加入星計(jì)劃,您可以享受以下權(quán)益:

  • 創(chuàng)作內(nèi)容快速變現(xiàn)
  • 行業(yè)影響力擴(kuò)散
  • 作品版權(quán)保護(hù)
  • 300W+ 專業(yè)用戶
  • 1.5W+ 優(yōu)質(zhì)創(chuàng)作者
  • 5000+ 長期合作伙伴
立即加入
  • 正文
  • 相關(guān)推薦
  • 電子產(chǎn)業(yè)圖譜
申請入駐 產(chǎn)業(yè)圖譜

【技術(shù)分享】詳解變頻器中的空間矢量SVPWM控制技術(shù)

2019/04/17
198
閱讀需 27 分鐘
加入交流群
掃碼加入
獲取工程師必備禮包
參與熱點(diǎn)資訊討論

 

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。
 
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):
 
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。

相關(guān)推薦

電子產(chǎn)業(yè)圖譜

公眾號“功率半導(dǎo)體那些事兒”主筆,熱衷于功率半導(dǎo)體行業(yè),并且從事相關(guān)工作,喜歡關(guān)于相關(guān)行業(yè)的各種信息,知識和應(yīng)用。珍惜時(shí)光,自由在高處。