电力电子技术【王兆安-第五版】第6章-PWM控制补充技术

6.4电压空间矢量脉宽调制方法简称：空间矢量调制（SVPWM,SpaceVectorPulseWidthModulation）应用范围：三相全桥逆变器，采用全控型开关器件，例如IGBT,GTO,IGCT等。应用非常广泛的一种PWM控制方法，尤其在三相电动机变频调速控制系统中最为常用，其它应用有PWM整流器，有源电力滤波器等。6.4电压空间矢量脉宽调制方法引言6.4.1180o导通模式下的逆变器电压空间矢量6.4.2三相对称交流量空间矢量定义6.4.3电机磁链空间矢量与电压矢量的关系6.4.4六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场6.4.5电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制小结本节习题6.4电压空间矢量脉宽调制方法•引言图1.0三相逆变器异步电机变频调速系统主电路二极管整流器三相PWM逆变器怎么样才能得到所需的IGBT驱动控制信号？PWM驱动控制信号（共6路）常见的PWM方法有：SPWM，SAPWM，SVPWM，滞环比较方式等。三相交流电源M~UVW6.4电压空间矢量脉宽调制方法•引言三相桥式PWM型逆变器SVPWM控制器uwuvuu交流电动机UVWUd三相PWM型逆变器-交流电动机系统框图（开环）（参考图6-7）6路驱动脉冲三相交流输出电压控制电压输入信号主电路的功率放大作用6.4电压空间矢量脉宽调制方法•引言☺传统（经典）的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。☺如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，接下来的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。这是一种在80年代提出，现在得到广泛应用的三相逆变器PWM控制方法。6.4.1180o导通模式下的逆变器电压空间矢量UdU10U10U三相逆变器主电路桥臂简化和每相输出电流的方向无关主电路原理图简化表示三相逆变器-异步电动机变频调速系统主电路原理图（一）交流电机IMV1V3V5V2V4V6N′NUVW2dU2dU功率开关器件共有23=8种，组合工作状态主电路原理图简化表示三相逆变器-异步电动机变频调速系统主电路原理图（二）交流电机IMSUN′N2dU2dUSVSW功率开关器件共有23=8种，组合工作状态逆变器的8种工作状态①100②110③010④011⑤001⑥101⑦000⑧111开关工作状态如果，上述图中的逆变器采用180°导通型，功率开关器件共有23=8种组合工作状态（见附表），其中6种有效开关状态；2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：上桥臂开关V1、V3、V5全部导通下桥臂开关V2、V4、V6全部导通三相电压型全桥逆变器桥臂输出电压波形三相电压型全桥逆变器负载相电压波形（六拍阶梯波）负载中性点电压波形三相桥臂输出状态uUN′uVN′uWN′ooooωtωtωtωtUd/2Ud/2Ud/2Ud/2Ud/2oωtoωtoωtUd/6uNN′uUNuVNuWNUd/32Ud/3Ud/32Ud/32Ud/3Ud/32Ud/32Ud/32Ud/3Ud/3Ud/3Ud/32πUd/6110010011001101100110Ud/21002Ud/32π0100110012Ud/3Ud/6Ud/6101开关状态表开关代码：表示三相桥臂输出状态；1—上管导通，下管关断，桥臂输出高电平0—下管导通，上管关断，桥臂输出低电平序号开关状态开关代码1VT6VT1VT21002VT1VT2VT31102VT2VT3VT40104VT3VT4VT50115VT4VT5VT60016VT5VT6VT11017VT1VT3VT51118VT2VT4VT6000开关控制模式对于六拍阶梯波工作模式下的逆变器，在其输出的每个周期中6种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔/3时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/3时刻内则保持不变。工作于这种模式下的逆变器，我们通常把它简称为六拍逆变器。逆变器输出电压空间矢量的定义2433sUNVNWN2()3jjUUUeUe六拍阶梯波逆变器输出的各电压波形如前所示。如果定义电压空间矢量为：sU则根据前述六拍阶梯波工作模式下的6种工作状态，可以分别推导得出6个电压空间矢量：Us1,Us2,Us3,Us4,Us5和Us6；Us7和Us8幅值为零，称为零电压矢量，简称零矢量为何有此定义？逆变器的6个输出电压空间矢量s1ds2ds3d23213()322213()322UUUUjUUjs4ds5ds6d23213()322213()322UUUUjUUj由6个电压空间矢量形成的电压空间矢量图Us0，零电压矢量，含两种状态，包括Us7（000）和Us8（111），不输出电压。Us1(100)Us2(110)Us3(010)Us4(011)Us5(001)Us6(101)Us0(000)Us0(111)ImRe电压空间矢量图（简化表示）000，111，两个零电压矢量，不输出电压。100110010011001101000111ImRe6.4.2三相对称交流量空间矢量定义交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0。图三相对称交流量的电压空间矢量定义电压空间矢量的相互关系定子电压空间矢量：uA0、uB0、uC0的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120°。合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。三相电压经过空间矢量合成后等效为一个空间矢量的概念，实质上就是一种由三相信号到两相信号的变换。ambmcmcos2cos()32cos()3uUtuUtuUt令三相电压为：2433abcjjuueue计算：2433abc2433mmmmmm22coscos()cos()33213213[coscos()()cos()()]3223223[(cossin)]232jjjjjtuueueUtUteUteUttjtjUtjtUe前述电压空间矢量定义中采用了2/3系数，实际上就是考虑到使得变换后的矢量长度变为1，即所谓的等幅值变换。电压空间矢量的相互关系当电源频率不变时，合成空间矢量us以电源角频率1为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量us就落在该相的轴线上。用公式表示，则有sA0B0C02()3uuuu与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量Is和Ψs。电压空间矢量的合成思想Us1(100)Us2(110)Us3(010)Us4(011)Us5(001)Us6(101)ImRerefVUs7(000)Us8(111)V1V2θVref为期望的输出电压空间矢量6.4.3电机磁链空间矢量与电压矢量的关系三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为tRddssssΨIu式中us—定子三相电压合成空间矢量；Is—定子三相电流合成空间矢量；Ψs—定子三相磁链合成空间矢量。近似关系当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分（比例）很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为tddssΨutdssuΨ或磁链轨迹当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。tj1eΨmsΨ其中Ψm是磁链Ψs的幅值，1为其旋转角速度。由前述两式可以得到)2π(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjΨΨjΨtu上式表明，当磁链幅值一定时，电压矢量的大小与供电电压角频率成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。图旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹主电路原理图简化表示三相逆变器-异步电动机变频调速系统主电路原理图交流电机IMV1V3V5V2V4V6N′NUVW2dU2dU功率开关器件共有23=8种，组合工作状态6.4.4六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场每个周期的六边形合成电压空间矢量在180o导电模式下的六拍阶梯波作用下，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到一个周期结束。这样，在一个周期中6个电压空间矢量共转过2弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。U1U2U3U4U5U6U7U8参考前述电压空间矢量图定子磁链矢量端点的运动轨迹电压空间矢量与磁链空间矢量的关系一个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹。对于这个关系，进一步说明如下：图六拍阶梯波逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系设在逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为1，在第一个/3期间，电动机上施加的电压空间矢量为空间矢量矢量图中的u1，把它们再画在右图中。按照磁链和电压关系式可以写成如下：U1U2U3U4U5U6U0ImRe123456也就是说，在/3所对应的时间t内，施加u1的结果是使定子磁链1产生一个增量，其幅值|u1|与成正比，方向与u1一致，最后得到新的磁链2，从而11Ψut112依此类推，可以写成的通式iiΨutii1i6,2,1i总之，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系如果u1的作用时间t小于/3，则i的幅值也按比例地减小，如图中的矢量。可见，在任何时刻，所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。AB图磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系6.4.5电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制如前分析，我们可以得到的结论（特点）是：如果定子电压是连续变化的正弦量，则合成后的电压空间矢量us为连续的圆形轨迹，而六拍阶梯波电压合成后的电压空间矢量为离散的6个点。如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，必须对逆变器的控制模式进行改造。圆形旋转磁场逼近方法PWM控制显然可以适应上述要求，问题是，怎样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。科技工作者们已经提出过多种实现方法，例如线性组合法，三段逼近法，比较判断法等，这里介绍线性组合法。基本思路图逼近圆形时的磁链增量轨迹如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由图中的11，12，13，14这4段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分（比例）很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为tddssΨutdssuΨ或我们