理论教育 开关型逆变器高频调制与控制优化

开关型逆变器高频调制与控制优化

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:开关型逆变电路的广泛应用与其开关调制技术的发展密切相关,高频开关调制技术是决定逆变电路工作在高频条件下的技术保障。三相正弦波逆变器的调制策略除了SPWM以外,又出现了空间矢量调制。跟踪型PWM逆变技术是跟踪逆变器的电压、电流、磁通等参考值,并对这些量直接进行控制的PWM技术,也称作瞬时值控制技术,最常采用的控制器是滞环比较器。逆变器控制技术主要是结合调制技术,实现需要的波形输出。

开关型逆变器高频调制与控制优化

开关型逆变电路的广泛应用与其开关调制技术的发展密切相关,高频开关调制技术是决定逆变电路工作在高频条件下的技术保障。所谓高频调制就是在低频调制波(通常为正弦波或方波)的波形上叠加整数倍频率的高频载波(通常为锯齿波或三角波),使开关的开通和关断被高频载波和低频调制波的交点所控制。由于锯齿波或三角波的宽度是线性变化的,因此经调制后的开关输出基波分量将跟随调制波的形状;同时,其高频分量易于滤除,因此大大减小了输出谐波含量。调制的方式可分为脉冲宽度(脉宽)调制(PWM)、脉冲频率调制、脉冲幅度调制和脉冲密度调制等多种。其中,PWM技术由于变宽恒频特性有利于电路的设计和稳定工作,因此得到广泛的应用。

PWM是应用最广泛的一种调制技术,除了能提高系统动态响应速度、减小谐波、改善输出波形等优点之外,由于载波的频率是固定的,因此有利于功率开关和电路的参数设计与稳定工作。正弦波PWM(SPWM)技术在逆变器调制中有着最广泛的应用。除了SPWM外,近20年来又有了多种PWM技术,如空间矢量调制(Space Vector Mod-ulation,SVM)技术、滞环跟踪型PWM技术、单周期PWM技术等。基于各种目标优化PWM技术,如三次谐波注入PWM技术、定次谐波消除PWM技术、谐波损耗最小PWM技术、中心对称PWM技术等先后出现,极大地丰富了开关型逆变器的调制手段,从而也促进了开关型逆变器的进一步发展成熟。单相正弦波逆变器的调制策略从最初的双极性SPWM,发展到后来的单极性SPWM和倍频式SPWM,电能质量越来越好。三相正弦波逆变器的调制策略除了SPWM以外,又出现了空间矢量调制(SVM)。相对于SPWM而言,SVM技术直接追踪基准磁链圈,使得逆变器输出三相电流为三相对称的正弦波,因此一经提出,就在交流变频调速系统中得到了迅速推广,后来更扩展成为一种在三相整流/逆变领域应用广泛的PWM方法。优化同步式PWM技术多数是以F.G.Turnbull提出的消除特定谐波法为基础的。其原理是:根据某一特定的优化目标(评价函数为最小),在离线状态下计算出在所有工作频率值范围内的开关模式(开关角位置),使得某个评价函数为最小(优化目标最佳),然后把这个结果存储起来,通过查表或其他方式输出,形成优化PWM波形。特定优化目标的基本考虑方法不是只基于逆变器本身,而是把逆变器和负载作为一个整体系统来考虑的,通过控制得到最佳结果。特定优化目标或者说是评价函数有各种各样的评定方法,如效率最优、滤波后畸变率最小、转矩脉动最少及谐波电流有效值最小等。跟踪型PWM逆变技术是跟踪逆变器的电压、电流、磁通等参考值,并对这些量直接进行控制的PWM技术,也称作瞬时值控制技术,最常采用的控制器是滞环比较器。跟踪型PWM技术与其说是一种PWM技术,更不如说是一种非线性控制技术;或者说跟踪型PWM技术是一种兼具调制功能的控制技术。以滞环控制器为例,由于其开关频率不恒定,严格来讲并不能算作PWM技术。随机PWM技术主要是针对交流传动逆变器的调制提出来的,其基本原理是:以随机方式改变逆变器开关管的导通角和开关频率这两个关键量中的一个或两个,控制逆变器输出电压的频谱成为一个宽而均匀的连续频谱,从而有效地抑制一些幅值较大的谐波分量。根据随机PWM的原理,由PWM实现方式的不同可以分为三类,即随机开关频率PWM、随机脉冲位置PWM及随机开关PWM。(www.daowen.com)

逆变器控制技术主要是结合调制技术,实现需要的波形输出。数字化是逆变器控制技术发展的趋势和特点,不仅可实现相对灵活、复杂的控制策略,而且使装置的结构优化、体积大大减小,可靠性也进一步得到提高。随着对系统性能要求的不断提高,应用现代控制理论和方法实现控制智能化等是逆变器控制技术的重要发展方向。一般来讲,单相逆变器中的控制方法可直接应用于三相系统,比如采用同步坐标变换可以将基波分量转换为直流分量,从而采用简单的比例积分(PI)控制即可消除基波分量的稳态误差。当然,三相逆变器并网控制也有其特色,比如采用同步坐标变换可以将有功电流和无功电流解耦,而如何实现三相电网不平衡或畸变等非理想条件下并网系统的稳定与可靠运行,也将是工程应用中需解决的技术难题。

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