变频调速系统三种CPWM调制策略的比较

变频调速系统三种CPWM调制策略的比较李红梅，李忠杰，张学（合肥工业大学电气工程系，安徽合肥230009）摘要：建立了考虑主磁路饱和时异步电动机在三种连续PWM（CPWM）调制策略（SPWM、SVPWM、THIPWM）运行下的变频调速系统非线性数学模型，对系统在不同CPWM调制策略下的稳态性能进行比较。较之SPWM调制策略，SVPWM、THIPWM调制策略不仅提高了馈电给逆变器的直流电压利用率，而且减小了转矩脉动。关键词：逆变器－异步电动机；CPWM调制策略；数学模型；逆变器直流电压；转矩脉动1引言随着微电子技术、计算机控制技术以及电力电子技术的发展，连续脉宽调制策略SPWM已广泛应用于交流变频调速系统中，但是SPWM法不能充分利用馈电给逆变器的直流电压；SPWM逆变器是基于调节脉冲宽度和间隔来实现接近于正弦波的输出电流，但是这种调节仍产生某些高次谐波分量，引起电机发热、转矩脉动甚至造成系统振荡。为提高馈电给逆变器的直流电压利用率、减少转矩脉动，一些学者又先后提出了连续脉宽调制策略SVPWM和THIPWM［1，2］，本文建立了考虑主磁路饱和时异步电动机在三种CPWM调制策略（SPWM、SVPWM、THIPWM）运行下的变频调速系统非线性数学模型，对系统在不同CPWM调制策略下的稳态性能进行比较。2CPWM逆变器模型系统使用的电压型逆变器原理图如图1所示，设PWM逆变器a相开关函数为S1（ωt）（图1中的Sω1和Sω4所在支路），b相开关函数为S3（ωt）（Sω3和Sω6所在支路），c相开关函数为S5（ωt）（Sω5和Sω2所在支路）。SPWM调制相电压是一组三相对称正弦电压。电压空间矢量源于交流调速中磁通为圆的思想，它具有直流电压利用率高、数字化实现方便、物理概念清晰等特点，一经提出即受到关注，SVPWM目前已经得到应用，其具体实现可按相电压合成，SVPWM调制波相电压及其构成波形如图2所示。该波形相当于在SPWM方式下正弦调制波中注入三角形3次谐波，三角形3次谐波可由各项正弦波减去三相正弦波正负包络线的中点而形成［3］。减少逆变器输入电压脉动的THIPWM调制波是在正弦调制波上叠加3次谐波的，其调制波相电压及其构成波形如图3所示。令三角载波电压为Ut，CPWM逆变器调制相电压为Ua、Ub、Uc，开关函数S1（ωt）、S3（ωt）、S5（ωt）表达式如下：3CPWM逆变器—异步电动机数学模型将Im分解为q及d轴分量，经推导可得异步电机考虑主磁路饱和后，在静止坐标系中的电压矩阵方程为［4］：式中，R、Lσ、ω分别表示电机电阻、漏电感及转子角速度，下标s、r分别表示定、转子的量，λm是激磁磁链，P＝d／dt。选取电流、磁链及转子角速度为状态变量，考虑主磁路饱和异步电机数学模型为：式中，NP、Te、J、Tl分别表示电动机极对数、电磁转矩、电机及负载转动惯量、负载转矩，电压矩阵［V］的表达式如下：联立上述两式即是CPWM逆变器控制异步电机变频调速系统非线性数学模型。4仿真比较研究样机是11kW、4极鼠笼异步电动机。电机有关常数：Rs＝0．2687Ω，Rr＝0．2294Ω（50Hz），Lsσ＝1．7316×10－3H，Lrσ＝3．059×10－3H，J＝0．125kg·m2，逆变器输出线电压Ul的实验点和拟合直线见图4。逆变器输入电压UD＝513V，载波频率fc＝900Hz，系统在50Hz空载起动达到稳态后的相电流、电磁转矩波形见图5、图6。比较两图可知SVPWM、THIPWM调制策略较之SPWM调制策略，不仅电流谐波减少，而且谐波转矩亦减少，尤其是THIPWM调制策略，明显地抑制系统的转矩脉动。比较图2、图3，当正弦调制波的幅值为1时，形成的SVPWM调制相电压波幅值为THIPWM调制相电压波幅值为0．8911。因此，当SVPWM模式达到其最大调制系数MD＝1时，此时的SPWM模式调制系数为可见SVPWM模式较SPWM模式对逆变器直流电压的利用率提高15．47％。同理，当THIPWM模式达到其最大调制系数MD＝1时，此时的SPWM模式调制系数为，THIPWM模式较SPWM模式对逆变器直流电压的利用率提高12．22％。SPWM、SVPWM、THIPWM不是孤立的调制方式，它们之间有着内在联系，SVPWM是在SPWM调制波中加入三角形零序分量后进行采样得到的结果，SPWM易于硬件电路实现，而SVPWM更适合于数字化控制系统；THIPWM是在SPWM调制波中注入3次谐波而形成，明显地抑制系统的转矩脉动，但是存在正弦调制波与注入的3次谐波如何同步的问题［5］。以微控制器为核心的数字化控制系统是发展趋势，所以SVPWM应是优先的选择。5结论（1）建立了考虑主磁路饱和时异步电动机在三种CPWM调制策略（SPWM、SVPWM、THIPWM）运行下的变频调速系统非线性数学模型，对系统在不同CPWM调制策略下的稳态性能进行比较。（2）较之SPWM调制策略，SVPWM调制策略对系统中的逆变器直流电压的利用率提高15．47％，THIPWM调制策略对系统中的逆变器直流电压的利用率提高12．22％。（3）较之SPWM调制策略，SVPWM、THIPWM调制策略均减少谐波转矩，因而降低转矩脉动，THIPWM调制策略降低转矩脉动效果最佳。（4）THIPWM是在SPWM调制波中注入3次谐波而形成，虽然明显地抑制系统的转矩脉动，但是存在正弦调制波与注入的3次谐波如何同步的问题，所以SVPWM应是优先的选择。参考文献［1］AhmetM．Have．AHigh－performanceGeneralizedDiscontinuousPWMAlgorithm［J］．IEEETrans．OnInd．Appl．，1998（5）：1059－1071．［2］PerkikArgo．AnalysisandMinimizationofRippleComponentsofInputCurrentandVoltageofPWMInverters［J］．IEEETrans．OnInd．Appl．，1996（4）：945－950．［3］李红梅，李忠杰，杜世俊．SVPWM逆变器供电异步电机动态性能仿真．电机与控制学报［J］．2001（3）．［4］李红梅．李忠杰．逆变器供电下异步电动机低频振荡现象的研究［J］．电工技术学报，2000，15（3）：16－19．［5］熊健．电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究［J］．电力电子技术，1999（1）：25－28．