运控系统第4章第2讲及作业

运动控制系统第2篇交流调速系统第2讲电压空间矢量SVPWM控制技术1可编辑ppt4.2交流PWM变频技术4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术P153序

前述正弦SVPWM控制方式，追求的目标是使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波形，未考虑输出电流的实际波形；电流跟踪CFPWM控制方式使输出电流接近正弦波形，但电流是在目标正弦波曲线上下波动变化。为使电动机平滑稳定旋转，根本目标应是在电动机气隙空间形成“正圆形”的旋转磁场，具备恒定电磁转矩的运行状态。电机的“旋转磁场运动轨迹曲线”：定子磁场的磁链矢量绕空间轴旋转，矢量终端在空间的轨迹曲线的形状表征旋转磁场是否平稳，即是否成“正圆”。如果非正圆，说明磁链的大小在一周有波动，电磁转矩不平稳。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，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，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SVPWM控制”。2可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术P1531.定子相电压空间矢量的定义交流电动机绕组的各相相电压量是随时间变化的正弦量，把它们定义成矢量，并与电机绕组的空间位置结合起来，放在空间位置坐标系中来分析矢量在空间的运动(取转子轴线法平面建立坐标系)，叫“空间矢量分析法”。

3可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术P153“合成电压空间矢量”的定义：三相定子电压空间矢量uAO、uBO、uCO相加得到的合成矢量us是一个随时间旋转的空间矢量，其转速=电源角频率ω1。

其幅值固定不变，是相电压幅值的3/2倍。

us可用下面数学推导获得：4可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术2.电压与磁链空间矢量的关系P154与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的合成空间矢量Is和Ψs。当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在上式中所占的成分很小，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

合成磁链空间矢量端点的运动轨迹：当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子合成磁链矢量的幅值恒定，在空间绕转子轴线恒速旋转，其端点的运动轨迹呈圆形(一般简称为“磁链圆”)。这样的定子磁链合成旋转矢量可用下式表示：

5可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术电压与磁链空间矢量的关系(续)P154合成磁链空间矢量与合成电压空间矢量(两个旋转矢量)端点运动轨迹的关系:如下左图所示，当合成磁链空间矢量在空间旋转一周时，合成电压空间矢量也连续地按合成磁链空间矢量端点轨迹圆的切线方向运动一周。把合成电压空间矢量的参考点重合放在一起，则电压空间矢量端点的运动轨迹也是一个园。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可以转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。6可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术3.三相PWM逆变器的基本输出电压矢量P155

常规的6开关的PWM变压变频器，如果采用180°导通型，任何时刻总是有三只开关管导通，输出六拍阶梯波的三相逆变交流电。每一拍的合成电压空间矢量叫“基本输出电压矢量un”。加上三只上管同时导通和三只下管同时导通的两个无效状态(逆变器没有输出)，共计有8个开关状态如下表所示。对于六拍阶梯波的逆变器，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时段内则保持输出不变。

7可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术4.正六边形空间旋转磁场P156输出六拍阶梯波的6开关的PWM变压变频器在电机中形成的旋转磁场非正圆，分析如下：①工作状态100的合成电压空间矢量设工作周期从代码100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点O’的电压都是幅值为

UAO’=Ud/2，UBO’=UCO’=-Ud/2设三个对O’点的电压合成空间矢量为u1，其幅值等于Ud，空间方向沿A轴(即X轴)。8可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157②工作状态110的合成电压空间矢量这时VT1、VT2、VT3导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点O’的电压都是幅值为

UAO’=UBO’=Ud/2，UCO’=-Ud/2三个对O’点的电压合成空间矢量u2，其幅值等于Ud，空间方向60°9可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157

依此类推，随着变频器6个工作状态的切换，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，在一个周期中共有6个方向和大小均固定的基本电压空间矢量依次作用，在空间形成一个封闭的正六边形，如右图蓝色的6个首尾相接的矢量所示。若把它们的起点重合在一点，则6个矢量呈六向放射状如右图红色的6个矢量。两种电源在电机中形成旋转磁场的区别：

平衡三相正弦电源：三相正弦电压空间矢量是方向固定而幅值随时间的正弦规律连续变化形成旋转磁场，合成磁链空间矢量是正圆形的。

6开关变频器六拍三相电源：在电机中由方向和大小均恒定的6个基本电压空间矢量顺次作用形成旋转磁场，合成磁链空间矢量是正六边形的。即：在6个/3区间的每个区间内，合成电压空间矢量方向固定，大小=Ud。10可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157由六个基本电压空间矢量依次作用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的运动轨迹。进一步说明如下：

这样在/3的时间

t内结束时得到如图所示的新的磁链

2。依此类推，可得6个磁链空间矢量

n，把它们的起点放在O点，其端点的运动轨迹就是6个电压空间矢量所围成的非圆正六边形。即旋转磁场是6脉动的。11可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157如果u1的作用时间

t小于/3，则

1的幅值也按比例随

t的减小而减小，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。可以得到的结论: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，这显然不如由正弦波供电时所产生的恒定正圆形旋转磁场那样能使电动机获得均匀稳定的运行性能。如果想获得更多边的多边形去逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内增加切换次数，使有更多个工作状态，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：如三段逼近法，比较判断法等，下面介绍“基本电压矢量线性组合”的方法。12可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区(Sector)，如图所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每个扇区对应的时间均为/3。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。

13可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续)在常规六拍逆变器中每个扇区仅包含两个开关工作状态(两个基本电压空间矢量)。把每一扇区再均分成若干个对应于时间T0的小区间，插入这两个开关工作状态的若干个线性组合的新电压空间矢量us，以获得优于正六边形的多边形(逼近圆形)旋转磁场。在每个T0的小区间内，分别让u1作用时间=t1，让u2作用作用时间=t2

(非严格同时作用的合成)。如图表示由电压空间矢量u1和u2的线性组合构成新的电压矢量us。磁链增量由图中的

11，

12，

13，

14这4段组成。在每一段T0的换相周期内，用两个矢量之和(u1+u2)表示由两个矢量线性组合后的电压矢量us，新矢量的相位为

。14可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续)

在一个T0周期内，设u1和u2的作用时间分别是t1和t2。由图可以看出：

15可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续)

16可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续)(1)零矢量集中的实现方法。P160实现方法1:将两个基本电压矢量u1和u2的作用时间t1、t2平分为二，安放在开关周期T0的首、尾，将零矢量的作用时间放在中间，按开关损耗小的原则中间零矢量取u7(111)。17可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续)(1)零矢量集中的实现方法。P160实现方法2:将两个基本电压矢量u1和u2的作用时间t1、t2平分为二，安放在开关周期T0的首、尾，将零矢量的作用时间放在中间，按开关损耗小的原则中间零矢量取u8(000)。18可编辑ppt4.正六边形空间旋转磁场(续)P157用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续)(2)零矢量分布的实现方法。P169将零矢量平均分成四份，在开关周期T0首、尾各放一份，中间放两份。再将两个基本电压矢量u1和u2将的作用时间t1、t2平分为二，插在零矢量之间。按开关损耗小的原则，首、尾两个零矢量取u8(000)，中间两个零矢量取u7(111)。19可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术用6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续)如图例：将π/3的定子磁链矢量轨迹等分成N等分(如N=4)，每个小区间的时间T0=π/(3ω1N)，定子磁链矢量轨迹为正6N(这里为24)多边形。比起正6边形的磁链矢量轨迹谐波分量小，转矩波动也小。这种按照跟踪圆形旋转磁场控制逆变器的工作方法叫“磁链跟踪控制”，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SVPWM控制”。20可编辑ppt4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术(续)SVPWM控制模式特点小结：

①逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0，T0越短，旋转磁场越接近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。②在每个小区间T0内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。③利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。