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1、天津科技大学2011届毕业生毕业设计1. 绪论1.1 课题意义与背景空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation) 是已被应用于变频器、ups、无功补偿器等领域的新技术。近年来随着大型重工业行业的技术改造和更新工作的展开，对大功率、高质量变频器的需求与日俱增，这种情况在我国尤其突出。电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，为变频器技术日趋成熟准备了条件，先进的svpwm技术在此环境下应运而生。变频器的svpwm算法与其拓扑结构有着密切的联系，因此必须根据变频器拓扑结构的不同，选取相应的控制算法。电力电子技术是一门融合了电力技术、电子技术和控制技术的
2、交叉科学，自20世纪50年代末第一支管问世以来，电力电子技术就开始登上现代电气传动技术舞台，在随后的40余年里，电力电子技术在电气件、变流电路、控制技术等方面都发生了日新月异的变化，在国际上，电力电子是竞争最激烈的高新技术领域。现代电力电子技术无论是对改造传统工业还是对高新技术产业都至关重要，他们已经迅速的发展成为了一门与现代控制理论、电机控制、微电子等科目相互渗透的学科。电力电子技术的应用领域几乎涉及及国民经济的各个部门，在风能、太阳能等节能电源、交直流供电电源、电机节能应用、电梯控制等领域，乃至社会生活等诸多方面的应用不断延伸，是信息时代的重要关键技术之一。电力电子变换器的控制策略和方法与
3、其使用的电力半导体器件和拓扑结构有密切关系，不同的开关器件和不同的拓扑有不同的pwm方式，比如，基于半控开关和全控开关的变换器控制方式完全不一样，基于不同类型的全控开关的变换器控制方式中关键参数也有很大差异。从变换器控制策略的角度讲，可以将pwm技术分开两个层面，一个是pwm实现方法，一个是pwm控制目标的确定。PWM控制技术亦称为斩波技术，与之相对应的有一种脉幅调制控制技术，既在能量采样时,脉宽不变，脉幅不变，从而输出不同的幅值的恒脉宽脉冲序列。他们统称为调制技术。多电平逆变器适用于高压、大功率电力电子装置和设备中，是当前研究的热点。其基本思想是把多个功率器件按一定的拓扑结构连接成可以提供多
4、种电平输出的电路，然后使用适当的控制逻辑将几个电平台阶合成阶梯波以输出逼近萨弦的交流电压。多电平逆变器在大功率有源电力滤波、无功补偿等电能质量综合治理领域以及高电压电动机驱动等场合获得了广泛的应用。有源电力滤波技术和无功补偿技术对于电力系统改善供电质量，保证可靠性有着重要的意义。电力系统要求有源滤波和无功补偿装置具有良好的调节性能和足够大的输出功率，以提供电流的超前或滞后补偿，同时要求系统有足够的频带宽度以达到消除高次谐波的目的。为实现对无功电流和高次谐波电流的有效补偿，需要开关器件工作在较高的频率下，而大功率电力电子器件(如GTO等)的开关频率较低，且高的开关频率会导致较大的开关损耗，降低了
5、系统效率，难以满足现代电网的需要。多电平逆变器应用于有源电力滤波装置，在较低的器件开关频率下，就可增大系统的等效开关频率使整个逆变器的传输带宽大大提高。多电平逆变器应用于静止无功补偿装置可以对无功功率进行动态补偿，抑制电压波动和|=j、j变，提高系统功率因数，降低设备容量，减小功率损耗：减少对电网的谐波污染；稳定电网电压，提高供电质量，改善输电系统的稳定性，提高输电能力。多电平逆变器的最主要的应用场合是高压变频调速系统。根据全国第三次工业普查公布的统计资料，我国风机、泵类总装机容量达到1.6亿kW，年耗电量3200亿kWh，占全国发电量的40%。大部分风机和水泵的高压驱动电机都为恒压恒频控制，
6、如采用变频方式控制高压电机可节约至少20的电能。节能是当前我国由高能耗型的经济增长方式向低能耗型增长方式转变，不断提高经济发展质量的重要途径之一。将多电平逆变技术应用于高压大功率风机和水泵的变频调速具有现实的节能意义。传统的晶闸管交交变频调速和降压普通变频升压的晶闸管变频装置不但结构复杂，而且大多采用SCR和GTO作为开关元件，由于开关频率只有几百Hz，引起电机电流、转矩脉动，动态性能差等问题。与降压普通变频升压的变频装置相比较，采用多电平逆变技术的变频装置可以省去输出变压器，直接输出高电压，系统结构更简洁、效率增加。此外，此类系统网侧谐波较大，对电网污染严重，需要附加电网滤波装置，使系统成本
7、增加。多电平逆变器采用多级直流电压合成阶梯波以逼近正弦波，随电平级数的增加，合成的输出阶梯波级数增加，输出越来越逼近正弦波，谐波含量大大减小。多电平逆变器因其谐波含量小、效率高、输出电压高、功率大，已经成为高压变频调速领域的新宠。1.2 研究现状多电平逆变器的拓扑结构包括二极管嵌位式、电容嵌位式、级联式，针对多电平逆变器拓扑结构的研究已经趋于成熟。多电平逆变器的控制方式是决定其性能的一个重要环节，也是多电平逆变技术的一个重要方面。级联式多电平逆变器的调制方法主要有阶梯波脉宽调制、三角载波PWM、电压空间矢量PWM(SVPWM)等。不同的调制方法各有优缺点，也适用于不同的场合。各种PWM方法中，
8、出于SVPWM以瞬时空间电压矢量为控制量，最适合用于高动态性能的控制方法如矢量控制、直接转矩控制等。因此，基于多电平逆变器的SVPWM方法的研究是一个不可回避的问题。级联式多电平电路输出电压一般为七电平以上，虽然已有简化控制算法提出，但对于实时控制仍然很复杂且难以实现。源于此，本文以多电平逆变器的SVPWM方法为研究课题探索多电平SVPWM的简化方法，以期将多电平SVPWM与电动机的直接转矩控制相结合，实现电机的高性能数字化控制。目前，以德国的西门子、欧洲ABB公司及日本的东芝、三菱及美国的AB公司、ROBICON公司等为代表大型国际企业生产的大功率变频调速装置，均采用数字化控制，应用水平较高
9、。但是产品的价格和服务费用昂贵，难以完全满足的国内市场的需求。国内同类产品的技术尚处于起步阶段，产品还不成熟，性能和可靠性还有待提高。因而研究多电平逆变器的拓扑结构和控制策略，具有理论意义和实用价值。变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等装置很大一部分都需要整流环节，以获得直流电压。由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注并开展了大量研究工作。其主要思路就是将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数，这就是PW
10、M整流器。PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于全控器件的日益成熟和应用，推动了PWM技术的应用与研究。1982年BusseAlfred、oltz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984年ALagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期的设计思想。到20世纪80年代末，随着AWGreen等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到一个新的高度。
11、20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点课题。随着研究的深入，基于PWM整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来。这些应用研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。经过多年的研究和发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既有电压型整流器(Voltage Source Rectifier-VSR)，也有电流型整流器(Current SourceReetifier-CSR)，并且两者在工业上均成
12、功地投入了应用。控制技术是PWM整流器发展的关键。为保证直流侧的电压恒定，控制系统多采用电压外环的PI调节控制。为了使电压型PWM整流器工作时达到单位功率因数，网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。根据有无引人电流反馈可将控制方法分为两大类：不引入交流电流反馈的是由JWDixon和BTOoi首先提出的间接电流控制策略；引入交流电流反馈的目前占主导地位的直接电流控制策略。间接电流控制技术为电流开环控制，如早期采用的相位幅值控制17l，通过PWM方法在整流器桥臂中点输出幅值和相位受控的正弦PWM电压，该电压与电网电压2共同作用，可在整流器交流侧形成所需的正弦基波电流，而谐波
13、电流则由交流电感滤除。间接电流控制由于无需交流电流传感器，因此系统结构简单。但动态响应慢，无限流功能，稳定性很差等缺点影响了它的广泛应用，已经逐渐被直接电流控制取代。直接电流控制由于具有网侧电流闭环控制，使系统动、静态性能得到提高，可以获得较高品质的电流响应，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，增强了控制系统的鲁棒性。当然，直接电流控制的控制结构和算法较间接电流控制复杂。对于直接电流控制系统，可分为滞环电流控制、预测电流控制、同步PI控制、直接功率控制等，其中基于空间矢量的PWM控制最为流行。早期PWM整流器多采用滞环电流控制，近期多采用预测电流控制和同步PI控制等控制算法。滞环电流控制开关
14、频率不同定，不利于器件的选取和控制的实现。预测电流控制保持滞环电流控制响应速度快的特点，实际电流能够在一个开关周期内跟踪上指令电流，而且控制周期和器件开关频率固定，整个控制系统中只有电压环一个Pl调节器，参数整定比较简单。同步PI控制开关频率固定，采用同步坐标系下控制，可实现有功、无功电流解耦控制，有功、无功功率独立调节；采用PI调节器可以实现无静差调节，能够获得较好的动静态特性。矢量控制早在20世纪70年代初被提出，当时以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了把交流电动机等效为直流电动机控制的先河。根据磁场等效的基本原理，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之间
15、可以进行相互转换，这样就可以把对交流量的控制转变成对直流量的控制，使系统得到较好的动静态性能。矢量控制可以分为电压定向控制和虚拟磁链定向控制两种。另外一种是直接功率控制。三相PWM整流器的直接功率控制是一种基于瞬时功率理论的滞环控制方法。它根据有功和无功功率与开关状态的简单对应关系，由整流器的开关状态来估计有功和无功功率。用给定功率和估铡功率进行比较，其误差经过比较器和整流器状态选择器，就可以输出整流器下一次的开关状态，达到了直接功率控制的要求。直接功率控制在本质上是对输入电流进行控制，能够有效改善电流波形的畸变，获得高功率因数；控制系统中没有电流内环控制和PWM调制模块，控制方便，算法简单；
16、由整流器的交流侧电流、直流侧电压和功率器件的开关状态来估算有功、无功功率和电网电压。这种控制算法的缺点是需使用微分项，易引入高频干扰；由于采用滞环控制方式，开关频率不固定，要求快速的微处理器来实现。直接功率控制也可以分为电压定向控制和虚拟磁链定向控制两种。本文并联二重化实验用小功率PWM整流器系统将采用同步PI控制方法。本文逆变器试验台系统将采用三相独立调节电流的预测电流控制算法，可以单独控制各相电流的不平衡运行。第二、五章将详细介绍同步PI控制和新型预测电流控制算法。随着PWM整流器及其控制策略研究的深入。研究人员展开了多角度多层次的研究工作。为了解决PWM整流器在应用中的既有缺点和障碍，一
17、些较为新颖的系统控制策略相继被提出。下面简单的介绍其中的三种。首先，出现了对无电网电压传感器控制及无电网电流传感器控制的研究。为进一步简化电压型PWM整流器的信号检测，T0slli Hiko Noguchi等学者提出了一种无电网电动势传感器的PWM整流器控制策略。随后BHKwon等人也提出了类似的研究报告。无电网电动势传感器控制方式，其主要实现方案可以分为两大类：矢量控制(voc)和直接功率控制(DPC)。他们分别是虚拟电网磁链定向矢量控制(VFOC)和虚拟电网磁链定向直接功率控制。本文将对虚拟电网磁链定向的矢量控制进行控制策略和实验研究。另外，MRiese则通过直流侧电流检测来重构电压型逆变
18、器的交流侧电流，从而为无电网电流传感器的PWM整流器研究奠定了基础。第二种，PWM整流器的时间最优控制。常规的基于dq模型的电压型PWM整流器控制，一般通过前馈解耦控制，并采用两个独立的PI调节器，分别控制相应的有功无功分量。而有功、无功分量间的动态耦合和PWM电压利用率的约束，影响了电压型PWM整流器有功分量的动态响应。针对这一问题，Jong Woo choi等学者利用最优控制理论，提出了确保直流电压响应的时问最优控制。其基本思路就是，根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低相应无功分量的响应速度，从而有效的提高了有功分量的动态响应速度，实现了三相电压型P
19、WM整流器直流电压的时间最优控制。第三种，很多学者专注于电网不平衡条件下的PWM整流器控制策略研究。在三相PWM整流器控制策略研究过程中，一般均假设三相电网是平衡的。而实际上，三相电网常处于不平衡状态，即三相电网电压的幅值、相位不对称。一旦电网不平衡，以三相电网平衡为约束所设计的PWM整流器就会出现不正常的运行状态，主要表现在：PWM整流器直流侧电压和网侧电流的低次谐波幅值增大，且产生非特性谐波，同时消耗相应增大；PWM整流器网侧电流亦不平衡，严重时可使PWM整流器发生故障，甚至烧坏装置。为了使PWM整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，必须提出相应的控制策略。为此，很多学者提出了解决不平衡控
20、制的理论，比如不平衡条件下，网侧电流和直流电压时域表达式、电感电容设计准则、正负序两套同步旋转坐标系独立控制等。这方面控制策略仍有待更进一步的研究。本文的辅电源试验台项目对这方面研究做出了有益的尝试。对于不同功率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的PWM整流器拓扑结构。在小功率应用场合，PWM整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出特性上。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、交流器多重化以及软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM整流器主要应用于高压大容量场合。而对于大电流应用场合，常采用变流器并联多重化。与普通并联不同的是，每个并联的PWM整流器
21、中的PWM信号发生采用相移PWM控制技术，从而以较低的开关频率获得了等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同时，有效地提高了PWM整流器的电流、电压波形品质。1.3 电力电子技术1.3.1电力电子技术概述 以电力电子为对象的电子技术，他是一门利用各种电子器件，对电能进行压、电流、频率和波形等方面的控制和变换的学科。电力电子技术它包括电力电子器件、控制和电路3个部分，是横跨电子、电力、电路和控制电气工程技术之间的交叉学科，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。 半导体电子技术发展至今已经形成两大技术领域，即以集成电路为核心的微电子技术和以功率半导体器件（亦称为电力电子器件）为核心的电力电子技术
22、。前者主要用于信息处理，向小功率发展；后者主要用于对电力的处理，向大功率多功能发展。1.3.2 电力电子技术的发展 （1）电力电子器件的发展。由于电力电子器件具有体积小、容量大、重量轻、寿命长、损耗小、节能、性能好等优点。近半个世纪以来，各种新的电力电子器件不断涌现，应用范围已经从传统的工业、交通、电力等部门，扩展到信息通信、家用电器以及宇宙开发等领域。 电力电子器件的发展可分为两个阶段： （1）传统电力电子器件。主要是功率整流管与晶闸管，属于不控与半控器件。自1957年生产第一支晶闸管以来，现已由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管和不对称晶闸管以来，现已由普通晶闸管衍生出快速
23、晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、和不对称晶闸管等多种晶闸管，器件的电流、电压技术参数均有很大的提高，单支普通晶闸管的容量已达6000A、8000V此类器件通过门极只能控制开通而不能控制关断，另外其立足于分立元件结构，工作频率难以提高，因而大大限制了其应用范围。但是晶闸管的价格相对低廉，在大电流、高电压的发展空间依然较大，目前以晶闸管为核心的设备仍然在许多场合使用。 （2）现代电力电子器件。20世纪80年代以来，将微电子技术与电子技术相结合，研制出新一代高额、全控器件称为现代电力电子器件。主要有功率晶闸管、可关断晶闸管、MOS门极晶闸管、绝缘栅双极晶体管功率场效应管、可关断晶闸管等。其中最有发展
24、前途的是绝缘栅晶体管和MOS门晶体管，两者均为场复合控制器件，工作的频率可达20KHZ。 器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。电力电子器件的发展方向主要表现在以下六个方面。 （1）高频化。采用新材料、新工艺，在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速度，使装置运行在更高的频率。 （2）大容量化，应用微电子工艺，使单个器件的电压、电流容量进一步提高，以满足大电流的需要。 （3）模块化。采用制造新工艺将几个器件封装在一起以缩小体积与连线。 （4）易驱动。由电流驱动发展为由电压驱动，大力发展MOS结构的复合器件，因此可以研制专用的集成驱
25、动模块，以便更适合中小功率的控制。 （5）功率集成化。充分应用集成电路工艺发展称为功率集成电路PIC，实现集成电路功率化。 （6）降低导通压降。研制出比肖特基二极管压降还低的器件以提高变频电流，节省能源。1.3.3电力电子技术的应用 电力电子技术广泛应用于交通、工业、IT、通信、民用电器、国防、新能源发电等领域。具体应用主要有直流可调电源、电解、加热、照明控制与节能照明、充电、不间断电源、电磁合闸、电焊接、点击励磁、电网无功与谐波补偿。全球600亿美元的电力电子产品市场已经形成，支撑5700亿美元的电力电子硬件产品。1.4 SVPWM控制方法简介 SVPWM的主要思想是:以三相对称正弦波电压供
26、电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的spwm方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而svpwm方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。电机理想的供电电压为三相对称正弦波，设线电压vdc，相电压表示式如下: （11） （12） （13）根据合成电压矢量公式: （14）由上面的式子可得 （15）从(5)式可以看出，合成电压矢量是一个随时间变化、幅值一定的圆形磁场，而磁场是电压的积分，因此产生的磁场也是一个圆形的旋转磁场，图1为
27、逆变器简化的拓扑图，定义三个开关函数sa，sb，sc，用1代表1个桥臂的上桥臂导通，用0代表1个桥臂的下桥臂导通。则对于180导通型逆变器来说，三相桥臂的开关有8个导通状态，包括6个非零矢量和2个零矢量。图1-1 交流电机控制逆变桥结构图图1-2 电压矢量图由(1-5)式可得8种电压矢量v4(100)、v5(101)、v1(001)、v3(011)、v2(010)、v6(110)、v0(000)和v7(111)分别对应的值为括号中的二进制数，表示三相a、b、c的状态，vk中下标k07是十进制数，表示括号中二进制数值。如图1-2所示，这八种电压矢量，除了v0、v7幅值为0外，其它电压矢量幅值均为
28、vdc。合理的选择6个非零矢量的施加次序和作用时间，可使磁链空间矢量矢端顺时针或逆时针旋转形成一定的磁链轨迹。选择的方式不同，形成的磁链轨迹形状也不一样。这就是磁链轨迹的形成原理。在图2中，逆变器的一个工作周期被6个有效的电压空间矢量划分为6个扇区。在每一个扇区内，都可采用临近的两个非零矢量来合成处在此扇区的电压矢量。以图2中的电压矢量vr为例来说明其过程。用电压矢量v6、v4、v0来合成vr，并按照伏秒平衡的原则得 （16）tn为对应电压矢量vn的作用时间(n0，4，6)，结合式(5)可得: （17）令上式等号两边的实部、虚部相等，可以得到下面的等式: （18） （19） （110）则由电压
29、矢量v6、v4、v0和上面求出的作用时间相结合，可以控制电压矢量，形成多边形的电压矢量轨迹，从而获得更加接近圆形的旋转磁通。各电压矢量的作用次序要遵守以下原则:任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂开关动作，即在二进制矢量中每次只有一位变化，因为如果允许有两个或三个桥臂动作，则在线电压的半周期内会出现反极性的电压脉冲，产生反向转矩，引起转矩脉动和电磁噪声。由此可以得出，随着合成电压矢量vr的幅值增加，t4和t6的值不断增加，t0逐渐减少，但t0必须大于零，将此条件代入t0表达式，得到下面的条件 （111）在实际中，此式对任何均成立，即有。可见，当输出电压达到上限值时，其输出线电压基波峰值可达vd
30、c。svpwm的调制相电压波，相当于在原正弦波中注入了三角形三次谐波，当正弦调制波幅值为1时，形成svpwm调制相电压幅值为，svpwm调制方法比传统的规则采样spwm提高了15.4的电压利用率，能明显减少逆变器输出电流的谐波成分以及电机的谐波损耗，降低转矩脉动。1.5 本文的研究内容本文从SVPWM算法的基本定义和产生原理入手对其进行了的研究，并对算法进行了仿真。SVPWM 算法实现容易，电压利用率比传统的 SPWM控制方法提高15左右，而且SVPWM 比较适合于数字化控制系统 ，为以微控制器为核心的数字化控制系统提供了优良的选择方案 ，值得推广。该课题的主要工作包括： 1）常见的PWM技术
31、综述；2）电压型变流器的形式特点以及SVPWM原理和实现；3）电流型变流器的形式特点以及SVPWM原理和实现；4）仿真验证。2.常用PWM技术2.1PWM技术概述 脉冲宽度调制（PWM），是“PULSE WIDTH MODULATION”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应的载荷的变化来调制晶体管栅极或者基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管画着晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模
32、拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术的主要发展方向之一。 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转
33、向PWM可以极大的延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。 从最初的采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。 由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及
34、至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电
35、机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效
36、果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流
37、供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线
38、性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法。2.2 相电压控制PWM 2.2.1 等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲
39、的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。2.2.2 随机PWM 在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注.为求得改善,随机PWM方法应运而生.其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此,
40、即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路。2.2.3 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所
41、希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案。2.2.3.1 等面积法 该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。2.2.3.2 硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺
42、点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波。但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。2.2.3.3 软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法。2.2
43、.3.3.1 自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。2.2.3.3.2 规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采
44、样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。以上两种方法均只适用于同步调制方式中。2.2.3.4 低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(t)=ansinnt,首先确
45、定基波分量a1的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波。 该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中。2.2.4 梯形波与三角波比较法前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法-梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关
46、器件的通断实现PWM控制。由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波。2.3 线电压控制PWM 前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电压分别进行控制的,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载,逆变器输出不必追求相电压接近正弦,而可着眼于使线电压趋于正弦。因此,提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法。2.3.1 马鞍形波与三角波比较法 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM),
47、其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。除了可以注入三次谐波以外,还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形,这些信号都不会影响线电压.这是因为,经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波,但在合成线电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵消,从而使线电压仍为正弦波。2.3.2 单元脉宽调制法因为,三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关
48、系,所以,某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间,每区间60,对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边60区间用Uuv本身表示,中间60区间用-(Uvw+Uwu)表示,当将Uvw和Uwu作同样处理时,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60区间的两种波形形状,并且有正有负.把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号,载波仍用三角波,并把各区间的曲线用直线近似(实践表明,这样做引起的误差不大,完全可行),就可以得到线电压的脉冲波形,该波形是完全对称,且规律性很强,负半周是正半周相应脉冲列的反相,因此,只要半个周期两边60区间的脉冲列一经确定,线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于已知三相线电压的脉冲工作模式,就可以确定