電力電子變換器的調(diào)制匯編

1、1信息科學(xué)與工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院2第2章 電力電子變換器的調(diào)制2.1 引言 目前，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中大多采用電壓源型變換器，主要利用直流側(cè)的電容來暫時(shí)存儲(chǔ)電能 調(diào)制器的作用是：在用戶給定輸入的基礎(chǔ)上對(duì)電力電子開關(guān)器件產(chǎn)生所需的開關(guān)信號(hào)。 為此，引入對(duì)電壓的時(shí)間積分，而這又與采樣平均電壓U(tk)相關(guān)式中 Ts為給定采樣周期，u(t)為單相負(fù)載上的瞬時(shí)電壓skkTttskdttuTtU)(1)(2-13第2章 電力電子變換器的調(diào)制2.1 引言 以上述方式來控制變換器裝置有助于準(zhǔn)確控制電流，此時(shí)負(fù)載由用戶定義的平均參考電壓 供電 若考慮電感L和電阻R形式的線圈負(fù)載中一個(gè)采樣周期內(nèi)的磁鏈增量，此時(shí)磁

2、鏈增量可寫為：相應(yīng)的負(fù)載電流的增量變化（一個(gè)采樣周期內(nèi)）可寫為：skkTttkdttRitut)(-)()(（2-2)*ktU（Lttikk)()(2-34第2章 電力電子變換器的調(diào)制 由此可推導(dǎo)為：skkskkTttTttkdttiLRdttuLti)()(1)(2-4LTtUtiskk)()(2-5 忽略磁性飽和效應(yīng)，根據(jù)2-2，2-3式可以表示為： 根據(jù)2-5，控制增量電流的核心問題就是調(diào)制器在每個(gè)采樣時(shí)刻下滿足以下條件的能力)()(*kktUtU2-65第2章 電力電子變換器的調(diào)制 上式2-6只是表明變換器的開關(guān)狀態(tài)必須由調(diào)制器控制，以保證平均電壓與用戶定義的平均參考電壓相等。2.2

3、單相半橋變換器 半橋變換器包括兩個(gè)由調(diào)制器控制的開關(guān)與單相負(fù)載Z相連，如圖Z由L和R并與電源e串聯(lián)電路形式的負(fù)載阻抗 兩個(gè)理想開關(guān)分別由邏輯信號(hào)Swt和Swb控制 邏輯1對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通，邏輯0對(duì)應(yīng)于關(guān)斷Fig2.1具有電源和調(diào)制器的兩個(gè)開關(guān)半橋變換器6第2章 電力電子變換器的調(diào)制2.2 單相半橋變換器 4種可能的開關(guān)組合：如表2.1所示Table 2.1半橋變換器開關(guān)狀態(tài) 在表2.1中的4個(gè)狀態(tài)中，必須避免在電壓源變換器中發(fā)生擊穿模式（Shoot-through mode)，以防止電源短路 空閑模式(Idle mode)通常用使變換器無效，剩下的兩個(gè)有效開關(guān)狀態(tài)（對(duì)應(yīng)激活模式）互補(bǔ)，因此可以由單個(gè)

4、邏輯狀態(tài)Sw表示：wwbwwtSSSS ,7第2章 電力電子變換器的調(diào)制 半橋變換器的輸出電壓波形如圖2.2所示 采樣時(shí)刻為 設(shè)t=tk-1時(shí)刻開關(guān)函數(shù)Swt為0，并在t=tk-1+t r時(shí)變?yōu)檫壿嫚顟B(tài)1下一個(gè)采樣間隔內(nèi)的t=tk-1+t f 時(shí)刻Swt為0 ，且在t r時(shí)Sw上升，而在t f 時(shí)Sw下降 每兩個(gè)采樣周期內(nèi)開關(guān)序列重復(fù)，其中t r時(shí)Sw上升，而在t f 時(shí)Sw下Fig2.2半橋變換器下每個(gè)采樣周期時(shí)刻平均電壓的變化11kktt 由于負(fù)載電壓波形的上升沿和下降沿隨t r和t f 時(shí)的函數(shù)變化，所以該調(diào)制方法稱為雙極性PWM8第2章 電力電子變換器的調(diào)制 由式2-1可得到相應(yīng)的平均

5、電壓函數(shù)U(t r)和U(t f) 根據(jù)式2-7，兩個(gè)采樣間隔內(nèi)的平均電壓函數(shù)和用戶定義參考值如圖2.3所示：SrsrDCrTtTtutU0 ;212)(2-7aSfsfDCfTtTtutU0 ;122)(2-7b式中 uDC為圖2.1中變換器的直流母線電壓9第2章 電力電子變換器的調(diào)制所需開關(guān)狀態(tài)Sw可通過用戶定義的參考平均電壓 和式2-7定義的平均電壓函數(shù)相比較獲得，使得t r和t f 時(shí)必須滿足式2-6的條件圖中u(t)波形中綠色和藍(lán)色區(qū)域分別表示變換器產(chǎn)生的實(shí)際電壓時(shí)間之積 圖中給出了一個(gè)調(diào)制器工作周期內(nèi)開關(guān)Sw的狀態(tài)，其中紅色間隔對(duì)應(yīng)邏輯1Fig2.3半橋變換器下雙極性PWM策略)(

6、)(*1*kktUtU、10第2章 電力電子變換器的調(diào)制 雙極性PWM半橋變換器的通用模型如圖2.4所示具有2個(gè)A/D模塊，分別與參考平均電壓值（來自控制器）和測(cè)量的直流母線電壓uDC值（來自變換器模塊）相連采樣直流電壓乘以增益1/2獲得最大采樣平均電壓值uDC /2，該值與三角函數(shù)相乘得到2-7中定義的函數(shù)u(t)Fig2.4 雙極性PWM半橋變換器的通用模型 利用求和模塊對(duì)兩個(gè)平均電壓U 和U*進(jìn)行比較，其輸出用于比較模塊，其傳遞函數(shù)為：若0 ，則比較器輸出=1若0 ，則比較器輸出=02-8a2-8b11第2章 電力電子變換器的調(diào)制2.3 單相全橋變換器(Single-Phase Full

7、-Bridge Converter) 在介紹全橋變換器之前，先引入兩個(gè)調(diào)制參數(shù)：調(diào)幅比mA和調(diào)頻比mf2/*DCAuUm2-9*ffmPWMf2-10式中 為平均相電壓參考值的峰值*U式中f *為正弦變化的平均參考電壓信號(hào)的頻率；fPWM為圖2.3中三角波的頻率，是采樣頻率fs=1/Ts的一半12第2章 電力電子變換器的調(diào)制Fig2.5 H橋變換器 全橋變換器也稱H橋變換器，由2.3中的兩個(gè)半橋變換器構(gòu)成 假設(shè)具有一個(gè)單相負(fù)載阻抗Z（定義同前），在此是由一個(gè)虛擬的兩項(xiàng)等效負(fù)載表示，其中每相負(fù)載阻抗為Z/2，且相電流分別為i1=i和i2=-i13第2章 電力電子變換器的調(diào)制 確定調(diào)制策略的關(guān)鍵是

8、式2-1，根據(jù)圖2.5，可寫為： )(2)(121)(1)(1)(kskkkskktUTttstUTttskdttuTdttuTtU2-11式中引入U(xiǎn)1(tk) 和U2(tk)項(xiàng)，分別表示兩個(gè)虛擬相的平均電壓（每個(gè)采樣周期的），還可以表示為 )(0)(10)(1)(1)(kskkkaskktUTttstUTttaskdttuTdttuTtU2-12a )(0)(20)(1)(1)(kskkkbskktUTttstUTttbskdttuTdttuTtU2-12b14第2章 電力電子變換器的調(diào)制 根據(jù)式2-12，所需的半橋平均電壓參考值U *a(tk) 和U*b(tk)可寫為用戶定義平均參考電壓U

9、 *1(tk) 和U*2(tk) 的形式：上式中Ua(tk) 和Ub(tk)表示半橋平均電壓， U0(tk)為兩相虛擬中點(diǎn)電壓)()()(*0*1*kkkatUtUtU2-13a)()()(*0*2*kkkbtUtUtU2-13b必須施加指定的平均電壓才具有上述單相負(fù)載，根據(jù)式2-11，該值為：)()()(*2*1*kkktUtUtU2-14根據(jù)式2-13，上式還可以表示為：)()()(*kbkaktUtUtU2-1515第2章 電力電子變換器的調(diào)制式2-15表明虛擬平均電壓U *0(tk) 可以任意選擇（因?yàn)樵撌街袥]有出現(xiàn)該值）圖2.6是不對(duì)稱采樣PWM的全橋變換器:(a)無脈沖居中單元的P

10、WM和(b)有脈沖居中單元的PWM圖中給出了對(duì)應(yīng)所需平均電壓-時(shí)間參考值U (tk-1)Ts 和U (tk)Ts 的輸出脈沖，在本例中，兩個(gè)值相同另外，還給出了在 之間切換的半橋電壓ua 和ub2/DCu16第2章 電力電子變換器的調(diào)制 從實(shí)際應(yīng)用的角度看，在水平時(shí)間軸對(duì)稱的每個(gè)采樣周期內(nèi)，需要慎重選擇變換器平均參考電壓U *a(tk) 和U*b(tk) 如果要保持該條件，可通過調(diào)制器/變換器達(dá)到最大可能值U *=uDC ，也可以通過滿足下式條件而達(dá)到參考值U *a(tk) 和U*b(tk) 的對(duì)稱性0)(),(min)(),(max*kbkakbkatUtUtUtU2-16 根據(jù)式2-13，

11、上式可寫為：0)(2)(),(min)(),(max*0*2*1*2*1kkkkktUtUtUtUtU2-1717第2章 電力電子變換器的調(diào)制 根據(jù)上式2-17可確定滿足2-16所需的虛擬平均參考電壓U *0(tk) 。其控制結(jié)構(gòu)如圖2.7所示，稱為脈沖居中單元模塊0)()(*kbkatUtU2-18 對(duì)于此全橋調(diào)制器，式2-16應(yīng)寫為下式，使得參考值相對(duì)于時(shí)間軸對(duì)稱：18第2章 電力電子變換器的調(diào)制 脈沖居中參考值的輸入為變量電壓U *1和U *2，而調(diào)制器的輸入為U *，根據(jù)式2-14，該值等于上述兩個(gè)變量之差。為方便起見，兩個(gè)參考值之一可按如下進(jìn)行選擇：)()(*1kktUtU2-19a

12、 由此，脈沖居中模塊的輸出形式為0)(*2ktU2-19b)(21)(*kkatUtU2-20a)(21)(*kkbtUtU2-20b19第2章 電力電子變換器的調(diào)制 對(duì)于H橋變換器結(jié)構(gòu)，調(diào)制器的通用表示如圖2.8所示圖中包括提供邏輯信號(hào) 和 的兩個(gè)比較器，這兩個(gè)邏輯信號(hào)用于控制開關(guān)awSbwSFig2.8 全橋變換器中雙極性PWM調(diào)制器的通用模型20第2章 電力電子變換器的調(diào)制2.3 三相變換器 三相變換器由對(duì)稱平衡星形連接負(fù)載組成，該負(fù)載與2.2節(jié)所述的3個(gè)半橋變換器相連，如圖2.9所示Fig2.9 三相變換器21第2章 電力電子變換器的調(diào)制為了確定變換器中6個(gè)開關(guān)的切換策略（對(duì)于一個(gè)給定

13、的采樣周期），需要保證平均負(fù)載相電壓U1(tk) 、U2(tk)和U3(tk) 與三相參考電壓U *1(tk) 、 U *2(tk) 和U *3(tk) 相對(duì)應(yīng)上述三相參考電壓與下式中的空間矢量平均參考電壓 相關(guān)(功率不變)(*ktUjkjkkketUetUtUtU34*332*2*1*)()()(32)(2-21根據(jù)式2-1和圖2.9，三相負(fù)載的平均電壓（每個(gè)采樣周期）可表示為 )(0)(*10)(1)(1)(kskkkaskktUTttstUTttaskdttuTdttuTtU2-22a22第2章 電力電子變換器的調(diào)制根據(jù)式2-22，所需的半橋平均參考電壓U *a(tk) 、 U *b(t

14、k) 和U *c(tk) 可根據(jù)用戶定義的平均參考電壓U *1(tk) 、 U *2(tk) 和U *3(tk) 表示為 )(0)(*20)(1)(1)(kskkkbskktUTttstUTttbskdttuTdttuTtU2-22b )(0)(*30)(1)(1)(kskkkcskktUTttstUTttcskdttuTdttuTtU2-22c式中引入U(xiǎn)a(tk) 、Ub(tk)和Uc(tk)表示三相半橋平均電壓)()()(*0*1*kkkatUtUtU2-23a23第2章 電力電子變換器的調(diào)制 根據(jù)式2-21和2-23，將上式寫成空間矢量形式)()()(*0*2*kkkbtUtUtU2-2

15、3b)()()(*0*3*kkkctUtUtU2-23c 03432*034*32*1)(32 )()()(32)(jjkjkcjkbkakeetUetUetUtUtU2-24 上式中第二項(xiàng)包含矢量和為零的值，以及零序平均電壓U *0(tk) ，這意味著 后者U *0(tk)可以任意選擇24第2章 電力電子變換器的調(diào)制 相對(duì)于半橋平均參考電壓的選擇，零序平均電壓的選擇顯得無關(guān)重要。但是，需要慎重選擇U 0(tk) 值，以保證半橋參考電壓的最大值和最小值相對(duì)時(shí)間軸對(duì)稱與全橋調(diào)制器方法一樣（滿足式2-16），該條件很容易調(diào)整以適應(yīng)3個(gè)而不是2個(gè)變量，從而表達(dá)式可寫為0)(),(),(min)(),

16、(),(max*kckbkakckbkatUtUtUtUtUtU2-2525第2章 電力電子變換器的調(diào)制 對(duì)式（2-26）進(jìn)一步整理可得下式，進(jìn)而確定零序平均電壓U *0(tk) 根據(jù)圖2.7，脈沖居中單元可調(diào)整為符合2-27的三相輸出/輸入結(jié)構(gòu)，如圖2.10所示)(),(),(min)(),(),(max21)(*3*2*1*3*2*1*0kkkkkkktUtUtUtUtUtUtU2-27 根據(jù)式2-23，上式2-25還可寫為：0)(2)(),(),(min)(),(),(max*0*3*2*1*3*2*1kkkkkkktUtUtUtUtUtUtU2-2626第2章 電力電子變換器的調(diào)制27

17、第2章 電力電子變換器的調(diào)制圖2.11是三相變換器不對(duì)稱采樣PWM的脈沖居中模塊使用情況圖(a)和圖(b)分別給出了未用和采用脈沖居中模塊的示例給出了相對(duì)于零母線電壓節(jié)點(diǎn)在 之間切換的半橋電壓U a 、 U b 和Uc 三相比較器輸出開關(guān)狀態(tài) 和 如圖所示2/CDuawSbwScwS28第2章 電力電子變換器的調(diào)制每個(gè)采樣周期內(nèi)相應(yīng)的負(fù)載平均參考電壓U *1(ti) 、 U *2(ti)和U *3(ti) 可通過標(biāo)準(zhǔn)的三相變換功率不變矢量獲得)(32)(*1iitUtU2-28ajiietUtU32*2)(32)(2-28bjiietUtU34*3)(32)(2-28c29第2章 電力電子變換

18、器的調(diào)制三相變換器中雙極性PWM調(diào)制器的通用模型如圖2.12所示302.4.1 空間矢量調(diào)制所謂的空間矢量調(diào)制是直接在公式2-21基礎(chǔ)上由Van der Broeck等人提出的（Analysis and realization of a pulsewidth modulator based on voltage space vectorsJ. IEEE Transactions on Industry Applications,1988, 24 (1): 142-150.)采用脈沖居中單元主要是用于最大限度地提高變換器的線性工作區(qū)域。根據(jù)式2-21，這些開關(guān)狀態(tài)和相應(yīng)的半橋變換器輸出可由一組電

19、壓空間矢量表示 圖2.11中的開關(guān)狀態(tài)表示8中可能的變換器開關(guān)組合 的一個(gè)子集,cbawwwSSSjwjwwCDSSSeSeSSuUcbacwbwaw3432,322-29 由上式可知，6個(gè)幅值為 的有效電壓矢量以 弧度分布，如圖2.13所示CDu3/23/31第2章 電力電子變換器的調(diào)制圖中的兩個(gè)零矢量對(duì)應(yīng)于變換器開關(guān)組合000和111，因此變換器滿足式2-30條件的過程可通過確定與平均參考電壓矢量U * 相鄰的兩個(gè)有效電壓矢量，以及該電壓矢量在采樣周期Ts內(nèi)必須有效的時(shí)間間隔來描述32第2章 電力電子變換器的調(diào)制該策略的數(shù)學(xué)表示為其中 為角區(qū)間 內(nèi)的有效電壓矢量。)()(*iitUtU2-

20、30另外，配置有效電壓矢量所需的總時(shí)間必須滿足式2-32的條件jssiassiaieuTtTuTtTtU311*)()()(2-31su)(*it1)()(21siasiaTtUTtU2-3233第2章 電力電子變換器的調(diào)制圖2.13中所有子圖表示8個(gè)可能的變換器電壓空間矢量，以及采樣時(shí)刻tk-1和tk下的平均參考電壓矢量。根據(jù)式2-31，變換器有效電壓矢量 為由于空間矢量調(diào)制方法根據(jù)式2-33可直接計(jì)算給定采樣間隔(ti)內(nèi)與指定參考電壓矢量 相鄰的有效電壓矢量的保持時(shí)間，因此特別適合數(shù)字實(shí)現(xiàn)sisiautUTtT)(32)(*22-33asu100u)(*itu34第2章 電力電子變換器的調(diào)制將有效電壓矢量 （見式2-29）代入式2-33，經(jīng)數(shù)學(xué)整理后，可得siasisiaTtTutUTtT)(21-)()(2*12-33bsu2*222212132)()()()()(DCisiasiaiasiautUTtTTtTtTTtT2-3435第2章 電力電子變換器的調(diào)制由圖2.14可知，式2-34表示在 、 平面上的一個(gè)橢圓，其大小由變量 決定saTT /1saTT/2DCiutU32/ )(*不同變量v下有效電壓矢量占空