改善变频器性能的技术方法

　早期的PWM调制方法基本上是通过硬件电路模拟产生，主要以正弦波脉宽调制为主，后来发展到模拟和数字电路混合控制，当前的调制技术基本上是通过软件算法直接实现的，软件实现有着非常明显的优势：程序编写灵活，修改方便，在相同的硬件条件下可以实现多种调制策略，同时维护方便，抗扰性强。从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转距脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。PWM控制技术从控制思想上分，可以分四类，即等宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法。近几年新近提出的不连续的SVPWM方法和随机PWM方法在这里作为重点加以介绍。

　　1 SPWM法

　　WM法从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。具体方法是以一个正弦波作为基准波（称为调制波），用一列等幅的三角波（称载波）与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。为了提高逆变器的输出电压幅值，针对SPWM法，人们提出了准优化 PWM法，即三次谐波叠加法。在正弦波中注入一定比例的三次谐波后，调制波的幅值大大降低，在调制波没有过调制的情况下，可使基波幅值超过三角波幅值，实现调制系数大于1的调制。在这种调制方式下，最大调制比可提高到1.15左右，相应直流母线电压的利用率最大可提高15%。

　 3.2 SVPWM法

　磁链追踪型PWM法又称为电压空间矢量脉宽调制（SVPWM），与SPWM 法不同，它是从电动机的角度出发的，着眼点在于如何使电动机获得圆磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链因为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，形成PWM波。逆变器的开关模式有8个空间电压矢量，其中V0、V7为零电压矢量。SVPWM不仅使得电机转距脉动降低，电流波形畸变减少，而且与SPWM技术相比直流母线电压利用率有很大提高，在这种调制模式下直流母线电压的利用率最大可提高15%，并易于数字实现。

3.3 不连续的SVPWM策略（DHPWM）

　 不连续的SVPWM方法是近几年提出的一种新颖的电压空间矢量脉宽调制策略，国外文献称为不连续的SVPWM策略（DHPWM），国内有些文章称为混合型调制策略（HPWM）或低开关损耗模式调制。对于连续PWM调制方法，三相调制波都位于其对应载波的峰值之间，因此，所有的连续PWM调制方法，其逆变器的开关损耗都是相同的，且与负载电流的相角无关。降低开关损耗最简单的方法就是使开关器件不动作，或者在一个周期中尽量少动作。传统的SVPWM 方法中零矢量（V0和V7）的位置在脉宽生成中是对称存在的，零矢量的导通时间相等。而且位置是固定的，不能改变。如果保持有效导通矢量的时间不变，这样合成的空间电压矢量有效值不会受到影响，同时改变零矢量V0和V7在脉冲分配中的位置，使开关动作的次数减少，这就是不连续的SVPWM方法。零矢量的分配和位置不同就会有不同的调制效果。如果在三个相邻矢量所夹扇区固定选用一个适当的零矢量，可使每一组在一个周期内有120º的扇区内不开关。每相不开关范围是连续的120º的区域，因而导致上下桥臂的开关损耗不一致，波形畸变比SVPWM要大很多。如果在相邻的60º区间选用不同的零矢量，这样有三种零矢量的分配方案。实际应用中应该尽量使每相开关器件在负载电流较小的区间内开关。安排大的负载电流在不开关的扇区内，这种不仅可以减少开关次数，同时还可以有效降低开关器件的最大开关电流，从而使开关损耗最小。该方法可以将开关次数减少到原来SVPWM的1/3，极大的降低了开关损耗，同时由于插入零矢量的位置改变了逆变器的续流过程，对抑制电流波形的振荡和失真也有一定的效果。在工程中对该方法调制时的死区效应补偿技术的实现存在一定的困难。一种行之有效的方法是在每个扇区内对有效导通主矢量的补偿。

　3.4 随机脉宽调制技术（RPWM）

　 在变频器供电的交流传动系统中，噪声问题长期以来一直受到人们的关注，在某些低噪声的场所变频器和电动机发出的噪声令人难以忍受。变频器噪声主要由逆变器所采用的脉宽调制方法所致。在一般的PWM方法中，逆变器的功率开关是以“确定的”方式通断的，这种控制方式虽然可以很好地抑制电压波形中的低次谐波，但却将产生某种幅值很大的高次谐波，这些谐波主要集中在一倍和两倍的载波频率附近，它们将产生明显的噪声和振动。近年来出现的随机脉宽调制（RPWM）为解决逆变器的噪声问题提供了一种全新的思路。随机PWM的基本思想是用一种随机的开关策略代替常规PWM中固定的开关模式，以使逆变器输出电压的谐波频谱均匀地分布在一个较宽的频率范围内，达到抑制噪声和机械振动的目的。目前有三种可行的RPWM方案：

　　（1） 随机化开关频率 即在传统的SPWM中，使三角载波的斜率随机变化，那么每周的开关次数可随机变化，从而达到开关频率随机的目的。

　　（2） 随机化脉冲位置 在这种方案中，随机量是开关信号脉冲在每个通断周期内的位置。最简单的是只有两位随机选择，一种在开始，一种在结束。

　　（3） 随机开关 随机波与正弦参考信号相比，比较的结果形成了数字RPWM信号。在现在有的空间矢量脉宽调制技术的基础上可以采用随机化脉冲位置的方法实现随机PWM。在上面优化的SVPWM中分析了零矢量位置的不同，会降低系统的开关损耗，如果采用随机的方法将这些优化的SVPWM随机调制，在每一个载波周期出现各种零矢量插入的位置不同，就会随机改变脉冲位置，实现随机PWM调制的目的。目前比较简单和实用的方法只有2个零矢量固定的方式随机切换，由一个随机函数产生一个随机的两种状态0和1，如果为0，将零矢量V0作用在开关周期的两头；如果为1，将零矢量V7作用在开关周期的中间。该方法实质上是两种低开关损耗调制的随机切换。 随机函数产生的状态随机性越好，切换的调制状态越多，系统的谐波能量就能更好的连续的分布，随机PWM的效果就会越好。但是同时算法实现的难度和对控制器的实时性要求也会提高。采用RPWM方法，可以有效的降低逆变器系统的噪声，同时将某些集中的离散的高频成分转化为连续的平均分布的频率成分，降低了向外传播的电磁干扰。

3.5 过调制技术

　 过调制技术主要是在空间矢量脉宽调制（SVPWM）基础上来实现的一种技术。对高性能交流传动系统来说，如何充分利用直流电压，以获得最大输出电磁转距是一个很重要的因素。尤其是在弱磁阶段时，为了获得足够的电压，有必要控制逆变器工作在过程调制范围。传统的SPWM控制时逆变器输出电压只能达到方波工况的78.54%，而空间矢量脉宽调制（SVPWM）能够将输出电压提高到方波工况时的90.69%，为了获得更大的输出电压，逆变器必须工作在过调制区，直至达到方波工况。目前学术界提出的空间电压矢量过调制方法有许多种，其算法的复杂程度和效果都各不相同。但是输出电压矢量调制方法实质上一般只有两种过调制方法：双模式控制，将过调制区间分为两个部分分别调制；单模式控制，即是将过调制区间作为一个整体控制。实质上单模式只是双模式的一种工程简化，因而实现简单，但是产生的基波电压相比双调制要低一些，谐波含量高。如果控制器的运算速度和存储空间足够，可以采用双模式控制，提高系统的输出特性。角度和调制比的关系可以离线获得存储在RAM中，或者在线采用拟合曲线进行计算得到。 4 结束语 本文讨论了控制策略和调制策略在改善变频器性能方面的若干技术和方法。这些方法可以在一个通用的硬件平台上全部由软件实现，有利于模块化和集成化。文中针对其中的一些技术问题进行了介绍和讨论，提出了一些相应的解决思路和方法，供大家探讨。