常用电压调制方法

常用电压调制方法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，其效果基本相同。电压调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幅值和宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。根据调制原理的不同，分为脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）。2．4．1脉幅调制和脉宽调制2．4．1．1脉幅调制图2-5脉幅调制波形图根据上文对变频器电路的介绍可知，逆变器输出的交流电压的幅值等于直流母线电压值。因此，实现变频又变压（VVVF）最直接的方法是：在调节电源频率的同时，也调节直流母线电压。这种方法称为脉幅调制（PulseAmplitudeModulation，PAM）。设xf为调制后的频率；xT为调制后的周期；DxU为调制后的直流母线电压，则调制前后逆变器输出波形对比如图2-5所示。因为需要调节直流母线电压和输出频率，PAM需要同时调节整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足uK和tK之间的一定关系，故其控制电路比较复杂。2．4．1．2脉宽调制脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）把每半个周期内输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲波的宽度为1t，每两个脉冲间的间隔宽度为2t，则脉冲的占空比为：2t1t1t(2-10)这时，电压平均值和占空比大小成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。图2-6是PWM调制前后波形对比图。可看到，调制后电压的周期增大了（频率下降），电压脉冲的幅值不变，而占空比变小了，故平均电压降低。与PAM相比，PWM只需要控制逆变电路就可以，控制电路简单了许多。图2-6脉宽调制波形图现今，PWM控制技术大致可以分为3类，正弦PWM(包括以电压、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，包括常用的正弦波脉宽调制（SPWM）、正弦波空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）等，其目标在于改善输出电压、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；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、转矩脉动最小以及其它特定优化目标。2．4．2正弦波空间矢量脉冲宽度调制SVPWM电压空间矢量控制，以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基础，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能，故SVPWM也称磁通正弦PWM。SVPWM将逆变器和电动机看作一个整体，以使电动机获得幅值恒定的圆形磁场（即正弦磁通）为目的，用8个基本电压矢量合成期望的电压矢量来确定逆变器功率器件的开关状态，并依据电机磁链和电压的关系，实现对电动机恒磁通变压变频的调速控制。根据电工学原理，正弦量可以用复数形式表示，即在复平面上用一个旋转向量在虚轴上的投影来表示，也可以用极坐标的形式来表示。空间矢量和极坐标类似，都是通过幅值和相角表示。但是应当注意的是空间矢量不是极坐标系，极坐标表示了随时间变化的单一正弦曲线，而空间矢量表示了3个在空间中独立存在的随时间变化的量。如果3个量的和为0120，那么这3个量就可以表示为一个空间矢量。由于三相相电压和为0，可以通过下面的公式将3个量转化为1个空间矢量sV。由式(2-11)可以看出，空间矢量由3个方向的量（0，32，34）构成，3个变量相差120˚，是具有相同振幅和频率的正弦曲线，在这种情况下，空间矢量在任何时间内保持幅值不变，随着时间的增加，空间矢量的相角也开始增加，因而矢量将以和正弦曲线相同的频率旋转。对于图2-7所示的三相电压型逆变器而言，电机的相电压依赖于它所对应的逆变器桥臂上下功率开关的状态。三相桥式电压型逆变器共有8=23种开关状态，为了表示方便对开关状态作如下定义：设某种状态为Sa,Sb,Sc,表示从前至后A，B，C相桥臂开关状态。此外，对于每一相桥臂，其上下两个功率管是互补关系，上桥臂导通用“1”表示，下桥臂导通用“0”表示。可以推导出8种开关状态下的电压矢量为上述分析表明：三相电压型逆变器空间电压矢量共有8条，除2条零矢量外，其余6条非零矢量对称均匀分布在复平面上。对于任一给定的空间电压矢量Vx，均可由8条空间矢量合成。相应的电压空间矢量如图2-8所示，8种开关状态下的各种电压值分别列于表2-1中。表2-18种开关状态下对应的各种电压假设参考向量Vsre在电压向量空间以角速度ω匀速旋转。如图2-9，当Vsre在向量空间区间Ⅰ时，其等效开关时间由平均值等效原理（即：使向量V4,V6线性组合并恰好等于理想电压向量在此区间中点的值）得：T为系统PWM周期，T1为V4作用时间，T2为V6作用时间，T0为V0、V7作用时间和。由图2-9可以得出：同样可以计算出Vsref在其它扇区内空间矢量作用的时间实际上，由于开关频率和矢量组合的限制，合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆轨迹，PWM开关频率越高，多边形准圆轨迹就越接近圆。图2-10是双闭环电压空间矢量脉冲宽度调制算法原理框图，图中展示了SVPWM中的各个环节及各控制量的传输路径。