低压变频器的不连续脉宽调制研究

第５Ｏ卷第６期　２Ｏ１６年６月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．５０，Ｎｏ．６　Ｊｕｎｅ　２０１６　低压变频器的不连续脉宽调制研究　高成海　，万健如　，李广军　，户伟玉　（１．天津大学，电气与自动化工程学院，天津２．西门子电气传动有限公司，天津３０００７２；　３００３８４）　摘要：在应用空间矢量调制的基础上，为实现变频器的更高性能和满足特定应用要求，可采用不连续调制方　式，因此需对其特性进行深入研究。在此详细分析了低压变频器中边缘调制和平顶调制的特点．运用不连续调　制的谐波分析方法以及调制方式与电压获得率关系等理论，研究了其对提高输出电压、降低输出谐波的影响　以及调制方式切换过程和切换后变频器运行性能变化。结果表明经过优化的不连续调制应在适当的输出频率　区间使用，可有效提高变频器输出电压５％，同时降低开关损耗且符合谐波要求。　关键词：变频器；不连续调制；谐波比较；输出电压　中图分类号：ＴＮ７７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１６）０６—００９４—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ＰＷＭ　ｉｎ　Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｖｅｒｅｒ　ＧＡＯ　Ｃｈｅｎｇ－ｈａｉ　，ＷＡＮ　Ｊｉａｎ—ｒｕ　，ＬＩ　Ｇｕａｎｇ－ｊｕｎ　，ＨＵ　Ｗｅｉ－ｙｕ２　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ａｐｐｌｉｃａ—　ｔｉｏｎｓ，ｈｅ　ｄｉｔｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＤＰＷＭ）Ｃａｌｌ　ｂｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＤＰＷＭ　ｉｓ　ｓｔｕｄ—　ｉｅｄ　ｄｅｅｐｌｙ．ｈｅ　ｃｈａｒＴａｃｔｅｒｉｓｉｔｃｓ　ｏｆ　ｐｕｌｓｅ－ｅｄｇｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＥＭ）ａｎｄ　ｆｌａｔｔｏｐ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅｓｅ　２　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｏｕｔｐｕｔ　ｈａｒｍｏｎｉｅｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒ—　ａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｏｖｅｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｌｌ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｇａｉｎ　ｉｎ　ＤＰＷＭ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ＤＰＷＭ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　５％ｗｈｉｌｅ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｅｏｍｐｌｉａｎｃｅ　ｗｉｔｌｌ　ｒｅｑｕｅｓｔ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ；ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ，Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｑｕａｒａｎｔｉｎｅ　ｏｆ　Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１３１０１５３）　１　引　言　ＤＰＷＭ近年来已渐渐成为被广泛应用的调制　方法之一．其调制信号是由正弦基波和零序信号　叠加而成［１Ｉ。而低压变频器常用的ＳＶＰＷＭ也是如　此生成。在深调制区，ＤＰＷＭ优于ＳＶＰＷＭ和其他　具有连续调制波的方式【ｚ～１。在此探讨在低压变频　器中使用的两种不连续调制方式的特点。　分，而不是全部方波来实现，这种情况下，输出电　压包含有幅值为直流电压的１２０。方波块（考虑到　谐波会引起电机的附加损耗，实际调制度约为　９６％），即边缘调制（ＰＥＭ）ｔ　１。　图１　使用边缘调制后的电机电压　Ｆｉｇ．１　Ｍｏｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｈ　ｐｕｌｓｅ—ｔｅｄｇｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　２原理与设计　２．１边缘调制　根据不连续调制的定义。ＰＥＭ可视为不连续　调制理论中的ＤＰＷＭＭＩＮ和ＤＰＷＭＭＡＸ的组合，　其中ＤＰＷＭＭＩＮ为只使用零矢量（０００）与其他非　零矢量进行分配。使开关在输出电压负半周有　１２０ｏ区间不动作：ＤＰＷＭＭＡＸ是在零矢量分配时　如图１所示。通过仅触发直流方波的边缘部　基金项目：国家质检总局公益性行业科研专项经费　（２０１３１０１５３）　定稿日期：２０１５—０６—０４　只使用（１１１），让开关在输出电压正半周有１２０。区　间不动作：ＰＥＭ的实现方式也是在正弦调制波中　增加零序分量。　作者简介：高成海（１９７０一），男，河北人，博士研究生，高　级工程师．研究方向为电力电子与电气传动。　９Ｉ４　低压变频器的不连续脉宽调制研究　２．２　平顶调制　ＤＰＷＭ１在过调制区高于ＳＶＰＷＭ的电压获得率　平项调制是同时采用两个零矢量（０００与　１１１）与其他非零矢量进行分配，实现在输出电压　正、负半周峰值处各有６０。区间不进行开关动作，　如图２所示，即ＤＰＷＭ１策略。　图５不同调制方式的电压获得率特点　Ｆｉｇ．５　Ｖｏｌｔａｇｅ　ｇａｉｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ　在文献【６】中，以ＳＶＰＷＭ和ＤＰＷＭ１（平顶调　制）为例分析如图６所示，为对应相同的一组由小　为平均电压；／７，　为瞬时电压。　图２使用平顶调制后的电机电压　Ｆｉｇ．２　Ｍｏｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｌｌ　ｆｌａｔ—ｔｏｐ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　图３，４显示三相电压源型变频器的系统拓扑　和ＤＰＷＭ脉冲的生成示意图【　。　＋　Ｒ　２　‘２　￡２　％　＝　Ｋ　Ｖ３ＪＫ　Ｖ５ＪＫ　＿　Ｓ　＿一　Ｔ　．Ｌ－　Ｄ　“ｃ　２　２　￡Ｚ　Ｕｄｃ：　。一ｖＪ２Ｋ　Ｖ４ＪＫ　Ｖ６ＪＫ　图３三相电压源型变频器系统图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　图４　ＤＰＷＭ脉冲生成　Ｆｉｇ．４　ＤＰＷＭ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　２．３　输出电压　对于ＳＶＰＷＭ，ＤＰＷＭ１和ＰＥＭ而言。线性调　制区调制指数　＝０．９０２，即在没有过调制的空间　矢量调制下，满载时变频器能达到的输出最大值　为０．９３５倍进线电压，但在文献［４】中讨论过，实际　上变频器的输出最大值约为０．９２倍进线电压。在　过调制区，随着参考电压的调整，可得到相应的参　考调制指数为：　Ｍｉ‘：　／（２　竹）　（１）　式中：　为参考调制波基波分量的峰值；　为逆变器直　流母排电压。　比较不同调制方式电压获得率可用式（２）得：　Ｇ＝Ｍｉ／ＭＩ’＝ＵＩｍ，　（２）　式中：　为逆变器输出相电压的基波幅值。　图５为不同调制方式的电压获得率。可得　到大变化的参考调制指数值时ＳＶＰＷＭ和　ＤＰＷＭ１的调制波形变化。由图可见：①在前３个　较小的　’时ＳＶＰＷＭ比ＤＰＷＭ１更早达到饱和　在此情况下电压输出无法继续提高：②随着参考　调制指数的增加．ＤＰＷＭ１比ＳＶＰＷＭ宽度增加的　更大，即更接近方波，输出电压更大。　０　０　０　０　（ａ）ＳＶＰＷＭ　）ＤＰＷｆＪｉｆｄ１　图６在不同　’下的过调制波形　＇　Ｆｉｇ．６　Ｏｖｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｖｅ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　‘　而ＰＥＭ的开关在输出电压半周期内有约　１２０。区间不动作，比ＤＰＷＭ１的开关不动作时间增　大近一倍，更加接近方波，输出电压也更大。　在实　际变频器中，通过采用ＰＥＭ，变频器的输出最大　值可提高到０．９７倍进线电压　、　原则上，通过ＳＶＰＷＭ及其过调带　也能使输　出电压高于Ｏ．９２倍进线电压，但需更大的埘。因　而实现的难度相对ＰＥＭ要大。　、　～，　２．４谐波及优化　线性调制区内逆变器输出电流的谐波主要集　中在载波频率和其边频带。逆变器电流的波形质　量由这些谐波在每个基波周期的方均根值决定。　对于注入不同零序信号的ＳＶＰＷＭ和ＤＰＷＭ　其　分别与不同调制深度值各自产生输出电压波形；　因此其谐波电流波形及方均根值也各不相同　，但　可以统一用谐波畸变率（ＨＤＦ）来衡量，－从文献【３］　中可推出谐波畸变率为：　ＨＤＦ（　）＝（２牝　肌／　）。　。　（３　）　。　式中：￡　为线间漏感　为载波频率；　为将总谐波电流方　均根值规格化成单相后的数值　’　．．　图７ａ为线性调制区　内．基于平均相同开关频　第５Ｏ卷第６期　２０１６年６月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏｌ＿５０．Ｎｏ．６　Ｊｕｎｅ　２０１６　率的ＨＤＦ比较（ＳＰＷＭ和ＳＶＰＷＭ），ＤＰＷＭ１由于　存在开关不动作区间，标称开关频率提高了１／２。　变频器为Ｖ／Ｆ控制模式，方波电压‰＝４７７　Ｖ；正　弦输出电流Ｉｒ￣ｓ＝８３．６　Ａ。可见，仅在方波的边缘部　在过调制区。随着调制波形中非调制部分的　增加，增加了大量副载波谐波（５次、７次等），且　随着波形越来越趋近六阶梯波．这些副谐波成为　分有开关动作。图８ｂ为变频器在平顶调制时的　波形。标准驱动应用，无编码器速度控制，开关频　率２．５　ｋＨｚ，可见，无开关动作区间比边缘调制小。　决定波形质量的主要成分。为衡量过调制区的谐　波，可采用加权总谐波畸变率的概念为：　．　■一　ＴＨＤ＝１００　＼／　（　一　（４）　式中：　为逆变器输出线电压的ｉ次谐波。　通过增加１，　的加权，可将变频器负载的电感　作用考虑在内，起到谐波的低通滤波作用。图７ｂ　为包含过调制区的不同调制方式的谐波比较。　４．５　羁　０．；　Ｍ　Ｍ　（ａ）谐波畸变率比较　（ｂ）加权总谐波畸变翠比较　图７谐波畸变率比较和加权总谐波畸变率　Ｆｉｇ．７　ＨＤＦ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　ＷＴＨＤ　ｏｆ　ＤＰＷＭ１　ａｎｄ　ＳＶＰＷＭ　决定了大部分电磁噪声的频谱分布，相应　的谐波电压为：　Ｖｊ￣－．ＵｍＣＯＳ（２＂ｒｆｒ￣Ｔ）　（５）　在ＰＥＭ中　，：随着输出频率而变化，是输出频　率的若干倍数（远低于ＳＶＰＷＭ的２　ｋＨｚ）。这样电　磁噪声和谐波电压频谱相应地变化，不再集中在　某一固定．　下，从而可大幅减小特定频率的噪声。　由于ＰＥＭ的调制波和ＳＶＰＷＭ相比更接近梯形　波，该，：的降低对谐波结果的影响也相应较小。　２．５　ＳＶＰＷＭ到不连续调制的切换　从ＳＶＰＷＭ切换到ＰＥＭ的条件设定为输出频　率２８　Ｈｚ以上。输出电压９２％以上，这样可确保在　适当的高调制指数时采用ＰＥＭ。即便如此，转换　时仍会产生小幅转矩波动，因此边缘调制应该仅　用于对动态性能和转矩精度要求较低的驱动中，　例如风机和泵类，且仅用于矢量和Ｖ／ｆ控制模式，　通常用于驱动异步电机。但如前所述，ＳＶＰＷＭ过　调制的电压利用率比ＰＥＭ低，若要获得相同的功　率输出，需选择较大功率的变频器。　３　实　验　在实际变频器上选择不同的调制方式，记录　电压、电流和转矩波形以及切换过程。图８ａ中的　９６　图８ｃ中上半部分波形从上到下分别为实际输出　电压，‰＝４３８　Ｖ；实际输出电流，　＝６０　Ａ和输　出转矩的检测信号。图８ｄ与图８ｃ结构类似，只是　实际输出电流，舳＝６３５　Ａ，且转矩跳动幅度比从　ＳＶＰＷＭ切换到ＰＥＭ小。　墨　ｕ．。ｌ　蝗　ｌ＃ｏ　＞　＝＝＝　●－＇｛　＝＝＝＝＝＝：　０　０　￡　ｔ／（４　ｍｓ／格）ｔ／（４　ｍｓ／格）　（ａ）边缘调制的实际输出电压、电流　（ｂ）平顶调制的实际输出电压　磐　萋喜　（ｃ）ＳＶＰＷＭ切换到边缘调制（ｄ）ＳＶＰＷＭ线性区切抉到过调制　图８实验波形　Ｆｉｇ．８　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｗａｖｏｆｏｒｍｓ　４　结　论　通过对边缘调制和平顶调制的高电压获得　率、谐波和优化以及调制模式切换的研究，可对变　频器的高性能设计与应用产生直接帮助。　参考文献　［１］李永东．交流电机数字控制系统［Ｍ］．北京：机械工业　出版社，２０１２．［Ｍ】．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｐｒｅｓｓ，２０１２．　［２】Ｙｕｎｘｉａｎｇ　Ｗｕ，Ｍｏｈｓｉｎ　Ａ　ｓｂａ｛ｉ，Ａｎｄｒｅｗ　Ｍ　Ｋｎｉｇｈｔ，ｅｔ　ａ１．　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ａｎｄ　Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎ—　ＵＯＵＳ　ＰＷＭ　Ｓｃｈｅｍｅｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌｏｓｓｅｓ　ｏｆ　Ｖｏｌｔａｇｅ—ｓｏｕｒｃｅｄ　Ｉｎｖｅ￣ｅｍ　ｆｏｒ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ　Ｄｒｉｖｅｓ【Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，２６（１）．　［３］Ａｈｍｅｔ　Ｍ　Ｈａｖａ，Ｒｕｓｓｅｌ　Ｊ　Ｋｅｒｋｍａｎ，Ｔｈｏｍａｓ　Ａ．Ｌｉｐｏ．Ａ　Ｈｉｓｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ＰＷＭ　Ａｌｇｏｒｉｈｔｍ　【Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｅａｔｉｏｎ，１９９８，３４（５）．　【４】　Ｓｉｅｍｅｎｓ　ＣｏｍｐａｎｙＳＩＮＡＭＩＣＳ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｎｕａｌ［Ｚ￣ｈｔｔｐ：　／／ｗｗｗ．ｓｉｅｍｅｎｓ．ｃｏｍ／ｓｉｎａｍｉｅｓ．２００６，１０．　［５］安少亮，孙向东，陈樱娟，等．一种新的不连续ＰＷＭ统　一化实现方法【Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２，３２（２４）．　［６】Ａｈｍｅｔ　Ｍ　Ｈａｖａ，Ｒｕｓｓｅｌ　Ｊ　Ｋｅｒｋｍａｎ，Ｔｈｏｍａｓ　ＡＬｉｐｏ．Ｃａｒ－　ｔｉｅｒ－Ｂａｓｅｄ　ＰＷＭ—ＶＳＩ　Ｏｖｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ：Ａｎａｌｙｓｉｓ，　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ａｎｄ　ＤｅｓｉｇｒＯ］ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｇ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　１９９８，１３（４）：６７４—６８９．