間可用“零矢量”補(bǔ)齊。

 

扇區(qū)Ⅰ內(nèi)三相 PWM 調(diào)制方式

 

02

PWM 逆變電路的多重化

多重化目的是為了提高等效開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗，減少和載波有關(guān)的諧波分量。PWM 逆變電路多重化聯(lián)結(jié)方式有變壓器方式和電抗器方式。

 

電抗器聯(lián)接的二重 PWM 逆變電路

 

 

電路的輸出從電抗器中心抽頭處引出，兩個(gè)單元逆變電路的載波信號相互錯(cuò)開 180°， 輸出端相對于直流電源中點(diǎn) N'的電壓 uUN'=(uU1N'+uU2N')/2，已變?yōu)閱螛O性 PWM 波了，輸出線電壓共有 0、(±1/2)Ud、±Ud 五個(gè)電平，比非多重化時(shí)諧波有所減少。所加電壓的頻率越高，電抗器所需的電感量就越小。

 

 

二重 PWM 型逆變電路輸出波形

 

二重化后，輸出電壓中所含諧波的角頻率仍可表示為 nωc +kωr，但其中當(dāng) n 為奇數(shù)時(shí)的諧波已全部被除去，諧波的最低頻率在 2ωc 附近，相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高了 一倍。

 

03

PWM 跟蹤控制技術(shù)

跟蹤控制方法：把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號，把實(shí)際電流或電壓波形作為反饋信號， 通過兩者的瞬時(shí)值比較來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號變化。

 

滯環(huán)比較方式

此種方式電流跟蹤控制應(yīng)用的較多。

 

①PWM 電流跟蹤控制單相半橋式逆變電路

 

 

把指令電流 i*和實(shí)際輸出電流 i 的偏差 i*-i 作為帶有滯環(huán)特性的比較器的輸入，通過其輸出來控制功率器件 V1 和 V2 的通斷。

 

滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流

 

當(dāng) V1(或 VD1)導(dǎo)通時(shí)，i 增大；當(dāng) V2(或 VD2)導(dǎo)通時(shí)，i 減小。通過環(huán)寬為 2ΔI 的滯環(huán)比較器的控制，i 就在 i*+ΔI 和 i*-ΔI 的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流 i*。環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。L 大時(shí)，i 的變化率小，跟蹤慢；L 小時(shí)，i 的變化率大，開關(guān)頻率過高。

 

②三相電流跟蹤型 PWM 逆變電路

 

 

由三個(gè)單相半橋電路組成，三相電流指令信號 i*U 、i*V 和 i*W 依次相差 120°。在線電壓的正半周和負(fù)半周內(nèi)，都有極性相反的脈沖輸出，這將使輸出電壓中的諧波分量增大，也使負(fù)載的諧波損耗增加。

 

采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型 PWM 變流電路有如下特點(diǎn):

 

⑴硬件電路簡單；

 

⑵實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。

 

⑶不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。

 

⑷和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多。

 

⑸屬于閉環(huán)控制，是各種跟蹤型 PWM 變流電路的共同特點(diǎn)。

 

電壓跟蹤控制：

 

 

 

把指令電壓 u*和輸出電壓 u 進(jìn)行比較，濾除偏差信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。輸出電壓 PWM 波形中含大量高次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。

 

u*=0 時(shí)，輸出電壓 u 為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路。u*為直流信號時(shí)，u 產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。u*為交流信號時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵(lì)振蕩頻率，從 u 中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和 u* 相同，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。

 

三角波比較方式

 

 

三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路

把指令電流 i*U、i*V 和 i*W 和逆變電路實(shí)際輸出的電流 iU、iV、iW 進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過放大器 A(放大器 A 通常具有比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響著逆變電路的電流跟蹤特性)放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生 PWM 波形。

 

特點(diǎn)：

 

⑴開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)方便。

 

⑵為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波載波。

 

⑶和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。

 

定時(shí)比較方式

這種方式不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘。以固定的采樣周期對指令信號和被控制變量進(jìn)行采樣，并根據(jù)二者偏差的極性來控制變流電路開關(guān)器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號。

 

我們以單相半橋逆變電路為例，在時(shí)鐘信號到來的采樣時(shí)刻

 

如 i<i*，V1 導(dǎo)通，V2 關(guān)斷，使 i 增大；

 

如 i>i*，V1 關(guān)斷，V2 導(dǎo)通，使 i 減小。

 

每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小，采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率的 1/2。和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些。

 

關(guān)于 PWM 技術(shù)，我們就先聊這么多。每一個(gè)細(xì)節(jié)展開之后都會很多，有機(jī)會的話大家可以在實(shí)踐中慢慢深入理解。