变频器PWM波形生成方法

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变频器PWM波形生成方法 何根元 王东宝 舒贵全 刘文中 （摩托托尼电气（上海）有限公司，奉贤区青港经济园区） 关键词 摩托托尼变频器；PWM；低谐波马鞍形波形生成 §1.1 引言 在工业、农业、交通运输业、国防建设以及日常生活中，电机传动有着广泛的应用。一些设备需要满足运行、生产、工艺上的调速要求，比如电梯、电力机车等；还有一类设备出于节约能源的考虑，也需要调速运行，典型的如风机、水泵等。 调速分成直流调速和交流调速两大类，先后诞生在19世纪中期。在20世纪的大部分年代里，约占整个电力拖动容量80%的不变速拖动系统都采用交流电机，而只有占20%的高控制性能可调速拖动系统采用直流电机。 交流调速系统的方案虽然早已得到了广泛的应用，但在早期，直流调速较交流调速更为方便：只要调节电枢端电压或励磁电流就可在宽广的范围内实现无极调速。在励磁一定的情况下，有转矩和电枢电流成正比的关系成立，使得转矩易于控制，在双闭环调速（分别对转速与转矩闭环）情况下可以达到很高的调速性能指标。交流调速无论是其调速的静态性能还是动态性性能都无法和直流调速系统相媲美。所以在上个世纪90年代之前，直流调速系统一直在调速领域中占主导地位。但直流电动机本身有如下一些固有的缺陷，制约了直流调速的发展。 ● 直流电动机的机械换相器在运行中易产生火花，电刷磨损，需要经常性的维护。 ● 由于存在换相问题，使单机容量和转速受到了限制，直流电动机难以做成高速大容量机组。 ● 直流电动机结构复杂，成本远远高于交流电动机。 因此直到上世纪的80年代，一直被认为是天经地义的交直流分工的格局才逐渐被打破，高性能的交流调速系统应用的比重逐年上升。交流电动机尤其是鼠笼型异步电动机，因其结构简单，价格低廉，制造方便，坚固耐用，运行可靠，在各个领域得到了极其广泛的应用。 为交流电动机供电必须将直流变换成交流，称之为DC/AC变换技术，也就是通常所说的逆变。逆变技术广泛地应用在科研、国防、生产生活中，并因负载的不同以复杂的电路形式出现。 随着电力半导体器件的发展，逆变技术适用范围进一步拓宽，特别是在高压、大电流、高频三者兼备的场控器件的开发，为了简化逆变主电路的结构并提高逆变器的性能，脉宽调制（PWM－Pluse Width Modulation）技术被广泛的应用。 §1.2 PWM控制技术的发展概况 所谓PWM控制技术，就是利用逆变器装置中半导体开关的开通和关断，把直流电压转化变成一定规律的电压脉冲序列，以实现调频、调压和消除谐波三个目的的技术。 PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程，电力电子技术的发展，一些全控型快速半导体器件，如BJT、IGBT、GTO等的出现，推动了PWM控制技术的进一步发展。PWM控制技术有许多种，如等脉宽PWM法、正弦波PWM法(SPWM法)、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法以及新近发展起来的空间矢量PWM法(SVPWM)等。 1964年，德国的A.Schonung和H.Stemmler在《BBC评论》上提出将通信中的PWM调制技术应用于交流传动逆变器的控制上来，产生了正弦脉宽调制（SPWM）变压变频的思想。脉宽调制技术较以往的相控技术能有效地抑制高次谐波，适宜各类电动机，满足高性能交流调速的要求，目前成为逆变器的最主要控制方式。 三角波比较法根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件得开关时刻，可以由模拟电子电路、数字电子电路或专用大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成SPWM。其原理如图1-1所示。 图1-1 三角波比较法 三角比较法主要采用自然采样法，规则采样法等。 自然采样SPWM法采用正弦波作为调制波，以等腰三角形作为载波，利用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻（两个波形交点）为跳变时刻，从而得到幅值相等，面积按照正弦规律变化的矩形脉冲信号。自然采样SPWM法由于其开关时刻难以确定，所以不适合微机时时控制。如图1-2,单极性自然采样法生成波形方式。 图1-2 自然采样法 规则采样法原理如图1-3所示，正弦波总在三角载波的正峰值点被采样并被保持，形成阶梯波，再由该阶梯波与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。开关时刻由取样点本身的自然选择确定，故偏离自然采样法较小，用计算机实现又比较方便，运算量小，实时性好，是常用的一种SPWM方法。 图1-3 规则采样的PWM 其它的实现方法还有：等效面积法、消除特定谐波技术、梯形调制技术、“△”调制技术、相位调制技术，滞环BANG-BANG调制技术等十多种PWM调制技术。 电压空间矢量SVPWM 控制是一种与SPWM控制不同的新型脉宽调制方法。它不再局限于追求是逆变器输出按照正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机看成一个整体，基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量，从而建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定子磁链矢量和定子电压间的关系直接达到控制电机定子磁链矢量幅值恒定，圆点沿圆形轨迹运动，平均速度可调的目的，从而实现对异步电动机近似恒磁通变压变频调速。 不同的信号波调制后生成的PWM脉宽对变频的效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电流损耗、系统噪声频谱、功率半导体开关器件的损耗等的影响差异很大。所以在SPWM的基础上，为了提高某一方面的特性，会对SPWM做部分改进。下面列举几种PWM做简单介绍。 1、 准最优化PWM 准最优化PWM与SPWM的不同仅在于调制信号，它是在正弦信号上叠加一个三次波，使之成为马鞍形。其生成的PWM脉冲可以提高变频器线形输出电压幅值大约15%，并大大改善谐波电流损耗和转矩特性。 2、 开关损耗最小PWM 在正弦PWM中，正弦信号波和三角载波进行比较，在两个波形相交时进行开关转换，但实际应用中，变频器输出端没有中心点，只有三个自由度，如果适当的利用好这些自由度，使得每相晶体管只有在2/3周期工作，还有1/3周期处于截止状态，减少1/3的开关损耗，但这1/3周期里输出线电压仍为正弦波形。 3、SAPWM模式 在电动机的脉动转矩较小的时候，大小用流经电动机的各谐波电流平方和的开根号与基波次数的比值表示。用该PWM调制能使变频器线性输出线电压幅值较正弦波调制时提高15%，克服最大输出电压不足的缺点。在本模式情况下由于正反相序的谐波相互抵消，在抑制谐波电流和转矩脉动和谐波电流方面有明显的效果,但开关损耗大。 4、谐波损耗最小PWM 在PWM波形的情况下，对于基波电流转差率很小，而对谐波电流来说转差率很大，可以把电动机当作纯电感来处理，把PWM电压加在纯电感上。此时电流等于基波电流和谐波电流之和。只要使得该电流最小，就相当于实际的电流也最小，此时谐波电流也必最小。本模式的优点：总谐波电流损耗小，脉动转矩小。但不足之处是寻优算法相当复杂，输出电压与线性度的关系不是线性的，在更换模式时有电压跳变现象，但开关损耗大。 §1.3 课题研究主要内容 1、 收集并分析各种传统PWM控制方式，发现它们尽管有许多优点，但在开关损耗方面成效并不显著。 2、 通过对应用最为广泛的三相调制PWM方式的比较，引出对CRS PWM的研究分析发现，CRS PWM技术能显著地降低开关损耗，并予以仿真证实。 3、用MATALAB/SIMULINK对SVPWM和CRSPWM分别进行仿真，得出电动机变频调速的转速、转矩、电压、电流等响应曲线，通过对曲线的分析比较，得出开关损耗的降低程度，为交流传动系统降低开关损耗或在一定的散热条件下提高开关频率的研究打下基础。