（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的空间矢量逆变器的研究.pdf

摘要 逆变器在当前社会具有很广泛的应用，随着微型计算机技术的不断发展， 数字控制在逆变器控制中的应用也曰益凸现。由于d s p 的高速数据处理能力， 采取d s p 作为逆变器的控制核心，可以用软件实现变换器的整体控制，具有 实现装置模块化、集成化、控制可靠等优点。 本文的研究对像是采用具有谐振直流环的三相逆变器的拓扑结构，其控制 系统包含p w m 逆变器和谐振直流环的两部分，将软开关技术融入到逆变器中 的设计中，使逆变器的开关频率提高了一个数量级，在逆变器的控制算法上采 用的是空间矢量调制，在传统的控制算法的基础上提出了一种改进型的控制策 略。这种控制策略减少了逆变桥的开关状态转换次数，同时提高了开关频率， 使得系统可以实时的完成s v p w m 的控制算法，且速度快、精度高、可以有效 的减小输出谐波。 本文对s v p w m 原理和谐振直流环作了详细的分析，并对系统主电路进行 了设计，完成了控制电路硬件设计和软件设计，并给出了实验结论。 关键词：逆变器，空间矢量，d s p ，谐振直流环 a bs t r a c t 卿 t h ei n v e r t e ri su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y4 e - s e c i e t y , w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，d i g i t a lc o n t r o li s p o p u l a ri n i n v e r t e rc o n t r 0 1 b e c a u s eo fi t sh i g ii 一一一_ h h s p _ e e d _ ”d i g i t a l 面p r o c e s s a b 一l i 。t ：y 。0 。d ，s p a st h ec o r eo fn v e r t e r c o n t r o lh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sm o d u l a r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n ，h i g hr e l i a n c e t h et o p o l o g yo ft h r e e p h a s ei n v e r t e rw i t hr e s o n a n td cl i n ki si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h ec o n t r o is y s t e mc o n t a i n st w op a r t s 。p w mi n v e r t e ra n dr e s o n a n td c l i n k s o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g yi sa l s ou s e di nt h ei n v e r t e rd e s i g n i nt h i sw a yt h e f r e q u e n c yo ft h ei n v e r t e ri n c r e a s e st e nt i m e s s p a c ev e c t o rc o n t r o li su s e di n c o n t r o lt h e o r y ，a n dt h i sk i n do fc o n t r 0 1i sa n i m p r o v i n gm e t h o db a s e do nt h e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d a l s ot h i sc o n t r o lm e t h o dc a nr e d u c et h et i m e so f s w i t c hi ni n v e r s eb r i d g e ，h e i g h t e nt h ef r e q u e n c yo ft h es w i t c h ，l e ts y s t e mf i n i s h t h es v p w mc o n t r o la r i t h m e t i cr e a l t i m e l 巧h a sh i g hp r e c i s i o n d e c r e a s et h eo u t p u th a r m o n i c t h es v p w mt h e o r ya n dr e s o n a n td cl i n ka r ea n a l y z e d p a p e r t h es y s t e mm a i nc i r c u i ti sd e s i g n e d ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e d e s i g n e da n da tl a s tt h er e s p o n d i n gr e s u l t sa r ec o n c l u d e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：i n v e r t e r ，s p a c ev e c t o r ，d s p ，r e s o n a n td cl i n k a n d t h i s a l s o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：傅钰斌 签字日期： 岬年 f 月l r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学有关保留、使用学位 论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：傅乾试 导师签名 签字日期： 吖年f 月l r 日 辑啪卅 缈 。 第一章绪论 1 1 电力电子技术发展前景 第一章绪论 电力电子学( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是应用于电力技术领域中的电子学，在工程应 用中称为电力电子技术( p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n i q u e ) 。它是以利用大功率电子器件 对电能进行变换和控制为研究内容，是一门与电子、控制和电力紧密相关的边缘 学科。它在电能的产生和使用之间建立了一种关系，在这种关系下，电能的产生、 输送和使用都有很高的效率，而且各种不同的负载都能得到其所期望的最佳能量 供应形式和最佳的控制。因此，电力电子技术不仅大量用于传统电力系统中的交 直流输变电装置，更广泛应用于工业生产各个领域中各种电机的交直流调速，材 料加工领域中各种加热电源( 如中高频感应加热电源、焊接电源等) 的能量输出控 制等。随着制造技术的发展，以电压驱动的各种全控型高频大功率器件及其功率 模块相继出现，这为制造各种小巧轻便、性能稳定的高效率和高品质高频开关电 源提供了条件，这类电源目前广泛用于各种通讯设备、计算机乃至各类家电产品。 二十一世纪将是电力电子技术发展的新世纪，此项技术在同趋走向成熟，具 体体现在以下几个方面： l 、高频化 理论分析和实践经验表明，电气产品的体积重量随其供电频率的平方根成反 比的减小，所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 0 k h z ，提高4 0 0 0 倍的话， 用电设备的体积重量大体下降至工频设计的1 5 一3 。这正是电力电子新技术 得以实现功率变频而带来明显效益的根本原因。逆变或整流焊机也好，通讯电源 用的开关式整流器也好，都是基于这一原理。那么，依同样原理对传统“整流行 业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源类整机加以类似地改 造，使之更新换代，其主要材料可以节约9 0 或更多，还可以节电3 0 以上。 由于开关器件工作频率上限的逐步提高，促使许多传统的中、高频设备小型化， 带来显著节能、节材的经济效益，更可体现出技术的价值。 2 、模块化 我们常见的模块，含有一单元，两单元，六单元，包括开关器件和与之反并 联的续流二极管，实质上都属于“标准功率模块( s p m ) 。近年，有些公司把开 关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成“智能化”功率模块( i p m ) ，这样 缩小了整机的体积，方便了整机设计和制造。为了提高系统的可靠性，有些制造 商开发了“用户专用”功率模块( a s p m ) ，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片 的形式封装到一个模块中，使元器件问不再有传统的引线连接，这样的模块经过 严格合理地热学、电学、机械方面的设计，达到优化完善的境地。类似于微处理 器芯片，再把整个模块固定在相应型材的散热器上，就构成仪态新型的电源装置。 第一章绪论 由此可见，模块化的目的不仅在于是使用方便，缩小整机体积，更重要的取消传 统连线，减少寄生参数，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠 性。这种用户模块可以按实际需要进行二次设计，有很大的灵活性，实际上也是 功率( 厚膜) 集成的延伸。 3 、数字化 在传统电力电子技术中，控制部分是按模拟方式来设计和工作的。在二十世 纪六、七十年代，电力电子技术完全建立在模拟电路基础上。但是现在数字化电 路显得越来越重要，数字信号处理技术( d s p ) 逐渐完善成熟，显示出越来越多的 优点：便于计算机处理和控制，避免模拟信号的传递畸变失真，减少杂散信号的 干扰( 提高抗干扰能力) ，便于软件包调试，便于遥感、遥测、遥调，也便于自诊 断、容错等技术的植入，电力电子领域以前难以实现的一些难题将会迎刃而解。 4 、绿色化 “绿色化 来源于“无污染”：绿色照明、绿色电器有两层含义：首先是显 著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节 电就可以减少对环境的污染；另外，这些电器还应满足不对( 或少对) 电网产生污 染，电工委员会( i e c ) 对此制定了一系列标准，如i e c 5 5 5 ，i e c 9 1 7 ，i e c l 0 0 0 等。 事实上，许多电器设备，往往是电网的污染源，向电网注入严重的高次谐波电流， 使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变，因此 必须对此加以治理。二十世纪以来，各种有源滤波器和有源补偿器的方案不断诞 生，有了多种校正功率因数的方法。这些为本世纪批量生产各种绿色电力电子新 产品奠定了基础【1 心l j j 。 1 2 逆变器技术和发展前景 在我们周围，正在越来越多的使用各种用电设备，它们或者直接由5 0 h z 交 流电供电，或者由交流电变换的各种不同电压的直流供电，或者由交流电变换成 直流电再变成各种不同电压、频率的交流电。据统计在发达国家，电能已有4 0 经过各种变换处理，节能效果达到1 5 _ 4 0 ，而到2 0 1 0 年，将有8 0 的电能需 要经过电力电子技术的变换器处理再应用。这其中就包括将直流电转换为交流电 的逆变技术。因此逆变技术在节约电能方面占有重要的位置。 近年来，逆变器在高压大功率场合的应用受到越来越多的关注，各种电路 拓扑结构及控制方法纷纷被提出和研究。其拓扑结构种类较多，大致可以分为： 二极管箝位型、飞跃电容型和独立直流电源级联多电平三种拓扑结构，其中二极 管筘位型多电平拓扑结构运用最广泛它能有效地提高换流系统的耐压、降低输 出电压谐波和开关损耗，在电力系统的大功率应用中受到普遍的重视。 以前为了改善系统的控制性能，通过模拟、数字( a d ) 转换器，将微处理器 与系统相连，在微处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调 制口( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 发出开关控制信号。微处理器还能将采集的 2 第一章绪论 功率变换装置工作数据，显示或传送至计算机保存。一些控制中所用到的参考值 可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。微处理器的使用在很 大程度上提高了电路系统的性能，但由于微处理器运算速度的限制，在许多情况 下，这利，微处理器辅助的电路控制系统仍旧要用到运算放大器等模拟控制元件。 近年来随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 技术的发展，使逆变电源的全数字控制成为现实。d s p 能 够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出p w m 输出值，使得一些先进的 控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的 谐波进行动态补偿，将输出谐波达到可以接受的水平。 在控制策略方面，传统的三相逆变器采用以三角载波与j 下弦调制波进行比较 得到的脉宽作为控制信号，适合于模拟电路实现，其最大的不足是直流电压利用 率低。由此文提出的电压空问矢量调制策略，这种控制方式源于电机的矢量控制， 和电机调速一样，只限于三相交流电情况，其主要控制思想是通过一组开关矢量 来拟合电压参考矢量，保证稳念时参考矢量的幅值大小，进而达到调压的目的。 这种控制方式具有控制灵活、动态性能好、直流利用率高、开关损耗小、谐波幅 值低、便于数字控制实现等优点，凼而成为现在逆变电源控制技术的研究热点之 一【4 儿5 】o 在实现手段方面，随着数字信号处理( d s p ) 技术的成熟和普遍应用，其特殊 的硬件结构设计和超强的数据运算能力，使得d s p 能用软件实现以前需要硬件 才能实现的功能，也同样使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。 1 3 微处理器控制技术和发展前景 适用于电机系统控制的控制器有单片机和数字信号处理器两种。一般来说， 单片机片内集成较多的i o 接口，但运算速度较慢：d s p 是面向快速信号处理的， 运算速度也比同一时期内的单片机要快l 到2 个数量级，但是i o 接口和外围部 件较少，价格也相对昂贵。为了满足需要，单片机和数字信号处理器正沿着扩大 集成度、增加位数、提高数据处理能力、扩展功能、降低成本的方向发展。电机 驱动控制微处理器的发展可分为三个阶段： 第一阶段为具有单一数据处理功能的微处理器。在这个阶段中最早为i n t e l 公司的8 位微处理芯片8 0 8 0 ，以后又推出了i n t e l 8 0 8 5 和i n t e l 8 0 8 6 等。在这个时 期，微处理器存在处理速度慢、硬件配置不全的缺点，致使系统数字化程度有限、 控制精度不高。 第二阶段主要是采用单片机阶段。典型的代表是i n t e l 公司于1 9 7 6 年推出 的8 0 4 8 单片机，以后又推出了m c s 5 1 系列单片机，其集成度越来越高，配置 也十分齐全。1 9 9 1 年i n t e l 公司又推出了8 0 c 1 9 6 m c 单片机，同以往的器件相比， 它具有与位置信号相接口的端口和适合电机控制的p w m 输出，可以方便地进行 实时控制。但现有的单片机在实现高性能全数字控制和一些需要比较大的运算的 第一章绪论 控制策略方面显示比较困难，主要原因是单片机的处理速度满足不了系统对电流 控制提出的快速性要求。目前采用1 6 位单片机控制的电机调速系统多采用数字 和模拟混合控制方式，即位置环、速度坏的控制及其旋转坐标变换等山濉片机实 现，电流环的控制一般由模拟电路完成。 第三阶段是九十年代出现的数字信号处理器d s p 。d s p 的最大特点是运算 速度快，它比目| j 的1 6 3 2 位微处理器和单片机的运算速度还要快一个数量级。 因此，具有很强运算能力的d s p 能够满足电流环实时控制的要求。当采用d s p 构成全数字电机控制系统时，其控制功能可以由软件实现，故有利于提高系统的 可靠性，降低系统的成本，并且可以采用先进的控制策略，获得更高的控制性能， 同时可完成数据存储、故障诊断等功能，使系统智能化。典型的器件有 m o t o l o r a 公司的5 6 0 0 0 系列、日立公司的s h 7 0 0 0 系列、a i 公司的a d s p 2 1 0 0 系列和t i 公司的t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列【6 1 。 1 4 本文研究的主要内容 本文对空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 的工作原理和谐振直流环的工作原 理进行了研究，并且在对其工程算法做了进一步分析的基础上对s v p w m 在具 有谐振直流环逆变器中的实现控制策略作了深入的研究，在对比传统的s v p w m 控制的基础上提出了一种优化的s v p w m 控制策略。此种方法的优异性能可以 实时的完成s v p w m 的控制算法，且速度快、精度高、可以有效的减小输出谐 波。在大量的理论研究的基础上，对系统做了硬件电路设计和软件程序编写。 4 第二章s v p w m 的i j 作原理及算法分析 第二章s v p w m 的工作原理及算法分析 2 1 电压空间矢量脉宽调$ 1 j ( s v p w m ) 的基本原理 s v p w m 源于交流电机变频传动控制的电压空间矢量p w m 控制技术，现在 己被应用于电压型三相逆变器的控制当中。下面先简单介绍一下两电平s v p w m 调制原理。图2 1 是两电平三相桥式逆变器的主电路拓扑图。图2 2 是两电平三 相逆变器的电压空间矢量图。 设三相交流系统各相电压为： 臣uan=u,7=cos(tot)： c - 1 ) 0 图2 - 1 两电平逆变器的土电路拓扑图 b 划lk 。 fw = u o + ，( 3 0 亿。天镰忒g ? y 。7、 c 轴 图2 - 2 电压空间欠量图 第一二章s v p w m 的r 作原理及算法分析 式( 2 一1 ) 的三个相电压瞬时值可用图2 - 2 中的一个以角速度0 9 = 2r r f 在空间旋 转的电压矢量职泸+ j ) 在a 、b 、c 各相轴线上的投影表示，u 的大小为相 电压的基波幅值砜，u 以角速度0 9 逆时针方向旋转。 ! ! ： - a c - - 、+ 图2 - 3 欠量u 的电路 图2 4 两电平空间矢量的定义 在任意瞬间，u 的相位角为f ，因为 甜d = u c o s ( o j t ) u q = u s i n ( w t ) 则：u a n ( c o t ) = u dc o s ( c o t ) = u c o s ( 6 0 t ) = u o u n n ( t o t ) = u ac o s ( w t 一1 2 0 0 ) = u c o s ( w t 一1 2 0 0 ) = 列dc o s l 2 0 。+ 甜口s i n1 2 0 0 = 一u 。+ t 压u 口 吹( c o t ) = c o s ( 6 0 t 一2 4 0 0 ) = uc o s ( c o t 一2 4 0 0 ) = 。c o s 2 4 0 。+ u qs i n 2 4 0 。= 一i i “，) - - t 1u q 即： 七 又因为u 一v + 甜删+ u c n = 0 ，l h ( 2 5 ) 式又可得到 r 2 川j 0 3 2 压 2 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) r p 5 ， l j 引p 6 ， 式( 2 - 5 ) 是三相a 、b 、c 变量变成两相d 、q 变量的变换式，而式( 2 6 ) 则是 6 第二章s v p w m 的一i ：作原理及算法分析 两相d 、q 变量变成三相a 、b 、c 变量的变换式。 图2 1 中三相桥式逆变器由a 、b 、c 三柏桥臂组成，图中定义p 点电位为 u o ，q 点电位为0 ，每一桥臂的上下两个开关器件的驱动信号都是互补的。当 t l 导通，t 4 截止时，甜桕= ；当t 4 导通，t l 截止时，“御= 0 。如果引入a 、b 、 c 桥臂的开关变量s 。、s b 、s 。，由于s 。、s b 、s 。各有两种状念：0 或1 ，因此整 个三相逆变器共有2 = 8 种开关状态，即( s 。、s b 、s 。) 为0 ( 00o ) ，l ( 001 ) ，2 ( 0l o ) ，3 ( 01 1 ) ，4 ( 10o ) ，5 ( 101 ) ，6 ( 110 ) ，7 ( 11 1 ) 八种开关状念。把以上八种开 关状态分别称为状态0 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 ，每种开关状念对应一组确定的a 、 b 、c 各相电压和线电压瞬时值。 在以上八种开关状态中，0 ( 000 ) 和7 ( 11 1 ) 两种开关状态为下管t 4 、t 6 、t 2 同时导通和上管t l 、t 3 、t 5 同时导通，在这两种开关状念时，三相逆变器的输出 电压全为零，称之为零态，其它6 种称为非零状态。根据开关变量的定义，有 u a q = s 。u d u s q = s u | ) ( 2 7 ) u ( 移2s c u d 则 将式( 2 8 ) 整理得 z ，爿8 = 甜月q u b q = ( s 。一s ) u d ”盯= 甜趔一“( p = ( s o s 。) u d ( 2 - 8 ) 甜( _ = u ( q u 口= ( s c s 。) u i ) 卜f ，- 1 引划。l ? ，毛 表2 1 开关状态及电压输出 ( 2 9 ) 表2 1 中负载相电压 7 、， & 砖 ，。l、一、 o - 1 第二章s v p w m 的i ：作原理及算法分析 并且 故有 “ 一甜删2 h a s u b n 一致w2u b c 收w u a n2 u ( - a 甜爿+ l l b n + 材( w2 0 三三 = 三 三一 。 1 三三 = 三u 。 ；： ：三： 茎i c 2 一。， 由表2 - 1 所示，当s a = 1 ，t j 导通时，a 相电流f 爿由直流正电源电流如提供， s a = 0 ，t 4 导通时，i d 不提供a 相电流，因此逆变器输入直流电流屯可以表达为 三相逆变器具有6 种非零开关状态。由图2 4 可知，状态4 ( 1 0 0 ) ，s a = l 、s b = s 。= 0 相当于空间矢量u 处于o ) t = 0 的位置，即u 位于a 相轴线上，如果 这时 i i 肾号= u d u a n = 专u d = u d ，u b n = u t ，n = 一专u d 这正好是三相正弦交流相电压在o g t = o 的瞬时值。 同理，当开关状态为6 ( 1 l o ) ，2 ( 0 1 0 ) ，3 ( 0 1 1 ) ，1 ( 0 0 1 ) ，5 ( 1 0 1 ) 时由式( 2 1 0 ) 所得到的各相电压的数值正好是式( 2 1 ) 所示的三相j 下弦交流电压在o ) t = 6 0 度、 1 2 0 度、1 8 0 度、2 4 0 度和3 0 0 度时的瞬时值，因此三相逆变器处于六种开关状 态：4 ( 1 0 0 ) 、6 ( 1l o ) 、2 ( 0 1 0 ) 、3 ( 0 11 ) 、1 ( 0 0 1 ) 以及5 ( 1 0 1 ) 时，等效于它产生图2 4 中的六个电压矢量乩、u 。、u ，、u ，、【厂，、和u ，这六个矢量分别位于萨- - w t = o o 、 6 0 0 、1 2 0 0 、1 8 0 u 、2 4 0 0 及3 0 0 0 的位置上，如图2 4 所示。 改变开关变量s 。、s b 、s 。，可以获得u 。、玑、巩、u ，、阢、和u ，这六个 特定矢量( 位置确定，分别在o = - o ) t = 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、1 8 0 0 、2 4 0 0 及3 0 0 0 ，且大小由 直流电源电压u 门确定而不能调控) 及u ，、砜，两个零矢量u 。但是无法直接获 得任意相位角目且绝对值可控的矢量u 。把图2 4 中的3 6 0 0 区域划分为六个6 0 0 的扇区，如果某瞬问要求逆变器输出的各相电压瞬时值所对应的空i 日j 矢量u 在 第一扇区：0 0 6 0 0 , 那么可以选用第l 扇区边界的特定矢量u 。和u 。以及零矢量 合成所要求的矢量u 。 如果要求u 的相位角o = m t 为任意指令值，则可以用矢量u 所在的扇区边界 的两个相邻的特定矢量以和巩，以及零矢量娩合成u 。如果r 为时间很短的 一个开关周期，在瓦期间，令开关状态0 或7 即零矢量u ：存在时问为砭。开关 8 第二章s v p w m 的1 ：作原理及算法分析 周期巧= 巧+ l + 砭，则在时问很短的一个开关周期瓦中，矢量u 存在兀h , 寸f a j 其效应可以用u ，存在t 时间、u ，存在瓦时间以及零矢量u ：存在t z 时间来等效 也就是说可以用逆变器的三个开关状态x 、y 、0 ，在一个剧期中各自存在瓦、 瓦、砭时间束合成空间来任意位置的矢量阢即 u x c + u y t y + u t o = u 瓦= u ( l + 瓦+ t ) ( 2 1 2 ) 如图2 4 ，】、 ”孙u y ，石、 c o s ( q - ) j s i n ( i f ) - ， 妒吐搿卜郇p 0 ，根据t o 、t 7 表达式的不同，相应生成的p w m 波的直流电 压利用率可为0 8 6 6 或1 ； 连续s v p w m 矢量序列选择一般如下： ( i t o ，u ，。了l ，u ，。了l ) u ，( 孚) u ，( 孚) u y ( ) 虬( ) ( 孚) 为了满足开关状态转换时只有一个桥臂参与，在六个扇区中以为矾、奶和 矾之一。第一扇区开关序列如图2 5 所示，其它类推1 7 j 【8 】1 9 】。 u r u 4u u ? u ? u u 4 u n lii iiiiii llll i l lii l r _ 卜卜卜卜卜1l i i 1 illlli rl j liiiii _ a ilililii il l !ll l ii bl ijiillii iiiiiiill i l r - 寸1 ill a 川： i7 0 1 7 ；l l 1 - i t ? l7 j t 7 ：i7 0 i 2 2 2 2 2 2 2 2 图2 5 连续s v p w m 的开关序列 2 2 电压空间矢量p w m 调制比的讨论 电压空间矢量p w m 控制方法具有较高的调制比，具有较高的直流电压利用 率，下面通过与正弦p w m ( s p w m ) 的比较对其进行讨论。 在s p w m 中，以一个正弦波为调制波，用一列等幅三角波载波与之相交， 由它们的交点确定逆变器的开关模式，以得到脉宽调制波。定义调制比为正弦波 与三角波幅值之比m ，则0 = m = l 。对得到的脉宽调制波进行傅立叶分解，得 到每相输出电压的基波分量为： u ，( u a 2 ) = m s i n ( o ) t + ) ( 2 一1 7 ) 式中：以为相电压基波分量的幅值。矾2 为三相桥式逆变器输出脉宽调制 波的幅值，则m 又可定义为相电压基波分量的幅值与脉宽调制波幅值之比。逆 变器平均输出相电压基波的幅值为m 虬= m 2 = ( 4 3 ) 口u a 2 。所以，逆变 器的调幅比m 为： anu 。t 朋：焉孚：i 4 口( 2 - 1 8 ) u 经 j 逆变器平均输出相电压的幅值为聊u 。= m u d 2 = 2 3 口u d 2 。且平均 1 0 第二章s v p w m 的j 1 ：作原理及算法分析 输出相电压的最大值为u d 2 ，凼此，当逆焚器j 严均输出相电胜帽值达剑最大州， a 也达到最大值o t m 。，即 u , 2 = 万2 所以 口。戤：t , 3 ( 2 1 9 ) 把式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 8 ) 得逆变器的调幅比m 为： 双= 知= 争譬= 万2 “5 ( 2 - 2 0 )双5 了口m 瓤2 了了2 万 1 j 5 从式( 2 - 2 0 ) 可知，电压空问矢量的调幅比比s p w m 的调幅比约增加了1 5 。 因此，这种调制方法大大提高了逆变器输入直流电压的利用斟1 0 1 1 1 1 】【1 2 1 。 2 3s v p w m 算法分析及实现 s v p w m 在三相或多相逆变器中得以广泛应用，其原因有两个，一是采用 s v p w m 的逆变器输出相电压中的基波含量高于采用s p w m 的逆变器，二是d s p 的快速运算能力可以实时计算开关时间。 但在实际应用s v p w m 时，必须解决以下问题，s v p w m 算法的推导、开关 向量的选择、d s p 的实现、逆变器输出相电压有效值的大小。后面将探讨以上问 题的解决办法。 2 3 1 算法原理 开关向量( a ，b ，c ) 与线电压向量( u 曲，u 船，u 。) 的关系为： 誊兰=【，d(，兰， 三1 t 至 c 2 2 2 ， 第二章s v p w m 的l ：作原理及算法分析 c ，。 吒 c ，。 式中u 。、u 6 、u 。为相对于绕组中点的相电压，u ，为逆变器直流总线电压。方 鼢雕袋 p 2 6 ， u 2 詈( u 。+ u 6 1 2 。+ u c e j 2 4 0 ) 。z ，a + 甜卢 ( 2 - 2 7 ) 式( 2 - 2 6 ) 代入式( 2 2 8 ) 得： 1 剧1 2 1 了io 以 l 了 盼伊比 1 1 2 0 压 2 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 由式( 2 2 1 ) 矢h ，每个开关变量有两个状态和，故开关向量( a ，b ，c ) 有八种状 态，按式( 2 2 9 ) 投影到a 妒平面上，a 轴与定子a 相绕组轴线重合，轴逆时针转 9 0 0 ，如图2 - 7 所示。八个电压空l u j 向量中，六个为非零向量( u 。u 。) ，两个为映 射到坐标原点的零矢量u ，( 111 ) 矛hu 。( 000 ) 。 1 2 ，l u u u ，。l 、0，一2压一2 、 口6 c ，。l i、li， 。一2打一2 第二章s v p w m 的一i j 作原理及算法分析 0 1 0 l 1 1 0 瓜 六 够嘲为 v潞二 o o l1 0 1 图2 - 7 三相逆变器电压空问向量 在线性运行范闱内，三相逆变器输出的最大电压空间向量为六个非零电压向 量顶点构成的正六边形的内切圆半径，如图2 7 中的线段o l ，此时对应图2 8 中的点h 。u 。，在三相绕组轴线上的投影与相电压的瞬时值保持对应关系，因此 图2 - 8 中的相电压从u 。变化到u 一，对应图2 8 中的u 从某一较小的幅值变化 到内切圆的半径。 u m 谯x 频率 图2 - 8 三相逆变器压频特性 由于逆变器工作在开关状念，若在某一时刻欲获得图2 8 中的电压空间矢量 u 。，必须从现有的八个电压空间向量中选取若干个来合成它。开关状态的改变 应使电流偏离基波的幅值最小，开关周期尽量短，这两点是p w m 算法的优化目 标。相应地，s v p w m 应满足两条，一条是应选取与参考电压向量vr e f 相临的 三个开关向量，另一条是在开关周期内，三个开关向量应连续变化，即从一个开 关向量转换到另一个开关向量，只能有一个桥臂的开关状念发生变化。 以u 一位于0 u - _ 6 0 u 度的区间为例，选取三个与之相临的空间向量u 。、氓 和零向量u z ( u 。或u ，) ，在开关周期t s 内，各自作用的时间分别为五、正和己， 效果等同于u 。，。它们应满足以下关系： t s b u 町西= 钉ju 。斫+ 聪qu 。衍+ 爿篡，ju ：沈 ( 2 - 3 0 ) 互+ 疋- i - 己= 瓦( 2 - 3 1 ) 在每个积分区间内被积向量不变，又因零向量u z 为0 ，式( 2 3 0 ) 变为： 第：二章s v p w m 的l ：作原理及算法分析 瓦6 阿= 互痧一+ 疋易。 ( 2 3 2 ) 将u r e f , ) 及u 6 投影到u l 及与u 4 垂直的方向上，式( 2 3 2 ) 变为： 制= 伊从仁6 。赫 p 3 3 ， 式中p 为f 与u 4 的夹角，陡 o o ，6 0 0 】，求得瓦、疋分别为： m 乃篙铲 ( 2 - 3 4 ) 隆乃器( 2 - 3 5 ) i l 式中k 何= ，即参考电压向量u 阿的模与非零向量u 。u 。的模之比。再 、；u w 由式( 2 3 1 ) 可求得： 乃= 疋一正一兀( 2 3 5 ) 2 3 2 开关顺序及d s p 实现 式( 2 3 4 ) 。( 2 3 6 ) 给出了三个相邻向量的作用时问，但两个零向量或协选 择哪一个，以及三个向量的作用顺序，这两个问题还没有解决。根据上节s v p w m 优化目标的第二条：从一个开关向量转换到另一个开关向量，只能有一个桥臂的 开关状态发生变化。对对称的p w m 算法，有两个解决方案。一个方案是：， 以，阮，协，玩，以，。第二个方案是：，以，魄，以，踢。如 图2 1 0 所示，并且两个方案在一个开关周期内都只开关一次。 j 0 ：u 4 ：r 1 6 ：u 7 咿：0 6 ：w i 泐 ( a ) 方案一( b ) 方案二 图2 1 0 开关向量的开关顺序和时间( 0 吐_ 6 0 0 ) 区间 剩下的问题是如何分配各开关向量的作用时间。如图2 1 0 所示，只要满足 如下关系就可保证对称p w m 算法的实现，即： 1 4 第- 二章s v p w m 的i ：作原理及算法分析 瓦，= 去瓦 ( 2 - 3 7 ) 1 i j 、一- ， 二 疋l = 去砭 ( 2 3 8 ) 二 1 乙l + 砭2 = 去砭 ( 2 3 9 ) 二 从式( 2 3 9 ) 可以看出，开关向量的作用时i 、h j 分配有无数种方案，如果死。或 砀占死的份额太小，要求功率器件的开关速度很快。若疋或死：的计算很复杂， 会增加微处理器的计算时问。所以综合考虑开关速度和计算时间，选下面的方式： 疋i2 乏22 言7 1 z( 2 - 4 0 ) 这样计算死。和砀只要用微处理器的右移指令就可完成。 2 3 3 相电压有效值 设逆变器输出的相电压有效值为u ，则三相电压为： u d = 压s i n c o t 巩= 4 2 u s i n ( c o t 一1 2 0 。) u= + 1 2 0 。、c4 2 u s i n ( c o t 式中为基波角频率，为时间。将式( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 代入式( 2 2 7 ) 得： u = 一3 u e j ( 耐- x 2 1 式( 2 4 4 ) 表明相电压的有效值： ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) ( 2 - 4 4 ) u = 刹 p 4 5 ， 从图2 - 8 知，相电压的模的最大值即为内切圆的半径o l ： l1 i u 蹦 ( 2 舶) 式( 2 4 6 ) 代入式( 2 4 5 ) 得： u = 忑1 u舾(2-47) 逆变器直流总线电压u t x ：由交流经整流得到，若交流电压有效值为“n ，式 ( 2 - 4 7 ) 变为： u = 一1 伽。= 万1u 埘( 2 - 4 8 4 6 )“ 3 ” 从上式可知，采用s v p w m 算法的逆变器输出的相电压为整流侧输入电压 有效值的万，采用s p w m 算法的逆变器输出的相电压仅为整流侧输入电压有 效值的万，前者比后者提高了1 5 以上【1 3 - l7 1 。 第二章s v p w m 的一f i 作原理及算法分析 小结：如果已知参考电压矢量u 或其在( 0 【，p ) 坐标系中的( c 【，1 3 ) 轴分量u 。和 【，口就可以根据公式计算出与u 对应的两个基本空间矢量的作用时间相对于 s v p w m 调制周期丁的比例r l 和t 2 。如果知道了f l 和t 2 ，知道了要求的s v p w m 的调制周期乃则就可以确定空间矢量分别作用的时间丁l 和乃就可以很方便的 利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 实现s v p w m 算法了。 1 6 第三章谐振直流环的l j 作原理 第三章谐振直流环的工作原理 自19 8 6 年美国学者m d i v a n 提出谐振直流环新概念以来，在三相p w m 变流器 方面得到广泛应用。特别是近年来，在高功率因数的逆变器研究方面，s v p w m 逆变器在采用谐振直流环的软开关技术以后，在很大程度上解决了变流器中功率 器件在硬开关工作中所引起的电磁干扰、开关损耗大、器件承受较大开关应力等 问题的优点倍受研究者的关注。 3 1 谐振直流环的基本原理 图3 1 为直流谐振坏逆变器的拓扑，虚框内为桥式并联谐振网络，它由主开 关管t o ( d o ) ，谐振开关管t a 、t b 、d 。、d b 及谐振电感三，图3 1 中三相逆变器一关 器件两端并联的电容在直流p 、n 两端的等效电容为c ，则在通断t o 、t a 、t b 形成 l 、c 谐振过程中就能使电容c 两端直流电压为零值，从而在主开关器件t 。t 。需 要改变开关状态时，创造零电压开通和零电压、零电流关断的条件。该拓扑具有 以下特点【1 8 】【1 9 儿2 0 】： ( 1 ) 逆变器开关器件的开关点可以选择在任何时刻，谐振可以在任何时 刻进行，便于和逆变器t 。- t 。开关器件p w m 控制要求同步。 ( 2 ) 所有开关器件承受的电压应力不超过u 。 ( 3 ) 谐振电路的开关动作均在零电压条件下进行。 ( 4 ) 谐振电感不在主回路能量传递通道上，逆变器不换流n , j l 不工作，三仅用 作需谐振过零时的储能元件。 ( 5 ) 谐振电容和每个主开关器件并联，因此，可以利用器件本身的寄生电容 作谐振电容或者作为谐振电容的一部分。 r b f 一一1 v d 图3 1 电路结构 1 7 第二章谐振直流环的i ：作原理 图3 1 中的所有元器件均为理想的，谐振电感远小于负载电感。c 谐振周 期很短，因此，在一个谐振周期中，带有三想感性负载的逆变器从直流母线侧来 看可以等效为一恒定的电流源i 。，直流电源电压为一个理想的电压源u d ，忽略、 c 的损耗。在以上条件下进行分析，结论可以推广到图3 2 等值电路。 d o n 图3 - 2 等值电路 3 2 谐振直流环工作过程分析 在一个完整的谐振开关过程中，按开关管的状态的不同可划分为6 个时间段， 各个时间段对应相应的等效电路，依此对各个时间段进行分析： 稳态供电阶段( ，( ) _ ，i ) 。此阶段开关管t o 在驱动信号下导通，如图3 3 所示， t ”t b 断开，直流电源u n 经过t 0 给负载传送能量，电路处于稳定通态，谐振电 路不工作。在些时间段谐振电感电流f ，( f ) = 0 ，电容电压u ，( f ) = u ) ，这个时间 段的持续时问取决于逆变电路的p w m 控制所需的交流输出电压波形的持续时 问。 d n v o 图3 3 稳态供电阶段 能量补充阶段( r l 一2 ) 。此阶段，t 。和t b 在t l 时刻导通，由于的仞始电流为 零，甜。= u d ，谐振开关管t a 、t b 开通时由于存在串联电感三因而是软开通。t a 、 t b 开通后电感的电流线性增加，到达砭时刻时，电感电流屯增j j i l 蛰j 某一阈值j r 时， i r 使三具有足够的能量维持、c 谐振电路完成谐振过程，使直流电压甜。谐振过 1 8 第三章谐振直流环的i ：作原理 零，在此整个时间段，谐振电容电压“c 一直保持为甜。= u d 。谐振电感从零到达 i r 所需时间t 1 ) = l1 7 u j | ，忽略t a 、t b 的开通时间。 d o v o 图3 4 能量补充阶段 谐振阶段l ( f 2 _ ，3 ) 。在t 2 时刻开关管t o 关断，这时由于“。= u d ，所以t o 在零 电压关断条件下关断，此后谐振电感和电容c 开始谐振，在这个时间段中谐振 电容的放电电流奠j i o + i 。，至l j t 3 时刻谐振电容放完所有电量，其两端电压为零。 、0 图3 5 谐振阶段l 环流阶段( 如“) 。在t 3 时刻，t o 已断开，z f 。= o ，i l 经- d a 、t a 矛l l t b 、d b 续流。 在这段时间中改变逆变器开关管的驱动信号，可使逆变器开关器件在零电压下换 相，这段时间的长度取决于逆变桥中开关管的状态转换时间。 图3 6