电力电子变频器及PWM控制原理课件

1、 电力电子变频器及PWM控制原理 电力电子变频器及PWM控制原理概 述 对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。基本原理简单，易于理解，发展历程却非易事旋转变流机组2021/7/13概 述 对于异步电机的变压概 述 随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，变频调速技术随之取得了日新月异的进步。人们从不同的工业生产需要出发，从不同的角度研究变频调速的实现技术，从而产生了多种不同结构和性能的变频调速装置。 电力电子变频器

2、交-交变频器交-直-交变频器 电压源型电流源型2021/7/13概 述 随着电力电子技术和微电子技本 章 提 要交-交变频器交-直-交变频器PWM控制基础PWM控制技术三相PWM专用集成电路单片机和DSP用于PWM信号生成转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统2021/7/13本 章 提 要交-交变频器2021/7/132.1 交-交变频器 交-交变频器直接把恒压恒频（Constant Voltage Constant Frequency，简称CVCF）的交流电源变换成变压变频（VVVF）的交流电源，又称为直接变频装置。有时也称作周波变换器(Cycloconvet

3、er）。 交交变频AC50HzACCVCFVVVF2021/7/132.1 交-交变频器 交-交变频器直接把恒压恒频（Cons2.1 交-交变频器常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。交-交变频器整流器组合式矩阵式2021/7/132.1 交-交变频器交-交整流器组合式矩阵式2021/7/2.1.1 整流器组合式交-交变频器基本结构VRVFId-Id+-+负载 50Hz 50Hzu0tu0正组通反组通正组通反组通1. 整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变

4、的输出电压 u0 ， u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ，u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如右下图所示。2021/7/132.1.1 整流器组合式交-交变频器基本结构VRVFId2.1.1 整流器组合式交-交变频器单相整流器组合式交-交变频器图2-1 单相交-交变频器主电路负载正组反组uL三相？2021/7/132.1.1 整流器组合式交-交变频器单相整流器组合式交-交去触发器电流测量电压测量函数发生器电流调节移相控制电压调节压频变换环形计数器移相脉冲选组脉冲逻辑控制给定OABC图2-2 三相整流器组合式交-交变频器主电路III

5、IIIIVVVI2021/7/13去电流电压函数电流移相电压压频变换环形计数器移相脉冲选组脉冲交-交变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用元件数量更多，设备相当庞大。 方波中存在的高次谐波使电动机的低速转矩脉动大、转动不均匀、损耗及噪声增大。因此，方波型交-交变频器在异步电动机的调速中应用较少，常用于无换向器电动机的调速系统及超同步串级调速系统中。2021/7/13交-交变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节2. 调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电

6、压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变为0），如下图所示。2021/7/132. 调制控制方式2021/7/13输出电压波形2A0w ta =a = 0 p 2a = p BCDEFu0图2-3 正弦波交-交变压变频器的输出电压波形2021/7/13输出电压波形2A0w ta =a = 0 p 2a = p 2021/7/132021/7/13对于三相交-交变频器，B、C两相的期望输出电压应与A相的正弦输出电压大小相同，相位上互差120，各整流组的控制角必须按照本相输出电压的要求运算获得。设期望的A相输出电压为则该电压应由整流组I与整流组I

7、V切换提供， I组供电电压为式中，Udm 是整流组输出的最高直流电压。当I组开放时， 即于是 2021/7/13对于三相交-交变频器，B、C两相的期望输出电压应与A相的正弦3.交-交变频调速的基本特点（1）功率开关元件在电网电压过零点自然换相，对元件无特殊要求，可采用普通晶闸管；（2）易于实现电机的四象限运行；（3）交-交变频器最高输出频率一般不超过电网频率的1/31/2，否则输出波形畸变太大，将影响变频调速系统的正常工作；（4）由于电路构成的特点，所用晶闸管元件数量较多，设备庞大。2021/7/133.交-交变频调速的基本特点2021/7/13鉴于以上各方面的特点，交-交变频器特别适用于低速

8、、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。这类机械由交-交变频器供电的低速电机直接拖动，可以省去庞大笨重的齿轮减速箱，极大地缩小装置的体积，减少日常维护，提高系统性能。 这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。2021/7/13鉴于以上各方面的特点，交-交变频器特别适用于低速、大容量的调uauABSAaSAbSAcuCAaBCuBC bcubucSBaSBbSBcnSCaSCbSCcA2.1.2 矩阵式交-交变频器1. 电路结构LK1CK2三相输入控制电源输入电压检测变压器TA1TA2TA3abcABC图2-4 矩阵

9、式交-交变频器的主电路2021/7/13uauABSAaSAbSAcuCAaBCuBC b2.1.2 矩阵式交-交变频器2. 安全换流策略 为了保证MC的输入电流和输出电压都是正弦波，对9组双向开关都实行PWM控制。在矩阵式变频器中功率器件的安全换流比传统变频器中要困难得多，连接同一相输出的任意两组双向可控开关之间进行切换时必须满足： （1）换流时确保连接同一输出相的各输入相双向开关不能同时导通，否则将造成输入两相短路； （2）换流时不能插入死区，以防止感性负载与线路分布电感由于开路而感应瞬时高电压，威胁功率器件安全，因此三组开关也不能同时断开。也就是说，既不允许两组开关同时导通，也不允许有切

10、换死区，所以必须有严格的逻辑控制。2021/7/132.1.2 矩阵式交-交变频器2. 安全换流策略2021/2.1.2 矩阵式交-交变频器要保证输入电压不短路，则VT1p、VT2n不能同时导通，VT2p、VT1n也不能同时导通；要满足输出不能突然开路，则四个单向开关中至少有一个处于导通状态，满足这些要求的开关组合共有8种，列于表2-1。 (a)(a)开关单元 (b)接到同一相负载的两组双向开关图2-5 矩阵式变频器的双向开关is1is2iL(b)u1VT1pVT1nVT2pVT2nu2RuLL2021/7/132.1.2 矩阵式交-交变频器要保证输入电压不短路，则VT2.1.2 矩阵式交-交

11、变频器如果原始状态是表2-1中的第1种开关状态，即VS1正反向都能导通，那么直接切换到第2种开关状态是不行的，因为这样会造成电源短路。但当iL0时，经过状态3、7、5，再切换到状态2则始终是安全的； 同理，当iLutVT1导通VT4截止utVT4导通VT1截止utVT1导通VT4截止UarutVT1 导通VT4截止urautVT1导通VT4截止utVT图2-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 OOOw1 tw1 tw1 turaurburcutw1 tOUd2-Ud2w1 tuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB双极性PWM控制方式2021/7/13图2-2

12、0 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 OO双极性的工作方式决定了每个载波周期都要出现一次上、下开关管的切换，而单极性逆变器在调制正弦波的半个周期才切换一次，况且载波频率一般为120kHz，比调制正弦波高很多，因此双极性逆变器的切换次数远远多于单极性逆变器。双极性逆变器的输出电流更接近正弦波，畸变小。双极性PWM控制方式脉宽调制的约束条件为保证开关元件安全工作，所调制的脉冲波有最小脉宽和最小间隙的限制，以保证脉冲宽度和间隙大于开关元件的ton和toff。2021/7/13双极性的工作方式决定了每个载波周期都要出现一次上、下开关管的（3）单/双极性工作方式的性能比较2021/7/13（3）

13、单/双极性工作方式的性能比较2021/7/13电流谐波 谐波电流引起电机电流有效值增加，电流波形畸变，功率因数降低，铜耗和铁耗上升等。 谐波电流有效值为5. PWM控制的性能指标总电流谐波畸变率THD（Total Harmonic Distortion） 式中，I1为基波电流的有效值；n为傅立叶级数展开的谐波分量阶次。2021/7/13电流谐波 5. PWM控制的性能指标总电流谐波畸变率THD（开关频率和开关损耗随着开关频率提高，输出交流信号谐波成分下降，但对周围电子设备的干扰增大。同时，各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开关时间和开关损耗的限制，因此开关频率必须低于其规定的最高开关频率。

14、5. PWM控制的性能指标电力电子器件的开关频率： SCR：300500Hz GTO：12kHz GTR： 15kHz MOSFET：可达50kHz IGBT：20kHz2021/7/13开关频率和开关损耗5. PWM控制的性能指标电力电子器件的开2.4 PWM控制技术 1.自然采样法 图2-21 自然采样法生成SPWM波形t0t1t2t3t4t5ut0ucur在正弦波与三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，从而生成SPWM波形的方法. 一般采用的方法是，先将正弦参考波ur和三角波uc以表格的形式存在存储器内，实际运行时采用查表的方法或仅通过简单的计算得到脉宽的大小。 采用这种方法，当调

15、速系统频率变化范围较大时，将占用较大的内存空间，所以仅适用于有限调速范围的场合。 2021/7/132.4 PWM控制技术 1.自然采样法 图2-21 自2.4 PWM控制技术2. 规则采样法 图2-22 规则采样法SPWM调制模式ABt2t3t1MtMTt在工程上更实用的简化方法，弥补自然采样法的不足，且力求采样效果，接近于自然采样法，又不必占用太多的计算时间。2021/7/132.4 PWM控制技术2. 规则采样法 图2-22 2.规则采样法规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲的中

16、点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。根据脉冲电压对三角载波的对称性，脉冲宽度t2和间隙时间t1及t3可由下面公式计算（设三角波峰值为标幺值1）： 式中Tt为三角载波的周期。 2021/7/132.规则采样法规则采样法原理根据脉冲电压对三角载波的对称性，2.规则采样法 根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：查表法可以先离线计算出相应的脉宽等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。实时计算法事先在内存中存放正弦函数，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率

17、查出相应的Tt /2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。2021/7/132.规则采样法 根据上述采样原理和计算公式，可以用3. 电流滞环跟踪型PWM控制 问题的提出 应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压. 但是，在异步电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。另一方面，电压型变频器直流电源是恒压源，允许电流突变，若负载为低阻抗或发生短路，会产生很大的冲击电流。措施：对电流实施实时控制。2021/7/133. 电流滞环跟踪型PWM控制 问题的提出 另一方面，电压3. 电流滞环跟踪型P

18、WM控制图2-23 电流滞环跟踪PWM控制逆变器的单相结构 图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2 。将给定电流 ir 与输出电流 if 进行比较，电流偏差 超过 时，经滞环控制器HBC控制逆变器相应相上（或下）桥臂的功率器件动作。2021/7/133. 电流滞环跟踪型PWM控制图2-23 电流滞环跟踪PWM3. 电流滞环跟踪型PWM控制输出电流与给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。2021/7/133. 电流滞环跟踪型PWM控制输出电流与给定值之间的偏差保持3. 电流滞环跟踪型PWM控制电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约；当环

19、宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了；应在充分利用器件开关频率的前提下，选择尽可能小的环宽。2021/7/133. 电流滞环跟踪型PWM控制电流跟踪控制的精度与滞环的环宽3. 电流滞环跟踪型PWM控制电流滞环跟踪控制方法的特点：结构简单，电流响应快，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量 。调速时，只需改变电流给定信号的频率，无需进行电压调节。 功率器件的开关频率变化大，不利于功率器件的安全工作。dir/dt 与 fT2021/7/133. 电流滞环跟踪型PWM控制电流滞环跟踪控制方法的特点：d 固定开关频率的电流跟踪P

20、WM控制技术 图2-25 固定开关频率的电流跟踪PWM控制原理图 ifF/VuT-+- irAFR2021/7/13 固定开关频率的电流跟踪PWM控制技术 图2-4. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制 问题的提出经典的SPWM控制主要着眼于使变频器的输出电压尽量接近正弦波；电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步； 然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。 如果把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”。 下

21、面的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。2021/7/134. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制 问题的提出 4. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制空间矢量的定义交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果再考虑到它们所在绕组的空间位置，如图所示，可以定义为空间矢量uA0，uB0 ，uC0 。2021/7/134. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制空间矢量的定义204. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方

22、向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us 是一个旋转的空间矢量，它的幅值是每相电压值的3/2倍。合成空间矢量 us 用公式表示，则有 （2-14） 如果uAO、uBO、uCO是角频率为1的三相对称正弦波电压，那么电压矢量uS就是以角频率1按逆时针方向匀速旋转的空间矢量。而空间矢量uS在三相坐标轴（A，B，C）上的投影就是对称的三相正弦量。 2021/7/134. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制定子电压空间矢量：4. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制电压与磁链空间矢量的关系用

23、合成空间矢量表示的定子电压方程式为 us 定子三相电压合成空间矢量； Is 定子三相电流合成空间矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（2-15）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 或 2021/7/134. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制电压与磁链空间矢量4. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制磁链轨迹 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。（2-18） 其中 m是磁链s的幅值，

24、1为其旋转角速度。 由式（2-16）和式（2-18）可得（2-19） 上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与1（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向2021/7/134. 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制磁链轨迹 磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系 如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。 这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。 2021/7/13磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系 如以u0，u1，u2 u7分别表示8个工作状态对应的电压空间矢量，在复平面上可以

25、得到如图2-28所示的电压空间矢量图。其中，u0和u7对应着电动机三相绕组电压为零，故称为零矢量。 (010)C(001)(011)（101）(100)(110)ReAImB图2-28a 电压空间矢量2021/7/13以u0，u1，u2 u7分别表示8个工作状态对应的电压空三相逆变器的开关状态表2021/7/13三相逆变器的开关状态表2021/7/13 电压空间矢量的扇区划分 为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的、，每个扇区对应的时间均为/3 。图2-28b 电压空间矢量图(010)C(001)(011)（101）(1

26、00)(110)ReAImBo2021/7/13 电压空间矢量的扇区划分 为了讨论方便对于六脉波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持不变。 随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转 /3 ，直到一个周期结束。 这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。 图2-29 六脉波逆变器供电时电压空间矢量与磁链矢量2021/7/13对于六脉波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态 在 /3 所对应的时间 t 内，施加

27、u1的结果是使定子磁链 1 产生一个增量，其幅值与|u1|成正比，方向与u1一致，最后得到新的磁链，而 可见，在任何时刻，所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。（2-20） 2021/7/13 在 /3 所对应的时间 t 内，如果 u1 的作用时间t 小于 /3 ，则 i 的幅值也按比例地减小。依此类推，可以写成 的通式 总之，在一个周期内，磁链空间矢量的尾部在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。2021/7/13如果 u1 的作用时间t 小于 /3 ，则 i 的幅可以得到的结论是：如果交流电动机仅由常规的六脉波逆变器供电，磁链轨迹便

28、是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。2021/7/13可以得到的结论是：2021/7/13逆变器的电压空间矢量虽然只有8个，但可以利用现代电力电子器件开关频率高的优势，将已有的8个电压空间矢量进行线性组合，获得更多的与u1 u6相位不同的等幅不同相的电压空间矢量，从而用尽可能多的多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁场。要有效地控制磁链轨迹，必须解决三个问题：（1）如何选择电压矢量；（2）如何确定各电压矢量的作用时间；（3）如何确定各

29、电压矢量的作用次序。2021/7/13逆变器的电压空间矢量虽然只有8个，但可以利用现代电力电子器件在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。实现SVPWM控制就是要把每一扇区再分成若干个对应于时间 T0 的小区间。按照上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量 us，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 PWM控制显然可以适应上述要求，问题是，怎样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。 科技工作者已经提出过多种实现方法，例如线性组合法，三段逼近法，比较判断法等，这里只介绍线性组合法。 2021/7/13在常规六拍逆变器中一个扇区仅

30、包含两个开关工作状态。电压空间矢 基本思路图 逼近圆形时的磁链增量轨迹如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由图中的11 ， 12 ， 13 ， 14 这4段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。 2021/7/13 基本思路图 逼近圆形时的磁链增量轨迹如果要逼近圆形，可以 线性组合的方法 图2-30表示由电压空间矢量和的线性组合构成新的电压矢量。 设在一段换相周期时间T0 中，可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后的电压矢量ur1 ，新矢量的相位为 。ur1u2u1图2-32 电压空间矢量的线性组合2021/7/13 线性组合的方

31、法 图2-30表示由电压空间矢量图2-30表示了由u1、u2构成新的电压空间矢量的线性组合，设在原u1状态结束后，期望在时间T0内电压空间矢量ur1起作用，并有ur1=u1。采用部分u1矢量和部分u2矢量求和得到矢量ur1，t1u1/T0和t2u2/T0分别表示部分u1和部分u2矢量，它们合成矢量为ur1。ur1与u1和u2相位均不同，而幅值相同ur1u2u1图2-32 电压空间矢量的线性组合2021/7/13图2-30表示了由u1、u2构成新的电压空间矢量的线性组合，根据磁链幅值应为恒值的要求，可利用式（2-17）写出下列方程式：上式中，u1作用时间为t1，u2作用时间为t2，按获得圆形旋转

32、磁场的要求，ur1作用时间应为T0，但T0不一定正好等于t1+t2，其时间的差额就由零矢量u0（或u7）来补足。（2-21）应当指出，零矢量作用期间磁链实际上处于静止等待状态。在式（2-21）中，u0的幅值为零，故： 2021/7/13根据磁链幅值应为恒值的要求，可利用式（2-17）写出下列方程将上式变换到直角坐标系来表示，得式中A=ur1，B=US，并令 。求解上式可得： ur1u2u1图2-32 电压空间矢量的线性组合 换相周期 T0 应由旋转磁场所需的频率决定， T0 与 t1+ t2 未必相等，其间隙时间可用零矢量 u7 或 u0 来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使 u7 和

33、u0 各占一半时间，因此 02021/7/13将上式变换到直角坐标系来表示，得式中A=ur1，B=US 开关状态顺序原则在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂的开关动作，表现在二进制矢量表示中只有一位变化，以满足最小开关损耗。 如果允许有两个或三个桥臂同时动作，则在线电压的半周期内会出现反极性的电压脉冲，产生反向转矩，引起转矩脉动和电磁噪声。 2021/7/13 开关状态顺序原则在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引 新的电压矢量ur1的作用时间为T0，因而产生的磁链增量l1 = ur1T0，如图

34、2-31所示。 在下一个T0期间，仍选用u1和u2的线性组合，但两者的作用时间与前一区间不同，这样就可以获得与us相位不同的电压矢量ur2，相应的磁链增量为l2 。 由若干个不同相位的li（i=1，2，3，）组成的磁链矢量顶端轨迹呈一新的多边形，比正六边形更接近圆形。ur1u20图2-31 电压空间矢量控制时的磁链增量轨迹2021/7/13 新的电压矢量ur1的作用时间为T0，因而产生的磁链增在图2-28中，逆变器的一个工作周期中六个电压空间矢量形成六个扇区，每个区间为/3电角度。各工作区间对称，一个扇区的状态可推广到其它扇区。在常规六拍逆变器中一个扇区只有一个开关状态起作用，而SVPWM控制

35、是把每一扇区再分成若干个小区间。每个小区间有若干个线性组合的电压空间矢量ur按一定规律作用，从而可以获得逼近圆形的多边形旋转磁场。一个扇区内所分的小区间越多，就越能逼近圆形旋转磁场。2021/7/13在图2-28中，逆变器的一个工作周期中六个电压空间矢量形成六图2-28b 电压空间矢量图(010)C(001)(011)（101）(100)(110)ReAImBo每一个 T0 相当于 PWM电压波形中的一个脉冲波。例如：图2-28b所示扇区内的区间包含t1， t2，t7 和 t8 共4段，相应的电压空间矢量为 u1，u2，u7 和 u0 ，即 100，110，111 和 000 共4种开关状态。

36、 2021/7/13图2-28b 电压空间矢量图(010)C(001)(011) 为了使电压波形对称，把每种状态的作用时间都一分为二，因而形成电压空间矢量的作用序列为：12700721，其中1表示作用u1 ，2表示作用u2 ，。 这样，在这一个时间内，逆变器三相的开关状态序列为100，110，111，000，000，111，110，100。 按照最小开关损耗原则进行检查，发现上述1270的顺序是不合适的。 为此，应该把切换顺序改为01277210，即开关状态序列为000，100，110，111，111，110，100，000，这样就能满足每次只切换一个开关的要求了。 2021/7/13 为了使

37、电压波形对称，把每种状态的作用时间 T0 区间的电压波形 第扇区内一段T0区间的开关序列与逆变器三相电压波形虚线间的每一小段表示一种工作状态 2021/7/13 T0 区间的电压波形 第扇区内一段T0区间的开关序列与由电机学原理，交流电动机的转速取决于旋转磁场的速度，即定子磁链矢量的旋转速度。由前面的分析可知，当忽略定子绕组电阻压降（该值一般很小）时，定子磁链矢量的变化率与电压矢量幅值成正比。因此通过改变电压矢量的大小可以改变旋转磁场的旋转速度即控制电动机的转速。 电动机的转速控制2021/7/13由电机学原理，交流电动机的转速取决于旋转磁场的速度，即定子磁可采用下述两种不同的方式： （1）改

38、变逆变器直流侧电压 逆变器的直流电源电压Ud改变后各电压矢量皆成比例变化 优点：磁通（磁链）与转矩（转速）分别进行控制，可按保持磁链矢量幅值不变及减小谐波影响选取电压矢量，优化PWM逆变器的开关模式； 缺点：需要采用可控整流电路或采用斩波器进行直流调压，增加了控制电路的复杂程度。 适合于在电动机额定转速以下降压调速的恒转矩控制方式。额定转速以上的恒功率控制可采用弱磁方式，即保持PWM逆变器直流侧电压不变，电动机转速将随给定磁链的减小而升高。2021/7/13可采用下述两种不同的方式：2021/7/13（2）通过插入零电压矢量控制电动机的转速。 8个电压矢量中有2个是零矢量（u0，u7），由上述

39、分析，磁链矢量i的旋转速度近似与所选的电压矢量幅值成正比。 因此，如果某时刻选取的是零电压矢量，则该时刻的磁链矢量的旋转速度近似为零，这样就可以通过适当选用零电压矢量来降低磁链矢量i的旋转速度。2021/7/13（2）通过插入零电压矢量控制电动机的转速。 2021/7/1小 结（1）电动机旋转磁场逼近圆形的程度取决于小区间时间T0的长短，T0越小，旋转磁场越逼近圆形，但T0的最小值受功率开关器件允许的开关频率的限制。（2）利用电压空间矢量直接生成PWM脉冲，计算简便。（3）采用电压空间矢量PWM控制时，逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压高15%。 （4）

40、 SVPWM控制直接着眼于如何使电动机获得圆形磁场，从而获得均匀的电磁转矩，有效地抑制了转矩脉动和噪声。2021/7/13小 结（1）电动机旋转磁场逼近圆形的程度取决于小区间时间思考题：电流跟踪控制的滞环环宽应如何选择？如何运用已有的8个电压空间矢量进行线性组合，获得与u1 u6相位不同的电压空间矢量？请画出SVPWM控制方式下，第扇区内一段T0区间的开关序列与逆变器三相电压波形（依据最小开关损耗的原则）。2021/7/13思考题：2021/7/13五、优化PWM技术 优化PWM即根据某一额定目标将所有工作频率范围内的开关角度预先计算出来，然后通过查表或其他方式输出，形成PWM波形 。 低次谐

41、波消去法 效率最优法 转矩脉动最小PWM2021/7/13五、优化PWM技术 优化PWM即根据某一额定目 特定谐波消去法的输出波形图2-32 特定谐波消去法的输出PWM波形采用直接计算的下图中各脉冲起始与终了相位1， 2， m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形（Selected Harmonics Elimination PWMSHEPWM）。消除指定次数谐波的PWM 控制技术 2021/7/13 特定谐波消去法的输出波形图2-32 特定谐波消去法的输出P 对图2-32的PWM波形作傅氏分析可知，其k次谐波相电压幅值的表达式为 （2-27） 式中 Ud变压变频器直流侧电压；

42、 1以相位角表示PWM波形第i个起始或终了时刻。 从理论上讲，要消除第k次谐波分量，只须令式（2-27）中的Ukm=0，并满足基波幅值为所要求的电压值，从而解出相应的值即可。2021/7/13 对图2-32的PWM波形作傅氏分析可知，其k次谐波2021/7/132021/7/13 这种方法的优点是利用较低的开关频率，可有效地抑制某些低次谐波，用有限的开关频率实现系统的高性能，因此在大功率或电流型逆变器中应用较多。但指定次数以外的谐波却不一定减少，不过它们已属高次谐波，可以较容易地用滤波器加以消除。此外，其主要缺点是实时控制困难，并且高次谐波的幅值大大增加了，这会引起损耗增加。2021/7/13

43、 这种方法的优点是利用较低的开关频率，可有效地抑制某些六、随机PWM技术普通PWM逆变器的电流中含有较大的谐波成分，此谐波电流将引起脉动转矩。脉动转矩作用在电动机定转子上，使电动机定子产生振动而发出噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。此外，电流中一些幅度较大的中频谐波成分，还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题：一种方法是提高开关频率，使之超过18kHz，但是这种方法伴随着较高的开关损耗；另一种方法就是随机PWM控制方法，它从改变噪声的频谱分布入手，使逆变器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的 2021/7

44、/13六、随机PWM技术普通PWM逆变器的电流中含有较大的谐波成分随机PWM的基本原理PWM逆变器的电压控制可以通过控制开关器件的占空比来实现。虽然占空比跟开关器件的导通位置（即导通角）和开关频率无关，但是导通位置和开关频率的改变却影响着输出电压的频谱分布。如果导通位置和开关频率以随机的方式加以改变，逆变器输出电压就得到一个宽而平均的连续频谱，某些幅值较大的谐波成分就能被有效地抑制。2021/7/13随机PWM的基本原理PWM逆变器的电压控制可以通过控制开关器任何一种随机PWM的实现都离不开随机信号的产生。由于理想的随机信号较难获取，可采用伪随机信号来代替。伪随机信号实际上是周期性的确定信号，

45、但它的功率谱较宽，自相关函数又接近函数，所以可用它代替随机信号。产生伪随机信号的方法有几种，大致可分为软件方式和硬件方式两类。用软件形成伪随机序列一般采用混合同余法，其依据是数论中的同余关系。 若用硬件方式实现随机信号，可采用MM5437芯片或利用N个移位寄存器级联，并适当反馈来产生伪随机信号。 2021/7/13任何一种随机PWM的实现都离不开随机信号的产生。由于理想的随2.5 三相SPWM专用集成电路 SPWM专用集成电路芯片用一片集成电路加上少量的外围器件生成SPWM波形，大大简化了电路和设计成本。 SA4828SM20012021/7/132.5 三相SPWM专用集成电路 SPWM专用

46、集成电一、SA4828及其应用SA4828是Mitel公司的一种新型三相SPWM芯片 SA系列（如SA8281，SA8282，SA4828等）PWM波形发生器具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，其中SA4828主要用于变频调速、逆变电源及UPS等工业领域。2021/7/13一、SA4828及其应用SA4828是Mitel公司的一种新全数字操作 SA4828通过数据总线连接到微处理器/微控制器，SPWM波形生成采用全数字化规则采样方式，避免了模拟电路中存在的漂移问题，使它的脉冲具有很高的精确性和稳定性。工作频率范围宽 三角载波频率最高频率可达24kHz，输出调制波频率范围可达4kHz，

47、分辨率达到16位。 SA4828的功能特点2021/7/13全数字操作工作频率范围宽 SA4828的功能特点2021/7SA4828的功能特点工作方式灵活 6路PWM输出管脚均具有12mA的驱动能力，可直接驱动用于隔离的光电耦合器件。 其工作参数，如载波频率、调制波频率范围、脉冲延迟时间等，可由微处理器以向其写入控制字的方式方便地确定或修改，不需外加任何电路。2021/7/13SA4828的功能特点工作方式灵活2021/7/13ROM内置波形 调制波形以数字形式存储在片内ROM上，采用异步调制方式。三种SPWM波形输出1）标准正弦波2）增强型波形：通过采用谐波注入技术使逆变器直流电压得到充分利

48、用；3）高效型波形：又称带死区的增强波形，它可以节省33的开关损耗。图2-36 SA4828内部调制波形正弦波增强型高效型f(t)f(t)f(t)AA0180018036018003603606012060120240300240300SA4828的功能特点2021/7/13ROM内置波形三种SPWM波形输出图2-36 SA4828SA4828的内部结构、引脚说明 SA4828主要由三部分构成： 接收并存储微处理器命令（控制字）。主要由总线控制，总线译码，暂存器R0R5，虚拟寄存器R14、R15及48位初始化寄存器和48位控制寄存器组成； 读取波形部分。由地址发生器和片内波形ROM组成； 三相

49、输出控制电路及输出脉冲锁存电路。每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。2021/7/13SA4828的内部结构、引脚说明 SA4828主要由三部2.5 三相SPWM专用集成电路 引脚说明：MUX：总线选择。用来区分多路和非多路总线。数据总线模式可以分为两种：多路复用的地址/数据总线或者分别的地址和数据总线。 RS：用于在非多路总线模式中定义输入字节是地址（“0”）还是数据（“1”），这时它一般被连接到一条地址线上。 在多路模式中，它被内置为高电平。2021/7/132.5 三相SPWM专用集成电路 引脚说明：2021/7SA4828的功能特点 SET TRIP：封锁控制，高有效

50、。高电平启动输出封锁锁存，使 输出和六个PWM输出立即锁定为低。 当不用SET TRIP时，必须将其保持在低电平，不能悬浮。 2021/7/13SA4828的功能特点 SET TRIP：封锁控制，高有效SA4828各引脚功能 指示输出封锁锁存器的状态，低电平有效。 RPHT ：红色相（上功率开关）YPHT：黄色相（上功率开关）BPHT：蓝色相（上功率开关）RPHB：红色相（下功率开关）YPHB：黄色相（下功率开关）BPHB：蓝色相（下功率开关）2021/7/13SA4828各引脚功能 指示输出封锁锁存器的状态，SA4828的功能特点初始化寄存器的设置 在工作之前，首先需要向初始化寄存器写入命令

51、字，来设定与电机和逆变器有关的基本参数 。包括载波频率、调制波频率范围、脉冲延迟时间、最小删除脉宽、电源波形选择、幅值控制、看门狗时间常数等。 初始化寄存器是一个48位的寄存器，各命令字需要先写入6个暂存器（R0R5），然后再同时传送给初始化寄存器。 2021/7/13SA4828的功能特点初始化寄存器的设置2021/7/13初始化寄存器的设置（1）载波频率设定（CFS）： 设定字由CFS0CFS2三位组成。载波频率给出如下： （2-29）由上式求出n值，n值的二进制数即为载波频率设定字。 （2）调制波频率范围（FRS）。 调制波频率范围设定字由FRS0FRS2三位组成。计算如下： （2-30

52、）由上式求得m值。m值的二进制数即为电源频率范围设定字。 2021/7/13初始化寄存器的设置（1）载波频率设定（CFS）： 设定字由初始化寄存器的设置（3）脉冲延迟时间的设定（PDY） 该设定字是由PDY0PDY5六位组成。脉冲延迟时间给出如下： 由上式求得PDY值。它的二进制数即是脉冲延迟时间设定字。 （4）最小脉宽删除时间（PDT）。 最小删除脉宽设定字是由PDT0PDT6七位组成。最小脉冲删除时间给出如下：由于脉冲延迟电路跟在脉冲删除电路之后，故输出的PWM脉冲的实际最小宽度将比设定的脉冲取消时间窄。 2021/7/13初始化寄存器的设置（3）脉冲延迟时间的设定（PDY） 由上式初始化

53、寄存器的设置（5）波形选择字。 SA4828内部有三种可选的调制波形。波形选择字由WS0、WS1两位组成，可以通过表2-12来进行选择。 图2-36 SA4828内部调制波形正弦波增强型高效型f(t)f(t)f(t)AA0180018036018003603606012060120240300240300WS1WS0波形00正弦波（默认）01增强型10高效型（减少开关损耗）11保留2021/7/13初始化寄存器的设置（5）波形选择字。图2-36 SA482初始化寄存器的设置（6）幅值控制位（AC）当AC0时，控制寄存器中的红相位可控制所有三相的幅值。当AC1时，控制寄存器中的红、黄、蓝相位分别

54、控制各自的幅值。 （7）看门狗时间常数的设定（WD）。时间常数由WD0WDl5共十六位组成，定时时间由如下公式给出： 如果用25MHz主频时，时间常数范围为41s-268s。控制寄存器的WTE位可以控制看门狗有效或无效。 2021/7/13初始化寄存器的设置（6）幅值控制位（AC）（7）看门狗时间常控制寄存器的作用包括电源频率选择、电源幅值选择、正反转选择、输出禁止位控制、计数器复位控制、看门狗选择、软复位控制。它也与初始化寄存器一样，是一个48位的寄存器，各命令字需要先写入6个暂存器R0R5，然后再同时传送给控制寄存器。数据从暂存器送入初始化寄存器是通过向虚拟寄存器R15写入任一数据的“写操

55、作”实现的。2021/7/13控制寄存器的作用包括电源频率选择、电源幅值选择、正反转选择、 SA4828典型应用隔离电路PWM波形6快速关断数据/地址总线8SA4828片外RAM（可选择）片外ROM（可选择）微处理器或微控制器6整 流滤 波DC逆变器三 相VVVF波形 M 3RYB-+96.3Hz2021/7/13 SA4828典型应用隔离电路PWM波形6快速关断数据/地址2.5 三相SPWM专用集成电路SM2001及其应用 SM2001是深圳国微电子开发的可产生三相正弦PWM驱动波形的大规模集成电路芯片。 普通正弦波和高效电机驱动波两种波形可供选择。 SM2001RSTCSCKDAOEINT

56、WVSVDDVDDUTVTWTUBWBCLKGNDVBGND图2-38 SM2001引脚分布图2021/7/132.5 三相SPWM专用集成电路SM2001及其应用 S2.5 三相SPWM专用集成电路特点 l全数字化电路。 l内部带两套波形发生器，可产生标准正弦波和用于交流电机控制的高效准正弦波。 l 自动产生三相PWM调制波形，频率范围从0到200Hz。 l 载波频率可多级选择，最高可达38kHz。 l可选择死区时间和窄脉冲时间，范围从0.05S25.6S。 l采用高速三线同步串行接口，通讯速度可达到1 MHz。 l通过MCU进行参数化控制，占用MCU的资源极小。 l驱动电流达20mA，可直

57、接驱动光耦。 2021/7/132.5 三相SPWM专用集成电路特点 2021/7/13SM2001及其应用CK：串口时钟，上升沿锁入数据DA：串口数据OE：输出控制，为高允许PWM输出INT：异常中断，下降沿触发WVS：内部波形选择，高效/普通SM2001RSTCSCKDAOEINTWVSVDDVDDUTVTWTUBWBCLKGNDVBGND图2-38 SM2001引脚分布图2021/7/13SM2001及其应用CK：串口时钟，上升沿锁入数据SM200SM2001及其应用 SM2001可广泛用于交流异步电机的变频驱动，如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的控制驱动，各类工业水泵、风机的变频驱动，

58、各类不间断逆变电源（UPS）等。 2021/7/13SM2001及其应用 SM2001可广泛用于交流异2.6 单片机和DSP用于PWM信号生成 一般而言，PWM算法占用较多CPU时间，若用软件直接生成PWM信号，需要采用多字长、运算速度高的微处理器来实现高质量的信号输出。本节介绍两种高性能微处理器的PWM信号生成方法： 80C196MC单片机 TMS320F2407A/28122021/7/132.6 单片机和DSP用于PWM信号生成 一2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形 80C196MC是Intel公司专为三相电机变频调速设计的16位单片机。 地址和数据总线都为16位晶振频率

59、可达16M有64K字节的程序存贮器和数据存贮器空间片内包括512字节的RAM，160字节的特殊功能寄存器组13路模拟输入通道，2个16位定时器1个三相波形发生器（WFG）2021/7/132.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形 2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形三相SPWM波形是由U、V、W三个单相SPWM波形发生器生成。 图2-41 SPWM波形输出示意图外部中断保护请求外部中断输入各载波周期中断请求U+tdtdU -td三角波发生U相脉冲比较及生成脉宽值设定死区时间发生器死区互锁，脉冲分配与输出方式控制保护电路2021/7/132.6.1 80C196MC单片机

60、生成SPWM波形三相SP 三相互补SPWM波发生器可通过P6口直接输出六路SPWM信号，每路驱动电流可达20mA。 事件处理阵列EPA有两个16位双向定时/计数器T1和T2，其中T1可工作在晶振时钟模式，用于直接处理光电码盘输出的两路相位移为90的脉冲信号，这在速度闭环变频调速系统中非常有用。 2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形 2021/7/13 三相互补SPWM波发生器可通过P6口直接输出六路SP2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM TMS320LF2407A DSP芯片是TI公司推出的16位定点数字信号处理芯片。 主要特点如下： （1）两个可用于电