淺談改善變頻器性能的若干技術(shù)

3.1 SPWM法

SPWM法從電動機(jī)供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源。具體方法是以一個正弦波作為基準(zhǔn)波（稱為調(diào)制波），用一列等幅的三角波（稱載波）與基準(zhǔn)正弦波相交，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開關(guān)模式。為了提高逆變器的輸出電壓幅值，針對SPWM法，人們提出了準(zhǔn)優(yōu)化 PWM法，即三次諧波疊加法。在正弦波中注入一定比例的三次諧波后，調(diào)制波的幅值大大降低，在調(diào)制波沒有過調(diào)制的情況下，可使基波幅值超過三角波幅值，實(shí)現(xiàn)調(diào)制系數(shù)大于1的調(diào)制。在這種調(diào)制方式下，最大調(diào)制比可提高到1.15左右，相應(yīng)直流母線電壓的利用率最大可提高15%。

3.2 SVPWM法

磁鏈追蹤型PWM法又稱為電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），與SPWM 法不同，它是從電動機(jī)的角度出發(fā)的，著眼點(diǎn)在于如何使電動機(jī)獲得圓磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(jī)的理想磁鏈因?yàn)榛鶞?zhǔn)，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波。逆變器的開關(guān)模式有8個空間電壓矢量，其中V0、V7為零電壓矢量。SVPWM不僅使得電機(jī)轉(zhuǎn)距脈動降低，電流波形畸變減少，而且與SPWM技術(shù)相比直流母線電壓利用率有很大提高，在這種調(diào)制模式下直流母線電壓的利用率最大可提高15%，并易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

3.3 不連續(xù)的SVPWM策略（DHPWM）

不連續(xù)的SVPWM方法是近幾年提出的一種新穎的電壓空間矢量脈寬調(diào)制策略，國外文獻(xiàn)稱為不連續(xù)的SVPWM策略（DHPWM），國內(nèi)有些文章稱為混合型調(diào)制策略（HPWM）或低開關(guān)損耗模式調(diào)制。對于連續(xù)PWM調(diào)制方法，三相調(diào)制波都位于其對應(yīng)載波的峰值之間，因此，所有的連續(xù)PWM調(diào)制方法，其逆變器的開關(guān)損耗都是相同的，且與負(fù)載電流的相角無關(guān)。降低開關(guān)損耗最簡單的方法就是使開關(guān)器件不動作，或者在一個周期中盡量少動作。傳統(tǒng)的SVPWM 方法中零矢量（V0和V7）的位置在脈寬生成中是對稱存在的，零矢量的導(dǎo)通時間相等。而且位置是固定的，不能改變。如果保持有效導(dǎo)通矢量的時間不變，這樣合成的空間電壓矢量有效值不會受到影響，同時改變零矢量V0和V7在脈沖分配中的位置，使開關(guān)動作的次數(shù)減少，這就是不連續(xù)的SVPWM方法。零矢量的分配和位置不同就會有不同的調(diào)制效果。如果在三個相鄰矢量所夾扇區(qū)固定選用一個適當(dāng)?shù)牧闶噶?，可使每一組在一個周期內(nèi)有120o的扇區(qū)內(nèi)不開關(guān)。每相不開關(guān)范圍是連續(xù)的120o的區(qū)域，因而導(dǎo)致上下橋臂的開關(guān)損耗不一致，波形畸變比SVPWM要大很多。如果在相鄰的60o區(qū)間選用不同的零矢量，這樣有三種零矢量的分配方案。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量使每相開關(guān)器件在負(fù)載電流較小的區(qū)間內(nèi)開關(guān)。安排大的負(fù)載電流在不開關(guān)的扇區(qū)內(nèi)，這種不僅可以減少開關(guān)次數(shù)，同時還可以有效降低開關(guān)器件的最大開關(guān)電流，從而使開關(guān)損耗最小。該方法可以將開關(guān)次數(shù)減少到原來SVPWM的1/3，極大的降低了開關(guān)損耗，同時由于插入零矢量的位置改變了逆變器的續(xù)流過程，對抑制電流波形的振蕩和失真也有一定的效果。在工程中對該方法調(diào)制時的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)現(xiàn)存在一定的困難。一種行之有效的方法是在每個扇區(qū)內(nèi)對有效導(dǎo)通主矢量的補(bǔ)償。

3.4 隨機(jī)脈寬調(diào)制技術(shù)（RPWM）

在變頻器供電的交流傳動系統(tǒng)中，噪聲問題長期以來一直受到人們的關(guān)注，在某些低噪聲的場所變頻器和電動機(jī)發(fā)出的噪聲令人難以忍受。變頻器噪聲主要由逆變器所采用的脈寬調(diào)制方法所致。在一般的PWM方法中，逆變器的功率開關(guān)是以“確定的”方式通斷的，這種控制方式雖然可以很好地抑制電壓波形中的低次諧波，但卻將產(chǎn)生某種幅值很大的高次諧波，這些諧波主要集中在一倍和兩倍的載波頻率附近，它們將產(chǎn)生明顯的噪聲和振動。近年來出現(xiàn)的隨機(jī)脈寬調(diào)制（RPWM）為解決逆變器的噪聲問題提供了一種全新的思路。隨機(jī)PWM的基本思想是用一種隨機(jī)的開關(guān)策略代替常規(guī)PWM中固定的開關(guān)模式，以使逆變器輸出電壓的諧波頻譜均勻地分布在一個較寬的頻率范圍內(nèi)，達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械振動的目的。目前有三種可行的RPWM方案：

（1） 隨機(jī)化開關(guān)頻率 即在傳統(tǒng)的SPWM中，使三角載波的斜率隨機(jī)變化，那么每周的開關(guān)次數(shù)可隨機(jī)變化，從而達(dá)到開關(guān)頻率隨機(jī)的目的。

（2） 隨機(jī)化脈沖位置 在這種方案中，隨機(jī)量是開關(guān)信號脈沖在每個通斷周期內(nèi)的位置。最簡單的是只有兩位隨機(jī)選擇，一種在開始，一種在結(jié)束。

（3） 隨機(jī)開關(guān) 隨機(jī)波與正弦參考信號相比，比較的結(jié)果形成了數(shù)字RPWM信號。在現(xiàn)在有的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上可以采用隨機(jī)化脈沖位置的方法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)PWM。在上面優(yōu)化的SVPWM中分析了零矢量位置的不同，會降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗，如果采用隨機(jī)的方法將這些優(yōu)化的SVPWM隨機(jī)調(diào)制，在每一個載波周期出現(xiàn)各種零矢量插入的位置不同，就會隨機(jī)改變脈沖位置，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)PWM調(diào)制的目的。目前比較簡單和實(shí)用的方法只有2個零矢量固定的方式隨機(jī)切換，由一個隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生一個隨機(jī)的兩種狀態(tài)0和1，如果為0，將零矢量V0作用在開關(guān)周期的兩頭；如果為1，將零矢量V7作用在開關(guān)周期的中間。該方法實(shí)質(zhì)上是兩種低開關(guān)損耗調(diào)制的隨機(jī)切換。 隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的狀態(tài)隨機(jī)性越好，切換的調(diào)制狀態(tài)越多，系統(tǒng)的諧波能量就能更好的連續(xù)的分布，隨機(jī)PWM的效果就會越好。但是同時算法實(shí)現(xiàn)的難度和對控制器的實(shí)時性要求也會提高。采用RPWM方法，可以有效的降低逆變器系統(tǒng)的噪聲，同時將某些集中的離散的高頻成分轉(zhuǎn)化為連續(xù)的平均分布的頻率成分，降低了向外傳播的電磁干擾。

3.5 過調(diào)制技術(shù)

過調(diào)制技術(shù)主要是在空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的一種技術(shù)。對高性能交流傳動系統(tǒng)來說，如何充分利用直流電壓，以獲得最大輸出電磁轉(zhuǎn)距是一個很重要的因素。尤其是在弱磁階段時，為了獲得足夠的電壓，有必要控制逆變器工作在過程調(diào)制范圍。傳統(tǒng)的SPWM控制時逆變器輸出電壓只能達(dá)到方波工況的78.54%，而空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）能夠?qū)⑤敵鲭妷禾岣叩椒讲ür時的90.69%，為了獲得更大的輸出電壓，逆變器必須工作在過調(diào)制區(qū)，直至達(dá)到方波工況。目前學(xué)術(shù)界提出的空間電壓矢量過調(diào)制方法有許多種，其算法的復(fù)雜程度和效果都各不相同。但是輸出電壓矢量調(diào)制方法實(shí)質(zhì)上一般只有兩種過調(diào)制方法：雙模式控制，將過調(diào)制區(qū)間分為兩個部分分別調(diào)制；單模式控制，即是將過調(diào)制區(qū)間作為一個整體控制。實(shí)質(zhì)上單模式只是雙模式的一種工程簡化，因而實(shí)現(xiàn)簡單，但是產(chǎn)生的基波電壓相比雙調(diào)制要低一些，諧波含量高。如果控制器的運(yùn)算速度和存儲空間足夠，可以采用雙模式控制，提高系統(tǒng)的輸出特性。角度和調(diào)制比的關(guān)系可以離線獲得存儲在RAM中，或者在線采用擬合曲線進(jìn)行計算得到。 4 結(jié)束語 本文討論了控制策略和調(diào)制策略在改善變頻器性能方面的若干技術(shù)和方法。這些方法可以在一個通用的硬件平臺上全部由軟件實(shí)現(xiàn)，有利于模塊化和集成化。文中針對其中的一些技術(shù)問題進(jìn)行了介紹和討論，提出了一些相應(yīng)的解決思路和方法，供大家探討。