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文檔簡(jiǎn)介
電壓空間矢量PWMSVPWM控制技術(shù)演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
問(wèn)題的提出
經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波,并未顧及輸出電流的波形。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流,使之在正弦波附近變化,這就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步。然而交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)前第2頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
如果對(duì)準(zhǔn)這一目標(biāo),把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體,按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作,其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”,下面的討論將表明,磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的,所以又稱“電壓空間矢量PWM(SVPWM,SpaceVectorPWM)控制”。當(dāng)前第3頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)1.空間矢量的定義
交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的,分析時(shí)常用時(shí)間相量來(lái)表示,但如果考慮到它們所在繞組的空間位置,也可以如圖所示,定義為空間矢量uA0,uB0,uC0
。圖6-25電壓空間矢量
當(dāng)前第4頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
電壓空間矢量的相互關(guān)系定子電壓空間矢量:uA0
、uB0
、uC0
的方向始終處于各相繞組的軸線上,而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng),時(shí)間相位互相錯(cuò)開(kāi)的角度也是120°。合成空間矢量:由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量us是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量,它的幅值不變,是每相電壓值的3/2倍。當(dāng)前第5頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)電壓空間矢量的相互關(guān)系(續(xù))
當(dāng)電源頻率不變時(shí),合成空間矢量us以電源角頻率1為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí),合成電壓矢量us就落在該相的軸線上。用公式表示,則有(6-39)
與定子電壓空間矢量相仿,可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量Is和Ψs
。當(dāng)前第6頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)2.電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系
三相的電壓平衡方程式相加,即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為(6-40)
式中
us—
定子三相電壓合成空間矢量;
Is—
定子三相電流合成空間矢量;Ψs—
定子三相磁鏈合成空間矢量。
當(dāng)前第7頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
近似關(guān)系
當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí),定子電阻壓降在式(6-40)中所占的成分很小,可忽略不計(jì),則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為(6-41)
(6-42)
或
當(dāng)前第8頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
磁鏈軌跡
當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí),電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定,其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn),磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形(一般簡(jiǎn)稱為磁鏈圓)。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示。(6-43)
其中Ψm是磁鏈Ψs的幅值,1為其旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)前第9頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)由式(6-41)和式(6-43)可得(6-44)
上式表明,當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí),的大小與(或供電電壓頻率)成正比,其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?,即磁鏈圓的切線方向,當(dāng)前第10頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
磁場(chǎng)軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系
如圖所示,當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí),電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)2弧度,其軌跡與磁鏈圓重合。這樣,電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。圖6-26旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡當(dāng)前第11頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)3.六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)
(1)電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡在常規(guī)的PWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中,異步電動(dòng)機(jī)由六拍階梯波逆變器供電,這時(shí)的電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的呢?為了討論方便起見(jiàn),再把三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖繪出,圖6-27中六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件都用開(kāi)關(guān)符號(hào)代替,可以代表任意一種開(kāi)關(guān)器件。當(dāng)前第12頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
主電路原理圖圖6-27三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖
當(dāng)前第13頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)
如果,圖中的逆變器采用180°導(dǎo)通型,功率開(kāi)關(guān)器件共有8種工作狀態(tài)(見(jiàn)附表),其中6種有效開(kāi)關(guān)狀態(tài);2種無(wú)效狀態(tài)(因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒(méi)有輸出電壓):上橋臂開(kāi)關(guān)VT1、VT3、VT5全部導(dǎo)通下橋臂開(kāi)關(guān)VT2、VT4、VT6全部導(dǎo)通當(dāng)前第14頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)表當(dāng)前第15頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
開(kāi)關(guān)控制模式
對(duì)于六拍階梯波的逆變器,在其輸出的每個(gè)周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔/3時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)(即換相),而在這/3時(shí)刻內(nèi)則保持不變。當(dāng)前第16頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
(a)開(kāi)關(guān)模式分析
設(shè)工作周期從100狀態(tài)開(kāi)始,這時(shí)VT6、VT1、VT2導(dǎo)通,其等效電路如圖所示。各相對(duì)直流電源中點(diǎn)的電壓都是幅值為
UAO’
=Ud/2UBO’
=UCO’
=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2當(dāng)前第17頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)(b)工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量由圖可知,三相的合成空間矢量為u1,其幅值等于Ud,方向沿A軸(即X軸)。u1uAO’-uCO’-uBO’ABC當(dāng)前第18頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)(c)工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量
u1存在的時(shí)間為/3,在這段時(shí)間以后,工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110,和上面的分析相似,合成空間矢量變成圖中的u2
,它在空間上滯后于u1的相位為/3弧度,存在的時(shí)間也是/3
。u2uAO’-uCO’uBO’ABC當(dāng)前第19頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)(d)每個(gè)周期的六邊形合成電壓空間矢量
u1u2u3u4u5u6u7
u8
依此類推,隨著逆變器工作狀態(tài)的切換,電壓空間矢量的幅值不變,而相位每次旋轉(zhuǎn)/3
,直到一個(gè)周期結(jié)束。這樣,在一個(gè)周期中6個(gè)電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過(guò)2弧度,形成一個(gè)封閉的正六邊形,如圖所示。當(dāng)前第20頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)(2)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡
電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系一個(gè)由電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于這個(gè)關(guān)系,進(jìn)一步說(shuō)明如下:
當(dāng)前第21頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)圖6-29六拍逆變器供電時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系
設(shè)在逆變器工作開(kāi)始時(shí)定子磁鏈空間矢量為1,在第一個(gè)/3期間,電動(dòng)機(jī)上施加的電壓空間矢量為圖6-28d中的u1
,把它們?cè)佼?huà)在圖6-29中。按照式(6-41)可以寫(xiě)成當(dāng)前第22頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
也就是說(shuō),在/3
所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t內(nèi),施加u1的結(jié)果是使定子磁鏈1
產(chǎn)生一個(gè)增量,其幅值|u1|與成正比,方向與u1一致,最后得到圖6-29所示的新的磁鏈,而
(6-45)
(6-46)
當(dāng)前第23頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)依此類推,可以寫(xiě)成的通式(6-47)
(6-48)
總之,在一個(gè)周期內(nèi),6個(gè)磁鏈空間矢量呈放射狀,矢量的尾部都在O點(diǎn),其頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡也就是6個(gè)電壓空間矢量所圍成的正六邊形。當(dāng)前第24頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系
如果u1的作用時(shí)間t小于/3,則i
的幅值也按比例地減小,如圖6-30中的矢量??梢?jiàn),在任何時(shí)刻,所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向決定于所施加的電壓,其幅值則正比于施加電壓的時(shí)間。圖6-30磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系當(dāng)前第25頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)4.電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制
如前分析,我們可以得到的結(jié)論是:如果交流電動(dòng)機(jī)僅由常規(guī)的六拍階梯波逆變器供電,磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),這顯然不象在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣能使電動(dòng)機(jī)獲得勻速運(yùn)行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),就必須在每一個(gè)期間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài),以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此,必須對(duì)逆變器的控制模式進(jìn)行改造。當(dāng)前第26頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逼近方法PWM控制顯然可以適應(yīng)上述要求,問(wèn)題是,怎樣控制PWM的開(kāi)關(guān)時(shí)間才能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)??萍脊ぷ髡咭呀?jīng)提出過(guò)多種實(shí)現(xiàn)方法,例如線性組合法,三段逼近法,比較判斷法等[31],這里只介紹線性組合法。當(dāng)前第27頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
基本思路圖6-31逼近圓形時(shí)的磁鏈增量軌跡如果要逼近圓形,可以增加切換次數(shù),設(shè)想磁鏈增量由圖中的11
,12
,13
,14
這4段組成。這時(shí),每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣,可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。
當(dāng)前第28頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
線性組合的方法圖6-32電壓空間矢量的線性組合圖6-32表示由電壓空間矢量和的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量。
設(shè)在一段換相周期時(shí)間T0中,可以用兩個(gè)矢量之和表示由兩個(gè)矢量線性組合后的電壓矢量us
,新矢量的相位為。當(dāng)前第29頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)(1)線性組合公式
可根據(jù)各段磁鏈增量的相位求出所需的作用時(shí)間t1和t2
。在圖6-32中,可以看出(6-49)
當(dāng)前第30頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)(2)相電壓合成公式
根據(jù)式(6-39)用相電壓表示合成電壓空間矢量的定義,把相電壓的時(shí)間函數(shù)和空間相位分開(kāi)寫(xiě),得(6-50)
式中=120。當(dāng)前第31頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)(3)線電壓合成公式若改用線電壓表示,可得(6-50)
幾種表示法的比較:由圖6-27可見(jiàn),當(dāng)各功率開(kāi)關(guān)處于不同狀態(tài)時(shí),線電壓可取值為Ud、0或–Ud,比用相電壓表示時(shí)要明確一些。當(dāng)前第32頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
作用時(shí)間的確定這樣,根據(jù)各個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的線電壓表達(dá)式可以推出(6-52)當(dāng)前第33頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
比較式(6-52)和式(6-49),令實(shí)數(shù)項(xiàng)和虛數(shù)項(xiàng)分別相等,則當(dāng)前第34頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)解t1和t2
,得(6-53)
(6-54)
當(dāng)前第35頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
零矢量的使用
換相周期T0應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的頻率決定,T0與t1+t2未必相等,其間隙時(shí)間可用零矢量
u7或
u8來(lái)填補(bǔ)。為了減少功率器件的開(kāi)關(guān)次數(shù),一般使
u7和
u8各占一半時(shí)間,因此(6-55)
≥0當(dāng)前第36頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
電壓空間矢量的扇區(qū)劃分
為了討論方便起見(jiàn),可把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域,稱為扇區(qū)(Sector),如圖所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ,每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為/3。由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對(duì)稱的,分析一個(gè)扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。當(dāng)前第37頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
電壓空間矢量的6個(gè)扇區(qū)圖6-33電壓空間矢量的放射形式和6個(gè)扇區(qū)
當(dāng)前第38頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)在常規(guī)六拍逆變器中一個(gè)扇區(qū)僅包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)間T0的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個(gè)線性組合的新電壓空間矢量us,以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形(逼近圓形)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)前第39頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
開(kāi)關(guān)狀態(tài)順序原則
在實(shí)際系統(tǒng)中,應(yīng)該盡量減少開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)引起的開(kāi)關(guān)損耗,因此不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的順序必須遵守下述原則:每次切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí),只切換一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件,以滿足最小開(kāi)關(guān)損耗。
當(dāng)前第40頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
插值舉例
每一個(gè)T0相當(dāng)于PWM電壓波形中的一個(gè)脈沖波。例如:圖6-32所示扇區(qū)內(nèi)的區(qū)間包含t1,t2,t7和t8共4段,相應(yīng)的電壓空間矢量為u1,u2,u7和u8
,即100,110,111和000共4種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)前第41頁(yè)\共有46頁(yè)\編于星期三\5點(diǎn)
為了使電壓波形對(duì)稱,把每種狀態(tài)的作用時(shí)間都一分為二,因而形成電壓空間矢量的作用序列為:12788721,其中1表示作用u1
,2表示作用
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