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补充 | SVPWM部分概念说明

补充 | SVPWM部分概念说明

之前有一期内容彻底吃透SVPWM调制技术SVPWM作了全方位的分析。

本期对后台交流得比较多的一些概念作补充说明。

载波比

载波频率fc:即功率开关管的开关频率(pwm频率);

调制波频率fm:即输出的基波频率(电机电频率);

载波比N:载波频率和调制波频率的比值,N=fc/fm,通常建议大于10

载波比表征单个基波周期里包含多少个开关周期。载波比越高,脉冲密度越大,输出电流的谐波越小,波形越正弦但开关损耗也越大。

对于高速电机fm很高,而fc受限于控制管开关频率上限),载波比往往降到很低N<10),这时必须精心选择调制策略来保证波形质量。

选择一个合适的载波比,本质上是在输出电流波形直流,控制环路延迟和开关损耗三者之间作一个工程经验的平衡点。

最大相电压

由下面左边的等效电路图可知,最大相电压Um_max2/3Udc(其中Udc为直流母线电压)。对应右图svpwm合成矢量最大长度(中点到等边六边形顶点长度)。

要输出完全不失真的正弦波,电压空间矢量的轨迹必须是一个理想的圆,这个圆最大只能与六边形的各边相切,也就是内切圆,此时svpwm处于线性调制区

一旦矢量长度超过内切圆半径,轨迹就会碰到六边形边界,电压波形开始被削顶,进入过调制。

内切圆半径就是svpwm能输出的最大不失真相电压幅值Um_limit

Um_limit=Um_max*cos30°=Udc/sqrt(3)

spwm能输出的最大不失真相电压幅值则为Udc/2

调制比

调制比m逆变器输出最大相电压幅值Um与直流母线电压幅值Udc的比值为调制比,它直接影响逆变器的性能和电压利用率

在计算调制比m时,业界一般有两种计算方式,区别只是归一化的基准不同,本质是描述同一个物理量。

方式一:以spwm最大不失真相电压Udc/2为基准,m=Um/(Udc/2)

在各自线性调制区内:spwm最大调制比=1.0;svpwm最大调制比=(Udc/sqrt(3))/(Udc/2)=2/sqrt(3)=1.1547

也就是内切圆调制比为1.1547,而spwm甚至没有到内切圆,明显电压利用率低于svpwm

svpwm过调制区内(外接圆):svpwm最大调制比=(Udc*2/3)/(Udc/2)=4/3=1.333

调制比大于1.1547,软件算出的理想调制波就会有一部分超过载波幅值,占空比自动限制在100%0%,造成电压波形被削顶。这个过程牺牲了正弦度,换取了基波电压的继续增加。

当调制比达到约1.2732(相电压幅值Udc*2/pi时,输出波形彻底变为六阶梯波,基波电压达到物理极限。

方式二:以svpwm最大不失真相电压Udc/sqrt(3)为基准,m=Um/(Udc/sqrt(3))

在线性调制区内(内切圆):svpwm最大调制比=1.0

在过调制区内(外接圆):svpwm最大调制比=(Udc*2/3)/(Udc/sqrt(3))=2/sqrt(3)=1.1547

方式一便于跨调制策略对比,较为常用。方式二仅便于svpwm内部算法归一化。

5/7svpwm

7svpwmCPWM——连续pwm):每次开关状态转换时,只改变其中一相的开关状态,并且对零矢量在时间上进行平均分配,使得产生的pwm对称,有效降低pwm的谐波分量。在一个开关周期Ts内,供6次开关切换。

下面两张图分别为7段式的三相占空比波形和id电流波形。

5svpwmDPWM——不连续pwm):某相开关器件在对应个扇区状态下维持不变,使得一个开关周期只有4次开关切换。牺牲谐波性能,换取更低的开关损耗。谐波更高的根源在于一个基波周期里,存在长达一个扇区开关空白区,导致电流纹波大幅增加。

下面两张图分别为5段式的三相占空比波形和id电流波形。

总结就是7段式的电流波形更接近正弦波,谐波干扰少,但是开关次数多,开关损耗大;5段式在一个pwm周期内开关次数减少1/3,降低功率器件发热程度,但是电流谐波干扰也更大。

单电阻采样受限于采样窗口的构造(可查阅单分流电流采样和重构策略),不建议使用5段式,只能使用7段式。双三电阻可以使用5段或7段式。

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