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大功率逆变器PWM调制方法研究

来源:飒榕旅游知识分享网
电气传动2015年第45卷第5期 ELECTRIC DRIVE 2015 Vo1.45 NO.5 大功率逆变器PWM调制方法研究 戚烈,周超英 (三一数字科技有限公司,江苏昆山215300) 摘要:大功率逆变器一般开关频率较低,调速范围较宽,在整个调速范围内载波比变化大,且在载波比较 低时谐波含量大。通常使用一种调制方法不能满足要求,给出了一种由正弦脉宽调制、谐波消除法和方波组 成的混合调制方法,在低速时使用异步正弦调制,中速时使用同步正弦调制和谐波消除法,高速时使用方波, 并解决了各种方法之间的平滑切换的问题,最后进行实验验证,证明了该方法确实可行。 关键词:脉宽调制;特定谐波消除脉宽调制;电流冲击 中图分类号:TM3 文献标识码:A Research on Pulse Width Modulation Strategy for High Power Inverter QI Lie,ZHOU Chao-ying (SANYDigital Science and Technology Co.,Ltd.,Kunshan 215300,Jiangsu,China) Abstract:The switching frequency of high power inverter is extremely low,and the range of speed variation is large,which leads to the result,that the carrier ratio varies a lot and larger harmonic content bring into being in the low carrier ratio.Therefore,using one single PWM modulation mothed cannot meet the requirement,a hybrid PWM method with SPWM,SHEPWM and square waveform was presentsed,the asynchronous SPWM was used at low speed, synchronous SPWM and SHEPWM method were used at medium speed,square wave was used at high speed,and the problem of smooth transition between the various methods was solved.The result is verified through the experiment. Key words:pulse width modulation(PWM):selected harmonic eliminate pulse width modulation(SHEPWM); current transient 1 引言 目前大功率电力机车、电动轮矿车、大型风 机和水泵的拖动、轧钢工业等方面,都采用中高 段,采用SHEPWM对低次谐波进行优化处理 。 , 并研究了多模式调制方式彼此进行切换时的冲 击问题。 压变频技术,不但可以节约电能,而且可以提高 系统运行性能。所以大功率变频技术逐渐受到 市场的关注,与之相关的中高压逆变装置的大 功率器件也得到发展,如较为常用的绝缘栅双 极晶体管IGBT…。适应于大功率逆变器的控制 2 PWM调制策略 大功率逆变器由于受其开关损耗及系统整 体散热要求等多方面因素的限制,逆变器开关器 件的最高开关频率一般设定在几百Hz。在整个 电机调速范围内载波比的变化范围较大,一般采 策略也得到不断研究,在过去20多年里,研究者 用异步调制和同步调制相结合的调制方式以满 提出了多种控制策略,本文在前人的研究基础 上进行整理创新,论述了一种SPWM和SHEP. wM混合脉宽调制策略。在低频阶段,采用异步 SPWM调制方式充分利用了开关频率,在中频区 作者简介:戚烈(1985一),男,硕士,Email:qilie66@163.com 足系统在不同频率区段的控制要求。在同步调 制模式也采用不同的调制方法,因为传统的sP— WM在载波比低于11时,就会产生较大低次谐 波,且从3分频转入方波也较困难,所以在载波比 30 戚烈,等:大功率逆变器PWM调制方法研究 低于l 1时常采用谐波消除法SHEPWM。然而此 种混合调制模式必然存在相互之间的切换,如果 不进行适当处理将会引起电压和电流的冲击和 突变,从而造成逆变器过流,系统振荡等问题。 在不同调制模式之间切换时,最重要的原则 是保持基波电压相位的连续,其次还要考虑低次 谐波对切换带来的不利影响。本文使用的调制 策略如图1所示,分别使用了异步SPWM调制、 同步SPWM、谐波消除(SHEPWM)和方波。在低 频阶段使用异步调制,既保证载波频率不至过 高,又不会使谐波含量过大;在中频阶段,由于载 波比降低导致谐波增大,所以使用同步调制和谐 波消除法;在高频阶段一般负载较大,通常使用 方波调制和调节直流母线电压的方式来控制;其 中低频阶段一般直流母线电压较低,随着基波频 率的增大,母线电压逐渐提高,切换至方波调制 的点及在直流母线电压达到最高值处。 J:/I-lz SPWM SHEPWM方波 图1 PWM调制策略 Fi · PwM 。d“ d。“ 3谐波消除PWM及其硬件实现 特定谐波消除法(selective harmonic elimina— tion,SHE)是一种通过优化开关时刻来消除特定 低次谐波的调制方法,图2为两种通用的输出波 形,该波形在半个周期有Ⅳ个缺口,且在0。,180。, 360。处发生反转。可以看出当A类波形的Ⅳ为偶 数时,或者B类波形的Ⅳ为奇数时,每个半周期的 中心(90。和270。)是一个与目标基波峰值相反的 缺口,将导致无法求解,因此实际应用中,A类波 形的Ⅳ应取偶数,B类波形的Ⅳ应取奇数。 (b)B类波形,初始值为低 图2两电平PWM输出波形 Fig.2 Two—level PWM waveforms 电气传动2015年第45卷第5期 定义 , ,…,a2N为Ⅳ个缺口的位置,该波 形可用傅里叶级数表示为 f(cot)=∑ s:l in(nogt)+b cos(mot) 口 = J0 f(cot)sin(ncot)dogt b J0 f(cot)cos(mot)dcot 利用1/2对称特性,替换掉上式中[ ̄Jf(ogt),计 算积分可得: (--1)-n ̄--Vd (一1)k cos( bn=(+1)--4 V-  ̄ [1+2 (一1)k Sin( 其中+1表示A类波形的计算,Ⅳ为偶数,一1表示 B类波形的计算,Ⅳ为奇数。 进一步利用l/4对称性,可将上式进一步简化: (±1) +2 (一1)k COS(nak)] b =0 因为方程式是关于变量 的三角函数,故这 些方程是非线性的,求教这些方程一般采用n维 牛顿法,将式中的Ⅳ个方程写成如下矢量: 击[1 (_1)k COS , l,0[2… 昙 [1 (.1)k COS( ] F2(0【l,仅2… v (。【l, 2,. l+2 (_1)k cos( 其中/"t是要消除的谐波次数,, 利用Mat, ● lab可以很 快求解该方程组。但如果让计算机实时求解该 方程,还是难以达到,目前普遍使用的方法是计 算机离线求解,将解得的开关角度制成表格放人 控制器,通过查表法实现实时控制;图3为不同开 关角时,求得的结果。 谐波消除法的DSP实现,根据DSP的PWM 模块工作原理可知,1个PWM周期可使用2个 比较值,进行2次动作,三相PWM可分别计数 也可同时计数,为了保证三相的同步,必须强制 3个PWM同时计数,这样由于谐波消除法没 有像SPwM一样有公用的载波,实现起来就相对 困难。 本文使用的方法是,构造合适的载波使得谐 波消除法能像sPwM一样有公用载波,从而保证 三相同步,如图4所示,采用不同开关角分区打 31 电气传动2015年第45卷第5期 援 O OI5 1 调制度 援 图3 SHEPWM开关角及分区 Fig.3 Switch angle and zone of SHEPWM 格,保证每个区间最多只有1个开关角的方法。 以载波比为7的SHEPWM为例,每15。为1个区 间,则每个区间最多只有1个开关角。硬件实现 时每隔15。发生1次波形中断,每次中断时读取下 一个分区的开关角度值并计算出比较寄存器的 值,同时判断起始电平的高低,并赋值给相应的 寄存器。当中断24次后,即完成一个调制周期的 脉冲发生。 4 SPWM调制及其不同调制模式之 间的平滑切换 4.1正弦脉宽调制方法及同步异步之间的切换 正弦脉宽调制(SPWM)是使用目标参考波 形与一个三角载波波形相比,将其比较结果用于 控制相桥臂的开关,为了计算分析设置三角波的 斜率为+2u /x,将三角波数学方程表示为 {-(ocot-2 一7c) 兀2,… c 删 一b/ 正弦调制波的方程为 3 戚烈,等:大功率逆变器PWM调制方法研究 = sin(co ) 令调制度 u /U ̄<l,载波比N--X.o /oc >1,N 为任意正整数。当参考波大于三角波时输出正 脉冲,当参考波小于三角波时输出负脉冲,1 0 1 0 1 0 则sP— WM的时间函数甜 可表示为 ~ 2 { ++n1)(1 +M sin Y)in/2y)/2 其中 】,=co t一 =gO。 因为所有周期性波形都可用傅里叶展开成 三角函数的叠加,本文选取基波与三角波同时过 零,且三角波为下降沿时的调制方式,如图5所 示,通过简化得到SPWM波的双重傅里叶级数表 达式为 “I .):MEsin(oc f)+ 4E 兀Jo(mMn/2)——m:1 ,3,5. m sin(mNco f1+ 笪 —J.(mMn/2) —7c …, :靠4,… m sin[(mN+n)oc t]+ 笪 —J.(mMnl2) —。 7【Ⅲ厶:2,4... : 3,… sin[(mN+n)oc t] 方程中只含有正弦项,因此 是奇函数,波形对 称于原点,这样,当载波比Ⅳ较小时,所得波形 较好。 通过U 表达式也可以得出SPWM输出波形的 谐波分量主要集中在载波频率整数倍附近,载波 频率的大小决定了频谱中心线的位置,因此当载 波频率改变时,谐波分布中心随之改变。且在零 点处谐波有最小值,因此当不同载波比相互切换 时,选择在其中一项基波过零时3项同时切换。当 异步SPWM到同步SPWM切换时,为了保证上述 同步SPWM运行时基波载波同时过零,因此在异 步到同步转化时,要通过调整载波比来保证。本 文使用的方法是在触发切换后的一个周期作为 过渡,过渡阶段调整载波比,载波比应尽量与同步 载波比接近,这样得到的冲击最小,如图5所示。 4.2同步SPWM到SHEPWM,SHEPWM不同 分频之间的切换 混合调制存在多种不同的脉冲输出方式,在 每种调制方式之间要保证电流的连续平滑,避免 引起电流突变导致过流或系统振荡。SPWM与 戚烈,等:大功率逆变器PWM 制方法研究 电气传动2015年第45卷第5期 ≤一\f y V V V V 图5异步SPWM到同步SPWM  5仿真与实验结果 l 0本文用Matlab/Simulink进行建模仿真,图8 为异步调制切换同步调制的电压波形,从图8中 可以看出在异步到同步转化时,通过调整载波 比,有利于电压波形对称,从而减小电流冲击。 图9为同步调制下不同载波比切换的仿真波形, 从仿真结果可以看出,在整个运行过程中,从同 步SPWM到同步SHEPWM各个载波比下,电流 Fig.5 Asynchronous SPWM to synchronous SPWM SHEPWM属于不同的调制模式,产生的谐波电 波形、电压波形、门极信号都与理论相符,同步 流不相同,SPWM调制方法三相的谐波电流在同 一时刻有最小值 ,因此切换时应选取基波电压 过零时三相同时切换,也适应于与其他调制方法 之间的切换,如图6所示。 l O O.6 O.7 0.8 0.9 1.0 图6同步SPWM到同步SHEPWM Fig.6 Synchronous SPWM to synchronous SHEPWM 谐波消除法得到的PWM脉冲电压也可用傅 里叶变换进行展开,并根据异步电机等效电路模 型可计算出相应的电流,本文直接利用计算结果[5 , 因为三相的谐波电流分别在各自基波电压正峰 值和负峰值处有最小值,因此三相分别在正峰值 和负峰值处切换,如图7所示。 0.4 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 图7 SHEPwM之间不同分频的切换 Fig.7 Transition between diferent carrier ratio ofSHEPWM methods 调制下不同调制方法之间的切换没有明显电流 冲击。 1 l 之 S 一 一l 一1 1 1 乏 一l 一1 图8异步调制切换同步调制电压波形 Fig.8 The voltage waveforms of asynchronous PWM to synchronous PWM <-44 OOO 八/、\厂\厂\八八 ,\/VV /\/V\,\/\/\/、/\, 0 6 0.7 0.8 0.9 l 1.1 s (a1电机 相电流 0t6 O·7 0~ O-9 1 l·l (b)电机 捆电艇 0.6 n7 0.8 0.9 l 1 l s (c)门极信号 I5 ————一 20l 二二=二=二=三二二二== 0.6 0.7 0.8 0.9 l 1.1 t (d1载波比 图9同步调制下不同PWM切换的仿真波形 Fig.9 The simulation waveforms transition between different synchronous PWM methods 仿真分析后直接将模型自动生成代码下载 到控制器,在小电机平台上对控制算法进行验证 (实验结果见图10)。通过设定简单的 控制和 使用Controldesk对速度进行监控使电机达到一 定转速,再通过Controldesk设置不同参数对不同 33 电气传动2015年第45卷第5期 功能进行测试: 1)使用SPWM调制方法的谐波大小和直流 分量大小; 2)使用特定谐波消除法(SHEPWM)时的谐 波大小和直流分量大小。 -6OO ^ 9.16 9.18 9.2 9.4 9.6 9.8 珧 (a)SPWM15分频到SHE.PWM1 1分频切换 t/s (b)sHEPwMl5分频到SHEPwM5分频切换 (c)s瑚 wM5分频到方波切换 24.1【5 24.17 24.19 24.21 42.23 以 (d)电制动时从方波切回至5分频SHEPWM 图lO不同调制模式切换的实验结果 Fig.10 Experimentla results oftransition between diiferent PWM methods 图ll为谐波消除法7脉冲时示波器测量结 果的频谱分析。从图11可以看出,5次谐波和7 次谐波都得到明显抑制,1 1次谐波为比重最大的 谐波。图l2为SHEPWM 7分频时的示波器波 形,图12中电流波形和门极信号都与理论相符。 Hannomc order 图l1 SHEPWM 7分频时示波器测量结果的频谱分析 Fig.1 1 SHEPWM frequency spectrum of oscillograph when N=7 在小型电机平台上对控制算法验证后,再将 34 戚烈,等:大功率逆变器PWM调制方法研究 s 图12 SHEPWM7分频时示波器波形 Fig.12 Oscillograph waveforms of SHEPWM when N=7 控制器使用在本文研究的大功率变频电机上,由 实验结果可以看出在不同速度、不同调制方式下 都能得到连续平滑的电流波形。 6结论 本文对大功率逆变器在低开关频率下的调 制方法进行研究,论述了一种由SPWM,SHEP. wM和方波组成的混合脉宽调制方法,并通过仿 真和实验进行了验证。从中可以得出以下结论: 1)开关频率较低时,使用混合调制方法可以 较好地抑制谐波; 2)异步SPWM到同步SPWM切换,通过调 整载波比,有利于电压波形对称;从SPWM到 SHEPWM切换时,选择三相同时切换,SHEPWM 分段同步调制内部切换,选择三相在各自90。或 270。位置切换,电流过渡效果好,尤其在中频区段 电流低次谐波含量较低; 3)SHEPWM采用曲线拟合技术在线计算开 关角,不同开关角分区打格,该方法既能实时运 算开关角,又降低了存储容量,易于硬件实现。 参考文献 [1]刘志刚,叶斌.电力电子学[M].北京:清华大学出版社, 2005. 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