直流电压利用率与过调制现象

时间：2023-06-15 理论教育版权反馈

【摘要】：提高逆变电路的直流电压利用率、减少开关次数也是很重要的。一般情况下，过调制增大了输出电压，从而进一步提高电压利用率。图4-21 幅值跟随调制策略和相电压波形图4-22 幅值跟随策略：αh与MI关系由此可见，过调制策略提高了电压利用率，同时使平均电压空间矢量不再是圆形轨迹，波形发生了畸变。

直流电压利用率与过调制现象

逆变电路输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的基本标志，但不是唯一的标志。提高逆变电路的直流电压利用率、减少开关次数也是很重要的。

1.调制度的定义与直流电压利用率

PWM最大调制度决定着直流电压利用率。定义PWM的调制度MI为

式中 U^∗———相电压参考值。

下面，依据调制度的定义来分析六拍阶梯方式、SPWM方式和SVPWM方式的直流电压利用率。由式（4-24）可以看出，在六拍阶梯波方式下，由式（4-9）得到

在SPWM方式下，由式（4-16）推导出U^∗=U_d/2，则

而在SVPWM方式下，由式（4-23）推导出（正六边形内切圆半径），则

比较式（4-25）、式（4-26）、式（4-27）得出：六拍阶梯波方式MI最大，即电压利用率最高，SPWM方式MI最小，则它的电压利用率最低，SVPWM方式MI在两种方式之间，它的直流电压利用率是SPWM电压利用率的函数为换句话说，SVPWM直流电压利用率比SPWM高了15%。

2.过调制度

电压利用率在某些应用场合（例如弱磁升速）影响是非常大的，基于普通的SVPWM调制策略虽然已经有较高的电压利用率，但并不能达到最大。一般情况下，过调制增大了输出电压，从而进一步提高电压利用率。通常将调制区域分为连续调制区域Ⅰ和过调制区域Ⅱ和Ⅲ，如图4-18所示。SVPWM调制区域由合成电压空间矢量U^∗轨迹决定：当U^∗的轨迹为圆形且幅值不超出六边形内切圆时，调制区域是连续的，图中表示为调制度区域Ⅰ；当U^∗处于内切圆和外接圆之间，图中表示为调制度区域Ⅱ，U^∗的幅值受到限制，轨迹也不再是连续的圆形，可以通过过调制策略使得其幅值达到要求；外接圆以外的区域图中表示为调制度区域Ⅲ，它是不能达到的，一般采用的就是“六拍方式”，即U^∗只沿着六边形的6个顶点进行旋转。

图4-18 SVPWM调制度区域示意图

基于图中调制度区域Ⅱ，学者提出了过调制策略，目前主要有两种实现方案：幅值跟随和相角跟随。所谓幅值跟随就是追求幅值的最大化，在相角上会与指令值有些差异；而相角跟随则是保证与指令电压相同的相角，但是在幅值上存在偏差。两种方式在过调制区域时，都采用了不同的调制函数，新的调制函数使基波幅值增大成为可能。相角跟随获得的过调制范围在0.906＜MI≤0.952，而幅值跟随获得的过调制范围在0.952＜MI≤1.0。

图4-19 相角跟随调制策略和相电压波形

图4-19给出了相角跟随调制策略和相电压波形。图中，U^∗进入调制度区域Ⅱ，与六边形相交，如图中虚线所示，六边形把以U^∗为半径的圆轨迹分成A、B、C、D段。由于受到物理限制，电压值是达不到A段和C段的，电压矢量最大只能落在六边形上。相角跟随过调制策略是在A段和C段补偿幅值，但是相角不变化，等效补偿后的电压幅值为U^∗_c，如图中实线所示。假定按图中θ=ωt方向由0到π/2旋转，α_r由U^∗_c与六边形的交点确定，于是调制后实际的电压轨迹应为A段（ab直线），B段（bc弧线），C段（cd直线）和D段（de弧线），每段对应的相电压波形函数依次为f₁，f₂，f₃和f₄。

每段的相电压方程可写为

式（4-29）～式（4-32）中，0≤α_r≤π/6。

因此，按式（4-6）得到相角跟随策略下的基波幅值函数为

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再由式（4-24）可得

于是得出MI与α_r的关系如图4-20所示。

图4-21给出了幅值跟随调制策略和相电压波形。图中，U^∗进入调制度区域Ⅱ，与六边形相交，如图中虚线所示，六边形把以U^∗为半径的圆轨迹分成A、B、C、D段。幅值跟随过调制策略是在整个过程中追求幅值最大化，这样相角相应要发生变化。在A段，U^∗幅值受限制后，为了保持幅值不降低，相应补偿后为U^∗_r，此时相角发生了变化，对应的关系为