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
 
01
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

 

 
02
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。
 
03
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。
 
每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小,采用定时比较方式时,器件的最高开关频率为时钟频率的 1/2。和滞环比较方式相比,电流控制误差没有一定的环宽,控制的精度低一些。
 
关于 PWM 技术,我们就先聊这么多。每一个细节展开之后都会很多,有机会的话大家可以在实践中慢慢深入理解。