第２７卷第１期 终家口职业技术学院净挥 Ｖ０１．２７ Ｎｏ．１ ２０１４年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈａｎｇｊｉａｋｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｍａｒｃｈ，２０１４ 逆变器的ＰＷＭ控制策略研究 张桂枝，郁杰 （张家口职业技术学院电气工程系，河北张家口０７５０５１） 摘要：要使逆变器输出所需电压电流波形，需合理选择逆变器控制策略。逆变器的ＰＷＮ控制策略有正弦波 脉宽调制法、电压空间矢量法、消特定谐波法和开关频率优化法。电压空间矢量法和正弦脉宽调制法控制特性好， 多用于实际控制。 关键词：逆变器；脉宽调制；控制 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—８１５６（２０１４）Ｏ１—００５７一ｏ２ １ 引言 期里，载波呈现正负信号连续交替变化，那么就生成同样 随着电子器件性能的不断提高，节能高效的交流调速 正负极性交替变化正弦波脉宽调制波，称之双极性控制。 控制系统占据调速控制系统的主导地位。其中交流变频 一般情况下，双极性控制在三相逆变器中多用。二电平逆 调速以其优良的调速性能、明显的节能效果，成为当今社 变器的双极性ＳＰＷＭ波形如图１所示。 会交流电机调速控制的首选方法。变频器是变频调速系 统中的核心电器，而逆变器又是变频器的重要输出电路， 逆变器的输出电压和电流波形直接影响电动机的运行性 ＋ 一 能。因此，研究逆变器的控制策略对确保逆变器输出所需 的电压电流波形，保证交流电动机的优良工作特性具有重 十 要意义。目前应用最多的控制策略有正弦波脉宽调制 一三 ‘ （ＳＰＷＭ）法、电压空间矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）法、特定谐波 ＋二，止 消除ＰＷＭ（ＳＨＥＰＷＭ）法和开关频率优化ＰＷＭ 一三 一 （ＳＦＯＰＷＭ）法等。 ２ ＳＰＷＭ法 正弦波脉宽调制法的载波选用高频的等腰三角波，调 制波选用正弦波且要求其变化频率和期望得到的正弦输 出波形频率相一致，以载波与调制波二者的交汇点所对应 的时刻点作为逆变器电子开关导通或关断的切换点，这样 在半个调制周期中就可获得中间最宽而两边逐渐变窄的 图１二电平逆变器的双极性ＳＰＷＭ波形 ｌｒ，和ｕ 分别为ｕ、 一序列等高不等宽的矩形波，以此矩形波经过驱动电路后 图１中ｕｔ为双极三角形载波，Ｉ１Ⅲ、Ｌ作为逆变器开关的驱动脉冲序列，则可使逆变器输出期望 Ｖ、ｗ三相正弦调制波，ｕ 、ｕ ，和ｕ 为ｕ、Ｖ和ｗ三相输出 的正弦电压。ＳＰＷＭ控制技术有单极性、双极性两种控制 与直流电源中性点间的相电压波形，Ｕ Ｕ 和ＵＷＵ为逆变 方式。如果载波在半个调制周期里，总呈现单一极性，即 器输出的三相线电压波形。 只为正信号或只为负信号，那么所获的正弦波脉宽调制波 ３ ＳＶＰＷＭ法 也是单极性的，称为单极性控制；如果载波在半个调制周 ＳＰＷＭ控制法的主要目的是使逆变器输出正弦电压波 形，对逆变器输出的电流未加控制，而电动机要实现恒转 收稿日期：２０１４一Ｏ１—１０ 修回日期：２０１４—０２—２７ 作者简介：张桂枝（１９７３一），女，河北宣化人，张家口职业技术学院电气工程系讲师，硕士。研究方向：电机电器控 制、新能源发电。 ・５７・ ２０１４年３月 张家口职业技术学院学报 第１期 矩控制时，不仅需要输入正弦电压也需要输入正弦电流， 以便在电动机空间产生圆形旋转磁场（磁链圆）。这种用 跟踪圆形旋转磁场的方法来控制逆变器的工作方式称为 磁链跟踪控制，形成磁链圆是在交替变化使用不同电压空 间矢量作用下得到的，故亦称为电压空间矢量ＰＷＭ法 ｌ Ｊ， 简称为ＳＶＰＷＭ法。 对图２的ＰＷＭ波形进行傅里叶解析，获ｋ次谐波相电 压幅值为： ＇ｒ， ＝ ｍ 。… ［１＋２∑（一１） ．ｃｏｓｋａ ］ ‘ ｌ 其中ｕ 一变频器直流侧电压； ０【ｉ—ＰｗＭ波第ｉ个开始或结束时的相位。 从原理上讲，要消ｋ次谐波分量，只要使Ｕ ＝０，且使 基波幅值ｕ。 为要求的值，可从公式中解出对应的 。值。 但是，因逆变器输出的ＰＷＭ波形在１／２及１／４周期中均呈 ＳＶＰＷＭ法在两电平及三电平以上的多电平的控制应 用中是类似的，电压参考矢量均由某一三角形区域的三个 开关矢量根据“伏秒积”相等理论合成，即：先用三角形区 域的三个矢量分别乘以矢量自己的作用时间，再求三个乘 积的和，就可得到一个作用周期的合成矢量。只要合理分 配一个周期内三个矢量的作用时间，就可得到与参考电压 矢量一样的空间合成矢量。ＳＶＰＷＭ法可分为两类：即最 近矢量法和对比判断ＳＶＰＷＭ法；其中最近矢量法因其结 构简单、易控，应用比较广泛。 逆变器所对应的电压空间矢量随电平数成级数增多。 在两电平中空间矢量的个数为８个，而三电平中空间矢量 的个数为２７，这样合成某个电压空间矢量时矢量可选范围 更大，所合成磁链更接近于圆形轨迹，输出电压谐波小，转 矩脉动减小，控制精度高；也可以通过合理选取不同电压 矢量的组合来达到保持电容中点电位平衡的目的。但电 压空间矢量增多时，在合成矢量时增加了很大计算量，控 制电路也变得更为复杂，不易控制。另外，电平数增多时， 所需开关数增加，开关损耗也相应增加。所以需要更为优 化的电压空间矢量控制方法。 ４ ＳＨＥＰＷＭ法 】 １９６３年Ｆ．Ｇ．ＴｕｍｂｕＵ提出了 肖特定谐波的ＰＷＭ法。 该法的目的是使逆变器输出波形趋近正弦波，减少谐波分 量，以满足交流电机的需求。该ＰＷＭ调制法的特点是直 接计算如图２所示逆变器输出的相电压ＰＷＭ波形的各脉 冲起始和终了相位仪 ， ：， 。，仪 ，…， ，把相邻相位间 的位置设为“缺口”，恰当的通过逆变器在半个周期中的多 次换向来控制逆变器输出的脉宽波形，再利用面积相等法 把输出的脉冲方波电压转换为等效的正弦波，消除某些特 定谐波。每设一个“缺口”即可消去一种谐波。 ｅｕ！ｓｅ ｗ ｎ、 Ｕｄｃ／２ ｌ０ ２ Ⅱ Ｗ ｒ Ｕｄｃ／２ ＿ ｇａｐ ６－－－ ａｌ Ⅱ２ Ｇ３ ａ４ ａ２ｍ－１Ⅱ２ｍ 图２逆变器的ＰＷＭ波形 ・５８・ 轴对称波形。有ｍ个待定参数在１／４周期中，除了必须满 足基波幅值外，有ｍ一１个参数可选，其表示可消除的谐波 的数量，也即可消除ｍ一１个不同次数的谐波。例如：ｍ＝５ 时，可消除４个不同次数的谐波。该方法在理论上虽然可 消除指定次数的谐波，但是容易导致更高次的谐波增大。 但，更高次的谐波对交流电动机运行特性影响较小， ＳＨＥＰＷＭ法的控制效果较为理想。该控制法由于求解数 值方法复杂，不同基波频率要求基波幅值不同，因此，该法 不合适于实时控制。 ５ ＳＦＯＰＷＭ法 开关频率优化ＰＷＭ法也是经过三角载波信号与调制 波信号进行比较获得所需的一系列脉冲信号，所不相同的 是，调制波信号不再采用单独的标准正弦波信号，而是把 叠加了一定零序电压的正弦波信号作为新的调制波信号， 通常所叠加的零序信号为三次谐波电压信号。设零序电 压为ｕ．、，三相均衡电压参考值分别为：ｕａ，ｕｂ，ｕｃ，叠加了 零序电压后的三相电压参考值分别为：ｕａｆ，Ｕｂｆ，Ｕｃｆ，则各 电压之间的关系为： ｍｉｘ（Ｕ ＋Ｕｂ＋Ｕ ）＋ｍａｘ（Ｕ ＋Ｕｂ＋Ｕ ） ０ 一———————— —————一 Ｕａｆ＝Ｕａ＋Ｕｏ Ｕｂｆ＝Ｕｂ＋Ｕｏ Ｕｃｆ＝Ｕｃ＋Ｕｏ 为了得到预期的脉宽调制效果必须对开关元件的特定 开关时刻进行控制。三相系统中，在正弦调制信号上叠加 零序信号后，相电压将变成马鞍波形，使波形系数达到２， 可以使逆变器输出的线电压幅值提高１５％，使线电压利用 率提高，开关损耗降低，线性调制范围变大。但在单相系统 中若注入零序电压，将造成电压分量间无法相消，而导致 输出波形中含有三次谐波。因此，开关频率优化ＰＷＭ法 只适用于三相交流调速系统。 ６总结 在变频器逆变器的多种ＰＷＭ控制方法中，各具控制 优点，同时也存在自身的控制缺陷。在实时控制时，一般 在保证控制系统稳定性的基础上，希望提高系统的快速响 应性能，以提高生产效率。在以上的ＰＷＭ控制方法中， ＳＰＷＭ法和ＳＶＰＷＭ法计算相对简单，控制特性优越，在多 电平逆变器的控制中应用较多。 （下转第６９页） ２０１４年３月 乔海珍，刘晓瑜高职院校网络教学平台研究 第１期 网络教学平台至少应具备以下特点：用户界面友好、操作 模块，每一个子模块由多个不同的功能模块组成。模块总 方便；程序精简，结构清晰，系统维护便捷；具有清晰的目 体结构如图３所示。 录结构，系统扩充方便、灵活；扩展性好，能够满足不同课 四、网络教学平台的展望 程的应用；提供各种网上交流和学习工具；提供多种方便 网络教育开放、灵活，是传统教育的延续和发展。网络 快捷的实时交互策略，便于教师和学生的学习和交流随时 教学平台是网络教育的实施、推广平台，相信伴随着信息 进行。网络教学平台按照图２所示的总体结构进行设计。 技术、教育技术和网络技术的发展和职业教育规模的进一 （三）网络教学平台模块结构划分 步扩大，对适应当前职业教育特点的网络教学平台的研究 本系统是一个基于高职院校教学需求开发的网络教学 和探索将会不断深入，进而网络教学平台的功能会更加完 平台。通过对系统的详细功能分析和架构设计，该平台应 善。高职院校的网络教学平台实际上是在发展、壮大阶 包括三个主要功能模块：系统管理模块、教师模块和学生 段，尚有很大发展空间。 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｎ Ｈｉｇｈｅｒ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅｓ ＱＩＡＯ Ｈａｉ—ｚｈｅｎ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｙｕ （ＺｈａｎＫｉｉａｋｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈａｎｇｊｉａｋｏｕ，Ｈｅｂｅｉ ０７５０５ １） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｓｈｏｒｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈｅｒ ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ｃｏｌｌｅｇｅｓ，ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｍｏｄｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｒｅ ｄｉｉｖｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｅｒ ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ｅｄｕｃａｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ；ｉｄｅａ；ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｅｓｉｇｎ （上接第５８页） ［２］刘健．新型三电平高压变频调速关键技术及成套装备研 参考文献： 发［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００８． ［１］陈伯时．电力拖动自动控制系统一运动控制系统［Ｍ］． ［３］杨毅．基于空间电压矢量法（ＳＶＰＷＭ）的三电平逆变器 北京：机械工业出版社，２００６．５． 的研究［Ｄ］．上海：东华大学，２００７． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ＰＷＭ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｇｕｉ—ｚｈｉ，ＹＵ Ｊｉｅ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈａｎｇｊｉａｋｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｒｔｅｇｅ，ｚｈａｎｇｊｉａｋｏｕ，Ｈｅｂｅｉ ０７５０５ １） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅ￣ｅｒ．Ｔｈｅ ｓｉｎｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｎａｄ ｓｗｉｔｃｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｐｔｉｍａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｓｉｎｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｅ ｕｓｕａｌｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ ・６９・