【技术分享】详解变频器中的空间矢量SVPWM控制技术

昨天我们聊了 PWM 逆变电路中的谐波以及如何提高电压利用率和减少开关次数，今天我们继续来聊 PWM 中的空间矢量控制以及跟踪控制技术

空间矢量 SVPWM 控制

空间矢量 SVPWM 控制技术广泛运用于变频器中，驱动交流电机时，使电机的磁链成为圆形的旋转磁场，从而使电机产生恒定的电磁转矩。

三相电压型桥式逆变电路

采用 180°导通方式，共有 8 种工作状态，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”表示每相上桥臂开关导通，用“0”表示下桥臂开关导通，则上述 8 种工作状态可依次表示为 100、110、010、011、001、101 以及 111 和 000。前 6 种状态有输出电压，属有效工作状态，而后两种全部是上管通或下管通，没有输出电压，称之为零工作状态，故对于这种基本的逆变器，称之为 6 拍逆变器。

对于 6 拍逆变器，在每个工作周期中，6 种有效工作状态各出现一次，每一种状态持续 60°，在一个周期中 6 个电压矢量共转过 360°，形成一个封闭的正六边形

电压空间矢量六边形

对于 111 和 000 这两个“零工作状态”，在这里表现为位于原点的零矢量，坐落在正六边形的中心点。采用 PWM 控制，就可以使交流电机的磁通尽量接近圆形，工作频率越高，磁通就越接近圆形，需要的电压矢量不是 6 个基本电压矢量时，可以用两个基本矢量和零矢量的组合来实现。

空间电压矢量的线形组合

所要的矢量为 us，用基本矢量 u1 和 u2 的线形组合来实现，u1 和 u2 的作用时间一般小于开关周期 To 的 60°，不足的时间可用“零矢量”补齐。

扇区Ⅰ内三相 PWM 调制方式

PWM 逆变电路的多重化

多重化目的是为了提高等效开关频率，减少开关损耗，减少和载波有关的谐波分量。PWM 逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式。

电抗器联接的二重 PWM 逆变电路

电路的输出从电抗器中心抽头处引出，两个单元逆变电路的载波信号相互错开 180°，输出端相对于直流电源中点 N'的电压 uUN'=(uU1N'+uU2N')/2，已变为单极性 PWM 波了，输出线电压共有 0、(±1/2)Ud、±Ud 五个电平，比非多重化时谐波有所减少。所加电压的频率越高，电抗器所需的电感量就越小。

二重 PWM 型逆变电路输出波形

二重化后，输出电压中所含谐波的角频率仍可表示为 nωc +kωr，但其中当 n 为奇数时的谐波已全部被除去，谐波的最低频率在 2ωc 附近，相当于电路的等效载波频率提高了一倍。

PWM 跟踪控制技术

跟踪控制方法：把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。

滞环比较方式

此种方式电流跟踪控制应用的较多。

①PWM 电流跟踪控制单相半桥式逆变电路

把指令电流 i*和实际输出电流 i 的偏差 i*-i 作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输出来控制功率器件 V1 和 V2 的通断。

滞环比较方式的指令电流和输出电流

当 V1(或 VD1)导通时，i 增大；当 V2(或 VD2)导通时，i 减小。通过环宽为 2ΔI 的滞环比较器的控制，i 就在 i*+ΔI 和 i*-ΔI 的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流 i*。环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L 大时，i 的变化率小，跟踪慢；L 小时，i 的变化率大，开关频率过高。

②三相电流跟踪型 PWM 逆变电路

由三个单相半桥电路组成，三相电流指令信号 i*U 、i*V 和 i*W 依次相差 120°。在线电压的正半周和负半周内，都有极性相反的脉冲输出，这将使输出电压中的谐波分量增大，也使负载的谐波损耗增加。

采用滞环比较方式的电流跟踪型 PWM 变流电路有如下特点:

⑴硬件电路简单；

⑵实时控制，电流响应快。

⑶不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。

⑷和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。

⑸属于闭环控制，是各种跟踪型 PWM 变流电路的共同特点。

电压跟踪控制：

把指令电压 u*和输出电压 u 进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。输出电压 PWM 波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。

u*=0 时，输出电压 u 为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。u*为直流信号时，u 产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。u*为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从 u 中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和 u* 相同，从而实现电压跟踪控制。

三角波比较方式

三角波比较方式电流跟踪型逆变电路

把指令电流 i*U、i*V 和 i*W 和逆变电路实际输出的电流 iU、iV、iW 进行比较，求出偏差电流，通过放大器 A(放大器 A 通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响着逆变电路的电流跟踪特性)放大后，再去和三角波进行比较，产生 PWM 波形。

特点：

⑴开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。

⑵为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。

⑶和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。

定时比较方式

这种方式不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。以固定的采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，并根据二者偏差的极性来控制变流电路开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。

我们以单相半桥逆变电路为例，在时钟信号到来的采样时刻

如 i<i*，V1 导通，V2 关断，使 i 增大；

如 i>i*，V1 关断，V2 导通，使 i 减小。