第3章异步电动机变频调速系统

1、第第3章章变频调速系统变频调速系统 内内 容容 提提 要要n异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器n转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统3.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系11nnsn1(1)ns n或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 1160pfnn1fpn异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电，且无外率供电，且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械特性方程的机械特性方程式，

2、称作固有特式，称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图3-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性3.1.2异步电动机的调速方异步电动机的调速方法与气隙磁通法与气隙磁通l异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。速的目的。异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为可知，能够改变的参数可分为3类：类

3、：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 11/mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 异步电动机变压变频调速异步

4、电动机变压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn260601113.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 1111(1)ns nnsnnnl稳态速降稳态速降 1snn 随负载大小变化随负载大小变化 气隙磁通气隙磁通控制控制l只要控制只要控制14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运当异步电动机

5、在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。严重时还会因绕组过热而损坏电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 14.44SgsNmNEN kf常值l基频以下应采用电动势频率比为恒值的基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。控制方式。基

6、频以下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，压降，gsEU 基频以下调速基频以下调速 l低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。不一样。基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软通常在控制软件中备有不同件中备有不

7、同斜率的补偿特斜率的补偿特性，以供用户性，以供用户选择。选择。a无补偿无补偿 b带定子带定子电压补偿电压补偿图图3-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从向上升高，在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。持额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速变压变频调速 图图3-1 异步电动机变压变频调速的

8、控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性3.2 变压变频调速时的机械特变压变频调速时的机械特性性l基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式改写为22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs基频以下调速基频以下调速l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。2111210602

9、reeppsR TnsnsTnnU 基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。以增强带载能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTUn基频以上调速基频以上调速l电压不能从额定值再向上提高，只能电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可

10、写成保持不变，机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱降落越大，机械特性越

11、软，与直流电动机弱磁调速相似。磁调速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 基频以上调速基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时221123resmepsNR TPsPsTn U转差功率基本不变。转差功率基本不变。221eT常数变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于出转矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，在

12、基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。制方法具有控制简便的优点。l但负载的变化时定子压降不同，将导致但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。磁通改变，须采用定子电压补偿控制。l根据定子电流的大小改变定子电压，以根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。

13、保持磁通恒定。3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为了使参考极为了使参考极性与电动状态性与电动状态下的实际极性下的实际极性相吻合，感应相吻合，感应电动势采用电电动势采用电压降的表示方压降的表示方法，由高电位法，由高电位指向低电位。指向低电位。 图图 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感

14、应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够直接控制定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。通。 1/ fEssssEIRU1常值常值恒定子磁通控制恒定子磁通控制 恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。的分母小于恒压频比控制特性中的

15、同类项。l当转差率当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT不同控制方式的比较不同控制方式的比较 l恒压频比控制最容易实现，它的变频机械恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l异步电动机

16、变频调速需要电压与频率均可异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。一般称为变频器。电力电子变压变频器电力电子变压变频器l交交-直直-交变频器：先将恒压恒频的交流电交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。均为可调的交流，称作间接变频。l交交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需换为电压

17、与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。中间直流环节，称作直接变频。3.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器图图 变频器结构示意图变频器结构示意图a）交）交-直直-交变频器交变频器b）交）交-交交变频器变频器 脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术l现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（宽度调制（Pulse Width Modulation），简），简称称PWM。l基本思想是控制逆变器中电力电子器件的基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用

18、这样的高频脉一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。冲序列代替期望的输出电压。3.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路图图5 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图3.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路l左边是不可控整流桥，将三相交流电左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。整流成电压恒定的直流电压。l右边是逆变器，将直流电压变换为频右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。率与电压均可调的交流电。l中间的滤波环节是为了减小直流电压中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。脉动而设置的。 PWM变频器主回路变频器主

19、回路l主回路只有一套可控功率级，具有结主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。方法，输出谐波分量小。l缺点是当电动机工作在回馈制动状态缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。压上升，称作泵升电压。直流母线供电直流母线供电l采用直流母线供电给多台逆变器，可采用直流母线供电给多台逆变器，可以减少整流装置的电力电子器件，逆变以减少整流装置的电力电子器件，逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过器从直流母线上汲取能量，还可以通过直流母线来实现

20、能量平衡，提高整流装直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。置的工作效率。l当某个电动机工作在回馈制动状态时，当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。实现能量交换，有效地抑制泵升电压。直流母线供电直流母线供电图图 直流母线方式的变频器主回路结构图直流母线方式的变频器主回路结构图正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术l以频率与期望的输出电压波相同的正以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。多的等腰三角波作为载

21、波。l由它们的交点确定逆变器开关器件的由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简称，简称SPWM）。）。n输出电压的大小和频率均由正弦参考电压Ur来控制。当改变Ur的幅值时，脉宽即随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变Ur的频率时，输出电压频率即随之改变。但要注意正弦波的幅值Urm必须小于等腰三角形的幅值Ucm，否则就得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比

22、这一关系。输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。n要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须另加倒相电路。与此相对应，若在调制过程中，载频信号和参考信号的极性交替地不断改变则称为双极性调制 n要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须另加倒相电路。与此相对应，若在调制过程中，载频信号和参考信号的极性交替地不断改变则称为双极性调制。 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图图 三相三相PWM逆变器双极性逆变器双极性SPWM波形波形a) 三相正弦调制波与三相正弦调制波与双极性三角载波双极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相）三相电压电压e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压补充例题：

23、n已知某变频器要求的输出范围是已知某变频器要求的输出范围是560Hz，用用IGBT作开关器件，取最大开关频率为作开关器件，取最大开关频率为5.5KHz左右，最小开关频率在最大开关左右，最小开关频率在最大开关频率的频率的1/2至至2/3之间，本题可取为最大之间，本题可取为最大开关频率的开关频率的2/3。现在采用分段同步调制。现在采用分段同步调制的方法，将输出频率分成了若干段，其中的方法，将输出频率分成了若干段，其中一段的上限频率为一段的上限频率为41Hz，求该段的载波，求该段的载波比、下限频率和比、下限频率和IGBT的开关频率范围。的开关频率范围。max1max5500134.141tfHzNf

24、HzHzfNft553541135max1maxminmax225535369033ttffHzmin1min369027.33135tffHzNHzf27min1Hzft364513527min解：该段的载波比 取N为3的整数倍，得N=135 修正后，IGBT开关上限频率取IGBT开关下限频率 则输出下限频率 取整数得，输出下限频率 IGBT开关下限频率 补充作业补充作业n 某交某交-直直-交电压源型变频器，输入相电压为交电压源型变频器，输入相电压为220V、频、频率为率为50 Hz的三相交流电，整流电路为三相桥式不可控的三相交流电，整流电路为三相桥式不可控式，逆变电路由式，逆变电路由IGB

25、T组成三相桥式，采用组成三相桥式，采用SPWM控制控制分式。分式。n求：（求：（1）整流电路输出的直流电压是多少？）整流电路输出的直流电压是多少？n（2）若调制度）若调制度M最大为最大为0.9，输出电压的最大幅值为多，输出电压的最大幅值为多少少?有效值最大为多少？有效值最大为多少？n（3）若此电路中的）若此电路中的IGBT最大开关频率为最大开关频率为5.5kHz,则输则输出电压的频率是出电压的频率是55Hz时载波比时载波比N为多少？为多少？n（4） 若输出电压的最低频率为若输出电压的最低频率为0.5Hz，则最大载波比，则最大载波比为多少？为多少？3.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）

26、控制技术）控制技术l电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。流快速跟随给定值。l在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的获得更好的性能。性能。3.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术图图 电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术控制技术l电流

27、控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过超过h时，经滞环控制器时，经滞环控制器HBC控制逆变器控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。上（或下）桥臂的功率器件动作。 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术控制技术图图 电流滞环跟踪控制时的三相电流波形电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压与相电压PWM波形波形l电流滞环跟踪控制方法电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且的精度高、响应快，且易于实现。但功率开关易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。器件的开关频率不定。l电流跟踪

28、控制的精度与滞环的宽度有关，电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。约。l当环宽选得较大时，开关频率低，但电流当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；波形失真较多，谐波分量高；l如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。率却增大了。l实际使用中，应在器件开关频率允许的前实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。提下，尽可能选择小的环宽。3.4.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术）控制技术l把逆变器和交流电动机视为一

29、体，以圆形把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链轨迹，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称实现的，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。空间矢量的定义空间矢量的定义l交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物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，如果考虑到它们所理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义

30、为空间矢量。在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。l 定义三相定子电压空间矢量定义三相定子电压空间矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k为待定系数为待定系数 空间矢量的合成空间矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu图图 电压空间矢量电压空间矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 空间矢量的定义空间矢量的定义l定子电流空间矢量定子电流空间矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOl定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 l

31、空间矢量功率表达式空间矢量功率表达式 2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueueiieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii共轭矢量共轭矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 考虑到考虑到 0AOBOCOiii232233p =()22AO AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BOCO COuiuiuil三相瞬时功率三相瞬时功率 l按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则按空间矢

32、量功率与三相瞬时功率相等的原则 23k空间矢量表达式空间矢量表达式 22()3jjAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees空间矢量表达式空间矢量表达式 l当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量相合成矢量112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu空间矢量表达式空间矢量表达式 l以电源角频率为角速度作恒速旋转的空以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值间矢量，幅值 l在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转在

33、三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。在空间作恒速旋转。32smUU电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l合成空间矢量表示的定子电压方程式合成空间矢量表示的定子电压方程式 l忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为磁链空间矢量的近似关系为dtdRssssiudtdssu dtssu或或电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l当电动机由三相平衡正弦电压供电时，

34、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恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。形（简称为磁链圆）。l定子磁链矢量定子磁链矢量)(1tjsesl定子电压矢量定子电压矢量111()()()211()jtsjtjtssdedtjeesu电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 图图 旋转磁场与电压空间矢旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹量的运动轨迹图图 电压矢量圆轨迹电压矢量圆轨迹电压空间矢量电压空间矢量 l直流电源中点直流电源中点O和交流电动机中点和交流电动机中点O的电位的

35、电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。不等，但合成电压矢量的表达式相等。l因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。222222()32()()()322(1)()33jjAOBOCOjjAOOBOOCOOjjjjjjABCOOABCuueueuuuueuueuu eu eueeuu eu esAOBOCOuuuu8个基本空间矢量个基本空间矢量lPWM逆变器共有逆变器共有8种工作状态种工作状态 当当 100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjj

36、ddddUUeeeeUjU1u8个基本空间矢量个基本空间矢量依此类推，可得依此类推，可得8个基本空间矢量个基本空间矢量 。当当 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u8个基本空间矢量个基本空间矢量l2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量07uu、16uu幅值为幅值为 23dU空间互差空间互差 3基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图图图 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场

37、 l6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率电压角频率 l6个有效工作矢量个有效工作矢量16uu每个有效工作矢量作用每个有效工作矢量作用 3顺序分别作用顺序分别作用t时间，并使时间，并使 13tt31正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 k=1,2,3,4,5,6 l定子磁链矢量的增量定子磁链矢量的增量 tss = u(1)3( )( )23sskjdkktUt e ul定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于增量的幅值等于23dUt正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l定子磁链矢量的运动轨定子

38、磁链矢量的运动轨迹为迹为 图图 定子磁链矢量增量定子磁链矢量增量(1)( )( )( )( )ssssskkkkk t u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 图图 正六边形定子磁链轨迹正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，在一个周期内，6个有效工作矢量个有效工作矢量顺序作用一次，顺序作用一次，定子磁链矢量是定子磁链矢量是一个封闭的正六一个封闭的正六边形。边形。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比，而与电源角频率成反比。正比，而与电源角频率成反比。 1|( )| |( )| | ( )|2233 3ssddk

39、kktUUt u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 122|( )| |( )| | ( )|33 3dssdUkkktUt ul在基频以下调速时，应保持正六边形定子在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。磁链的最大值恒定。l若直流侧电压恒定，则若直流侧电压恒定，则1越小时，越小时， t越越大，势必导致大，势必导致 增大。增大。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 1dU常数l要保持正六边形定子磁链不变，必须使要保持正六边形定子磁链不变，必须使 l在变频的同时必须调节直流电压，造成了控在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。制的复杂性。正六边形空间旋转磁场正六

40、边形空间旋转磁场 l有效的方法是插入零矢量有效的方法是插入零矢量l当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。表明定子磁链矢量停留不动。 0s =正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效工作矢量作用时间有效工作矢量作用时间当 tt1l零矢量作用时间零矢量作用时间10ttt1110()3ttt l定子磁链矢量的增量为定子磁链矢量的增量为(1)31012( )( )3kjssdkkttUt e u0正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在时间在时间t1段内，定子磁链矢量轨迹沿着有段内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。效工

41、作电压矢量方向运行。l在时间在时间t0段内，零矢量起作用，定子磁链段内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。矢量的到来。l正六边形定子磁链的最大值正六边形定子磁链的最大值112|( )| |( )| |( )|3sssdkkktUt u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在直流电压不变的条件下，要保持在直流电压不变的条件下，要保持l输出频率越低，输出频率越低，t越大，零矢量作用时间越大，零矢量作用时间t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。长。l由此可知，由此可知，零矢量的

42、插入有效地解决了定子零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。| )(|ks恒定，只要使恒定，只要使t1为常数即可。为常数即可。期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。导致转矩与转速的脉动。l要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择。以供选择。lPWM逆变器只有逆变器只有8个基本电压矢量，能否用个基本电压矢量，能否用这这8个基本

43、矢量合成出其他多种不同的矢量呢？个基本矢量合成出其他多种不同的矢量呢？期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量这就是电压空间矢量PWM（SVPWM）的基）的基本思想。本思想。l按按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期望输出电压矢量落在某称的六个扇区，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻的的2个有效工作矢量

44、等效地合成期望输出矢量。个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 图图 电压空间矢量的电压空间矢量的6个扇区个扇区l按按6个有效工个有效工作矢量将电压作矢量将电压矢量空间分为矢量空间分为对称的六个扇对称的六个扇区，每个扇区区，每个扇区对应对应3期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l基本电压空间矢量基本电压空间矢量图图 期望输出电压矢量的合成期望输出电压矢量的合成l期望输出电压矢量期望输出电压矢量与扇区起始边的夹角与扇区起始边的夹角 的线性组合构成期望的的线性组合构成期望的电压矢量电压矢量 1u2usu期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合

45、成 l在一个开关周期在一个开关周期 T0图 期望输出电压矢量的合成的作用时间的作用时间 1u2u1t的作用时间的作用时间 2t121200123002233sjddttTTttUU eTTuuul合成电压矢量合成电压矢量期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l由正弦定理可得由正弦定理可得解得解得 120022332sinsin()sin33ddsttUUTTus012sin()3du TtUs022usindTtUl零矢量的作用时间零矢量的作用时间 2100ttTt期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 l两个基本矢量作用时间之和应满足两个基本矢量作用时间之和应满足当当 l输出电

46、压矢量最大幅值输出电压矢量最大幅值 ss1202u2usin()sin cos()136ddttTUU6120ttTsmax2dUu期望电压空间矢量的期望电压空间矢量的合成 l当定子相电压为三相平衡正弦电压时，当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值三相合成矢量幅值 l基波相电压最大幅值基波相电压最大幅值 l基波线电压最大幅值基波线电压最大幅值 32smUUmaxmax3lmmdUUUmaxmax233dmsUUu期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 lSPWM的基波线电压最大幅值为的基波线电压最大幅值为 两者之比两者之比 lSVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大方式的逆变

47、器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比值为直流侧电压，比SPWM逆变器输出电压逆变器输出电压最多提高了约最多提高了约15%。23maxdlmUU1.1532maxmaxlmlmUUSVPWM的实现的实现 l通常以开关损耗和谐波分量都较小为通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使量使PWM输出波型对称，以减少谐波输出波型对称，以减少谐波分量。分量。 零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 l按照对称原则，将两个基本电压矢量的作按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期的首端用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。和末端。l零矢量的作用时间放在开关周期的中间，零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。并按开关次数最少的原则选择零矢量。l在一个开关周期内，有一相的状态保持不在一个开关周期内，有一相的状