運控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)

運動控制系統(tǒng)第2篇交流調(diào)速系統(tǒng)第2講電壓空間矢量SVPWM控制技術(shù)1可編輯ppt4.2交流PWM變頻技術(shù)4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)P153序

前述正弦SVPWM控制方式，追求的目標(biāo)是使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波形，未考慮輸出電流的實際波形；電流跟蹤C(jī)FPWM控制方式使輸出電流接近正弦波形，但電流是在目標(biāo)正弦波曲線上下波動變化。為使電動機(jī)平滑穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，根本目標(biāo)應(yīng)是在電動機(jī)氣隙空間形成“正圓形”的旋轉(zhuǎn)磁場，具備恒定電磁轉(zhuǎn)矩的運行狀態(tài)。電機(jī)的“旋轉(zhuǎn)磁場運動軌跡曲線”：定子磁場的磁鏈?zhǔn)噶坷@空間軸旋轉(zhuǎn)，矢量終端在空間的軌跡曲線的形狀表征旋轉(zhuǎn)磁場是否平穩(wěn)，即是否成“正圓”。如果非正圓，說明磁鏈的大小在一周有波動，電磁轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)。把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，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SVPWM控制”。2可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)P1531.定子相電壓空間矢量的定義交流電動機(jī)繞組的各相相電壓量是隨時間變化的正弦量，把它們定義成矢量，并與電機(jī)繞組的空間位置結(jié)合起來，放在空間位置坐標(biāo)系中來分析矢量在空間的運動(取轉(zhuǎn)子軸線法平面建立坐標(biāo)系)，叫“空間矢量分析法”。

3可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)P153“合成電壓空間矢量”的定義：三相定子電壓空間矢量uAO、uBO、uCO相加得到的合成矢量us是一個隨時間旋轉(zhuǎn)的空間矢量，其轉(zhuǎn)速=電源角頻率ω1。

其幅值固定不變，是相電壓幅值的3/2倍。

us可用下面數(shù)學(xué)推導(dǎo)獲得：4可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)2.電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系P154與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈的合成空間矢量Is和Ψs。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降在上式中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為

合成磁鏈空間矢量端點的運動軌跡：當(dāng)電動機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時，電動機(jī)定子合成磁鏈?zhǔn)噶康姆岛愣?，在空間繞轉(zhuǎn)子軸線恒速旋轉(zhuǎn)，其端點的運動軌跡呈圓形(一般簡稱為“磁鏈圓”)。這樣的定子磁鏈合成旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示：

5可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系(續(xù))P154合成磁鏈空間矢量與合成電壓空間矢量(兩個旋轉(zhuǎn)矢量)端點運動軌跡的關(guān)系:如下左圖所示，當(dāng)合成磁鏈空間矢量在空間旋轉(zhuǎn)一周時，合成電壓空間矢量也連續(xù)地按合成磁鏈空間矢量端點軌跡圓的切線方向運動一周。把合成電壓空間矢量的參考點重合放在一起，則電壓空間矢量端點的運動軌跡也是一個園。這樣，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。6可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)3.三相PWM逆變器的基本輸出電壓矢量P155

常規(guī)的6開關(guān)的PWM變壓變頻器，如果采用180°導(dǎo)通型，任何時刻總是有三只開關(guān)管導(dǎo)通，輸出六拍階梯波的三相逆變交流電。每一拍的合成電壓空間矢量叫“基本輸出電壓矢量un”。加上三只上管同時導(dǎo)通和三只下管同時導(dǎo)通的兩個無效狀態(tài)(逆變器沒有輸出)，共計有8個開關(guān)狀態(tài)如下表所示。對于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔/3時刻就切換一次工作狀態(tài)(即換相)，而在這/3時段內(nèi)則保持輸出不變。

7可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場P156輸出六拍階梯波的6開關(guān)的PWM變壓變頻器在電機(jī)中形成的旋轉(zhuǎn)磁場非正圓，分析如下：①工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量設(shè)工作周期從代碼100狀態(tài)開始，這時VT6、VT1、VT2導(dǎo)通，其等效電路如圖所示。各相對直流電源中點O’的電壓都是幅值為

UAO’=Ud/2，UBO’=UCO’=-Ud/2設(shè)三個對O’點的電壓合成空間矢量為u1，其幅值等于Ud，空間方向沿A軸(即X軸)。8可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157②工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量這時VT1、VT2、VT3導(dǎo)通，其等效電路如圖所示。各相對直流電源中點O’的電壓都是幅值為

UAO’=UBO’=Ud/2，UCO’=-Ud/2三個對O’點的電壓合成空間矢量u2，其幅值等于Ud，空間方向60°9可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157

依此類推，隨著變頻器6個工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn)/3，直到一個周期結(jié)束。這樣，在一個周期中共有6個方向和大小均固定的基本電壓空間矢量依次作用，在空間形成一個封閉的正六邊形，如右圖藍(lán)色的6個首尾相接的矢量所示。若把它們的起點重合在一點，則6個矢量呈六向放射狀如右圖紅色的6個矢量。兩種電源在電機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)磁場的區(qū)別：

平衡三相正弦電源：三相正弦電壓空間矢量是方向固定而幅值隨時間的正弦規(guī)律連續(xù)變化形成旋轉(zhuǎn)磁場，合成磁鏈空間矢量是正圓形的。

6開關(guān)變頻器六拍三相電源：在電機(jī)中由方向和大小均恒定的6個基本電壓空間矢量順次作用形成旋轉(zhuǎn)磁場，合成磁鏈空間矢量是正六邊形的。即：在6個/3區(qū)間的每個區(qū)間內(nèi)，合成電壓空間矢量方向固定，大小=Ud。10可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157由六個基本電壓空間矢量依次作用所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\動軌跡。進(jìn)一步說明如下：

這樣在/3的時間

t內(nèi)結(jié)束時得到如圖所示的新的磁鏈

2。依此類推，可得6個磁鏈空間矢量

n，把它們的起點放在O點，其端點的運動軌跡就是6個電壓空間矢量所圍成的非圓正六邊形。即旋轉(zhuǎn)磁場是6脈動的。11可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157如果u1的作用時間

t小于/3，則

1的幅值也按比例隨

t的減小而減小，如圖中的矢量?？梢姡谌魏螘r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間?？梢缘玫降慕Y(jié)論:如果交流電動機(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，這顯然不如由正弦波供電時所產(chǎn)生的恒定正圓形旋轉(zhuǎn)磁場那樣能使電動機(jī)獲得均勻穩(wěn)定的運行性能。如果想獲得更多邊的多邊形去逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須在每一個期間內(nèi)增加切換次數(shù)，使有更多個工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此，必須對逆變器的控制模式進(jìn)行改造：如三段逼近法，比較判斷法等，下面介紹“基本電壓矢量線性組合”的方法。12可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場為了討論方便起見，可把逆變器的一個工作周期用6個電壓空間矢量劃分成6個區(qū)域，稱為扇區(qū)(Sector)，如圖所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每個扇區(qū)對應(yīng)的時間均為/3。由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對稱的，分析一個扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。

13可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))在常規(guī)六拍逆變器中每個扇區(qū)僅包含兩個開關(guān)工作狀態(tài)(兩個基本電壓空間矢量)。把每一扇區(qū)再均分成若干個對應(yīng)于時間T0的小區(qū)間，插入這兩個開關(guān)工作狀態(tài)的若干個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。在每個T0的小區(qū)間內(nèi)，分別讓u1作用時間=t1，讓u2作用作用時間=t2

(非嚴(yán)格同時作用的合成)。如圖表示由電壓空間矢量u1和u2的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量us。磁鏈增量由圖中的

11，

12，

13，

14這4段組成。在每一段T0的換相周期內(nèi)，用兩個矢量之和(u1+u2)表示由兩個矢量線性組合后的電壓矢量us，新矢量的相位為

。14可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))

在一個T0周期內(nèi)，設(shè)u1和u2的作用時間分別是t1和t2。由圖可以看出：

15可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))

16可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))(1)零矢量集中的實現(xiàn)方法。P160實現(xiàn)方法1:將兩個基本電壓矢量u1和u2的作用時間t1、t2平分為二，安放在開關(guān)周期T0的首、尾，將零矢量的作用時間放在中間，按開關(guān)損耗小的原則中間零矢量取u7(111)。17可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))(1)零矢量集中的實現(xiàn)方法。P160實現(xiàn)方法2:將兩個基本電壓矢量u1和u2的作用時間t1、t2平分為二，安放在開關(guān)周期T0的首、尾，將零矢量的作用時間放在中間，按開關(guān)損耗小的原則中間零矢量取u8(000)。18可編輯ppt4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))P157用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))(2)零矢量分布的實現(xiàn)方法。P169將零矢量平均分成四份，在開關(guān)周期T0首、尾各放一份，中間放兩份。再將兩個基本電壓矢量u1和u2將的作用時間t1、t2平分為二，插在零矢量之間。按開關(guān)損耗小的原則，首、尾兩個零矢量取u8(000)，中間兩個零矢量取u7(111)。19可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)用6個基本電壓矢量的線性組合方法獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(續(xù))如圖例：將π/3的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E等分成N等分(如N=4)，每個小區(qū)間的時間T0=π/(3ω1N)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為正6N(這里為24)多邊形。比起正6邊形的磁鏈?zhǔn)噶寇壽E諧波分量小，轉(zhuǎn)矩波動也小。這種按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場控制逆變器的工作方法叫“磁鏈跟蹤控制”，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SVPWM控制”。20可編輯ppt4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)(續(xù))SVPWM控制模式特點小結(jié)：

①逆變器的一個工作周期分成6個扇區(qū)，每個扇區(qū)相當(dāng)于常規(guī)六拍逆變器的一拍。為了使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場逼近圓形，每個扇區(qū)再分成若干個小區(qū)間T0，T0越短，旋轉(zhuǎn)磁場越接近圓形，但T0的縮短受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。②在每個小區(qū)間T0內(nèi)雖有多次開關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只涉及一個功率開關(guān)器件，因而開關(guān)損耗較小。③利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡便。