电力电子装置中的控制技术-s

第3章电力电子装置的控制技术
武汉大学电气工程学院

本章主要内容
? 第3章
? ? ?

电力电子装置的控制技术

3.1概述 3.2内层脉宽调制技术 3.3外层控制技术

?

3.4电力电子装置的控制算法设计及分析方法

3.1 前言
下图所示为电力电子装置的控制示意图。一般而言，我们可以把电力电子装置的控制分为内层控制和外层控制。

uI iI

? | μ á μ ? 3 ó °? 3 ?

uO iO

· ? 1 ? ? o μ í ? 3

ú 2 ? ? ? ? ? ?

a 2 í ? ? ? ? ?

3.1 前言
?

所谓外层控制，是指根据电力电子装置的输入输除状态以及负载或系统的运行参数，采用一定的控制算法，得到电力电子装置的控制电压和控制电流，使得装置和负载达到预定的运行目标。这些控制算法包括：传统的 PID控制以及各种现代控制理论。

?

所谓内层控制，是指根据外层控制得到的控制电压或电流，按照一定的控制算法，得到电力电子装置中的电力电子器件的控制信号的相位或脉宽时间。这些控制算法包括：相控方法、PWM算法等。

3.1 前言
例如：采用交流调压的温控装置。
o ÷ ? á ÷ μ ? ? °? 3 ? ±á ò ? ? ˉ ￥￠ ′ 2? ? 3 ? μ ? ? ′ o ? ? PWM? o ? ? í ú 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? μ ? ? ? a 2 í ? ? ? ? ? ê 3 ? ? ? ? μ ? ˉ ? ? ?

3.1 前言
?

外层控制根据温度传感器采集冶炼炉内部的温度，按照一定的控制方法得出交流调压装置的应该输出的交流电压大小，这个电压就是给内层控制的控制电压。
内层控制根据控制电压，按照交流调压电路输出电压控制方式采用移相调压或PWM调压方法计算出晶闸管的触发脉冲的相位或脉宽时间，并把这个控制信号送到触发电路。

?

3.2 内环脉宽调制技术
本节主要介绍采用全控型器件的各种变换电路中采用的脉冲宽度调制技术(PWM)，主要有： ? 调制法 ? 特定谐波消去法 ? 滞环跟踪控制 ? 空间矢量控制技术

3.2 内环脉宽调制技术
1 调制技术
? 基本原理
PWM的基本原理是基于采样定理中的一个重要结论：冲量相等形状不同的窄脉冲加在惯性环节上，其响应基本相同。按照这样一个基本原理，我们可以用一系列周期性变化的窄方波脉冲加在一个具有惯性环节（例如电感上），来得到需要的响应（例如电流）。

3.2 内环脉宽调制技术
1 调制技术
?

单极性调制

ur

uC

V1

E
V3

io

V2
uo V4
uo

3.2 内环脉宽调制技术
1 调制技术
?

双极性调制

ur V1
E

uC

io

V2
uo

uo

V3

V4

3.2 内环脉宽调制技术
1 调制技术
?

自然采样法

ur

uC

uo

T

t1 t2

3.2 内环脉宽调制技术
1 调制技术
?

规则采样法

ur

uC

uo

T

d

3.2 内环脉宽调制技术
1 调制技术

调制技术的特点 ? 输出电压中谐波频率高，与开关频率有关，容易滤掉。 ? 直流电压利用滤低。 ? 开关损耗较高。 ? 同桥臂上下器件需要有死区。
?

3.2 内环脉宽调制技术
2 特定谐波消去法

uo
t1 t2 t3

3.2 内环脉宽调制技术
3 滞环跟踪控制
滞环控制示意图如下：
E

ic io
V1

io

V2

io

uo V3 ic io
V4

d

ic

io VG1 VG 3 VG 2VG 4

+
-

Di

3.2 内环脉宽调制技术
3 滞环跟踪控制
滞环控制的特点有： ? 控制电路简单，容易实现 ? 响应快速 ? 开关频率不固定，谐波频率和幅值不固定。不容易设计滤波电路 ? 环宽 δ对电路特性有很大影响。环宽大，开关频率会降低，但是输出电流谐波含量大，而且包含低次谐波 ? 环宽小，开关频率增大，但是输出电流谐波含量小，而且主要是高次谐波

3.2 内环脉宽调制技术
4 空间矢量PWM(SVPWM)控制
空间矢量 PWM 控制策略是由日本学者在上个世纪 80 年代初，针对交流电动机变频驱动而提出来的。其主要思路在于采用逆变器空间电压矢量的切换来获得圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率条件下，使交流电动机获得比SPWM更好的性能。和SPWM控制相比，SVPWM具有以下特点： ? 提高了直流电压利用率和电动机的动态响应性能。 ? 减小了电动机的转矩脉冲。 ? 具有较好的动态特性。

3.2 内环脉宽调制技术
4 空间矢量PWM(SVPWM)控制
理论基础对于交流信号，我们引入矢量的概念来简化分析。而在三相交流系统中，如果三相电压平衡，那么我们可以定义在复平面内的空间电压矢量如下：
?

uao + ubo + uco ? 0 ? 2 U ? (uao + ubo e j 2? / 3 + ucoe j - 2? / 3 ) 3

3.2 内环脉宽调制技术
4 空间矢量PWM(SVPWM)控制
如果三相电压为角频率为 w 的对称正弦电压，则可用一个以该角速度旋转、长度为相电压幅值的的空间矢量来分析三相电压。该矢量在三相坐标轴上的投影就是该相电压的瞬时值。有了该空间矢量对于我们后面分析和理解三相系统的电压电流问题是很有帮助的。
b

Im

? U

w
Re a

c

3.2 内环脉宽调制技术
4 空间矢量PWM(SVPWM)控制
以电压型逆变电路为例来讨论逆变电路的SVPWM的一般问题
R L ea

定义一个二值开关逻辑函数：
?1 上桥臂开下桥臂关； Sk ? ? (k ? a, b, c) 0 下桥臂开上桥臂关； ?

ua
E
N

V1 V3 V5

ub
V4 V6 V2

eb uc ec

o

则三相负载相电压可以描述为：
1 uao ? [ S a - ( S a + Sb + Sc )]E 3 1 ubo ? [ Sb - ( S a + Sb + Sc )]E 3 1 uco ? [ Sc - ( S a + Sb + Sc )]E 3

3.2 内环脉宽调制技术
4 空间矢量PWM(SVPWM)控制
由上式，根据开关的不同组合状态，可以得到相应的相电压和对应电压矢量的列表如表

? 开关工作状态
采用180°导通型，功率开

关器件共有8种工作状态，其中6 种有效开关状态，2 种零状态（这时逆变器没有输出电压）

图3 三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图

开关函数与开关模式
? 定义开关函数:

?
? ? ?

1
Si= 0

当上桥臂器件导通时
当下桥臂器件导通时 ( i=A,B,C)

? 则每一时刻的us将由此时的三个开关函数值

唯一确定,记作us(SA,SB,SC),并称 (SA,SB,SC)在不同数值下的组合为变频器的开关模式（开关代码）.

开关状态表
序号 1 2 2 4 5 6 7 8 VT6 VT1 VT2 VT1 VT2 VT3 VT2 VT3 VT4 VT3 VT4 VT5 VT4 VT5 VT6 VT5 VT6 VT1 VT1 VT3 VT5 VT2 VT4 VT6 开关状态开关代码 100 110 010 011 001 101 111 000

? 开关控制模式（a）开关模式分析
?

+

设工作周期从100 状态开始，这时 VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点的电压幅值为
UAO’ = Ud / 2 UBO’ = UCO’ = - Ud /2

id
Ud

VT1

iA
O

VT6

iB

VT2

iC

-

（b）工作状态100的合成电压空间矢量
?

由图可知，三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿

B -uCO u1 uAO -uBO C A

A轴（即X轴）。
?

u1 存在的时间为?/3，

之后，工作状态转为
110。

u1 ? U AO + U BOe

j120 o

+ U CO e

j 240 o

（c）工作状态110的合成电压空间矢量
? 和上面的分析相
B
uBO’ -uCO’

似，合成空间矢量变成图中的 u2 ，它在空间上滞后于u1 的相位为 ?/3 弧度，存在的时间也是 ?/3 。

u2

uAO’

A

C

（d）每个周期的六边形合成电压空间矢量随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转 ?/3 ，直到一个周期结束。在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2? 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。

u4 u5

u3 u7 u8

u2 u1

u6

? 电压空间矢量的扇区（Sector）划分

图7

电压空间矢量的放射形式和6个扇区

? 线性组合方法（以在区域I为例说明）
设在一个换相周期时间T0 内，可用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后的新电压矢量us ，其相位为 ? 。
图6 电压空间矢量的线性组合

t1 t2 us ? u1 + u2 ? us cos? + jus sin ? T0 T0

（10）

? 作用时间的确定

根据各个开关状态的线电压表达式可以推出
? t1 t 2 jπ 3 ? t1 t2 jπ 3 us ? U d + U d e ? U d ? + e ? ? ? T0 T0 T T 0 ? 0 ? ? t1 t 2 ? 1 ? t1 t 2 ? π π ?? 3 ?? ?? ? U d ? + ? cos + j sin ?? ? U d ? + ? + j ?2 ? T T 3 3 T T 2 ? ? ? 0 0 0 0 ? ? ? ?? ? ? ?? t1 t2 ? 3t 2 ? ? U d ?? ? T + 2T ? ? + j 2T ? 0 ? 0 ? ?? 0
（11）

比较式（10）和式（11），令实数项和虚数项分别相等，则