第6章2电压空间矢量PWM控制技术48教育研究

现代电力电子技术现代电力电子技术第第6 6章章(2)(2) 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)PWM(SVPWM)控制技术控制技术 （或称磁链跟踪控制技术（或称磁链跟踪控制技术) )主讲主讲 申群太申群太1章节课堂本节提要 问题的提出问题的提出 空间矢量的定义空间矢量的定义 电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 电压空间矢量的线性组合与电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制控制 2章节课堂 问题的提出问题的提出经典的经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的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输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使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之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终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。生恒定的电磁转矩。3章节课堂 如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视如果对准这一目标，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。这种控制方法称作工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁磁链跟踪控制链跟踪控制”，下面的讨论将表明下面的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的同的电压空间矢量得到的，所以又称所以又称“电压空间电压空间矢量矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”4章节课堂 1、空间矢量的定义、空间矢量的定义 交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量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，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，定义为空间矢量也可以如图所示，定义为空间矢量uA0， uB0 ， uC0 。 图图6-25 电压空间矢量电压空间矢量5章节课堂 电压空间矢量的相互关系电压空间矢量的相互关系定子电压空间矢量：定子电压空间矢量： uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始终处于各相绕组的轴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位互相错开的角度也是120合成空间矢量：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，是是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的每相电压值的3/2倍。倍。 6章节课堂 当电源频率不变时，合成空间矢量当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角以电源角频率频率 1 为电气角速度作恒速旋转。当某一相电为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量压为最大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的就落在该相的轴线上。用公式表示，则有轴线上。用公式表示，则有 （6-39）与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流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和磁链的空间矢量 Is 和和s 。C0B0A0suuuu7章节课堂 2、电压与磁链空间矢量的关系、电压与磁链空间矢量的关系 三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间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矢量表示的定子电压方程式为 （6-40）式中式中us 定子三相电压合成空间矢量；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；定子三相电流合成空间矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。定子三相磁链合成空间矢量。 tRddssssIu8章节课堂 近似关系近似关系 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（6-40）中所占的成分很小，可忽略不计，则定）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子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 （6-41）或或 （6-42）tddssu t dssu9章节课堂 磁链轨迹磁链轨迹 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机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。圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。 （6-43）其中其中 m是磁链是磁链s的幅值，的幅值， 1为其旋转角速度。为其旋转角速度。tj1ems 10章节课堂 由式（由式（6-41）和式（）和式（6-43）可得）可得 （6-44） 式（式（6-44）表明，当磁链幅值）表明，当磁链幅值m一定时，一定时，us的大小的大小与与 1 （或上供电电压频率）成正比（或上供电电压频率）成正比,其方向则与磁其方向则与磁链矢量链矢量s正交，即磁链圆的切线方向正交，即磁链圆的切线方向 。 )2(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjjtu11章节课堂 磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系磁场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压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2 弧度，弧度，其轨迹与磁链圆重合。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。电压空间矢量的运动轨迹问题。图图6-26 旋转磁场与电压旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹空间矢量的运动轨迹12章节课堂 3. 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 （1）电压空间矢量运动轨迹）电压空间矢量运动轨迹 在常规的在常规的 PWM 变压变频调速系统中，异步电变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？矢量运动轨迹是怎样的呢？ 为了讨论方便起见，再把三相逆变器为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图机调速系统主电路的原理图绘出，图6-27中六个中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。一种开关器件。 13章节课堂 主电路原理图主电路原理图图图6-27 三相逆变器三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图异步电动机调速系统主电路原理图 14章节课堂 开关状态表开关状态表15章节课堂 如果，图中的逆变器采用如果，图中的逆变器采用180导通型，功率开导通型，功率开关器件共有关器件共有8种工作状态（见附表）种工作状态（见附表） ，其中，其中 6 种有效开关状态；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种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：电压）： 上桥臂开关上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部全部导通导通下下桥臂开关桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通全部导通 16章节课堂 开关控制模式开关控制模式对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中期中6 种有效的工作状态各出现一次。种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这相），而在这 /3 时刻内则保持不变。时刻内则保持不变。 17章节课堂 （a）开关模式分析）开关模式分析 设工作周期从设工作周期从100状态开始，这时状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其导通，其等效电路如图所示。等效电路如图所示。各相对直流电源中各相对直流电源中点的电压都是幅值点的电压都是幅值为为 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT218章节课堂 （b）工作状态）工作状态100的合成电压空间矢量的合成电压空间矢量 由图可知，三相的合成空间矢量为由图可知，三相的合成空间矢量为 u1，其幅值，其幅值等于等于Ud，方向沿，方向沿A轴（即轴（即X轴）轴）u1uAO-uCO-uBOABC19章节课堂 （c）工作状态）工作状态110的合成电压空间矢量的合成电压空间矢量 u1 存在的时间为存在的时间为 /3，在这段时间以后，工作，在这段时间以后，工作状态转为状态转为110，和上面的分析相似，合成空间，和上面的分析相似，合成空间矢量变成图中的矢量变成图中的 u2 ，它在空间上滞后于，它在空间上滞后于u1 的的相位为相位为 /3 弧度，存在的时间也是弧度，存在的时间也是 /3 。 u2uAOuBOABC20章节课堂 （d）每个周期的六边形合成电压空间矢量）每个周期的六边形合成电压空间矢量 依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转 /3 ，直，直到一个周期结束。到一个周期结束。 这样，在一个周期中这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过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。弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。u1u2u3u4u5u6u7 u821章节课堂 （2）定子磁链矢量端点的运动轨迹）定子磁链矢量端点的运动轨迹 电压空间矢量与磁链矢量的关系电压空间矢量与磁链矢量的关系 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：运动轨迹。对于这个关系，进一步说明如下： 22章节课堂 （6-41）可以写成设在）可以写成设在逆变器工作开始时定子逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为磁链空间矢量为 1，在，在第一个第一个 /3 期间，电动期间，电动机上施加的电压空间矢机上施加的电压空间矢量为图量为图6-28d中的中的 u1 ，把它们再画在图把它们再画在图6-29中。中。按照式按照式图图6-29 六拍逆变器供电时电动机电六拍逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系压空间矢量与磁链矢量的关系 23章节课堂 （6-45） 也就是说，在也就是说，在 /3 所对应的时间所对应的时间 t 内，施加内，施加 u1的结果是使定子磁链的结果是使定子磁链 1 产生一个增量产生一个增量 ，其幅其幅值与值与|u1| 成正比，方向与成正比，方向与u1一致，最后得到图一致，最后得到图6-29所示的新的磁链，而所示的新的磁链，而 （6-46）11 ut11224章节课堂 依此类推，可以写成依此类推，可以写成 的通式的通式 （6-47） （6-48） 总之，在一个周期内，总之，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也点，其顶端的运动轨迹也就是就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。个电压空间矢量所围成的正六边形。 iiut6, 2 , 1iii1i。25章节课堂 磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系 如果如果 u1 的作用时间的作用时间 t 小于小于 /3 ，则，则 i 的幅值也的幅值也按比例地减小，如图按比例地减小，如图 6-30 中的矢量中的矢量 。可见，。可见，在任何时刻，所产生的在任何时刻，所产生的磁链增量的方向决定所施磁链增量的方向决定所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。图图6-30 磁链矢量增量与电磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系压矢量、时间增量的关系AB26章节课堂 4.4. 电压空间矢量的线性组合与电压空间矢量的线性组合与SVPWMSVPWM控制控制如前分析，我们可以得到的结论是：如前分析，我们可以得到的结论是：如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变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，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。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，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，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。此，必须对逆变器的控制模式进行改造。 27章节课堂 圆形旋转磁场逼近方法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，怎控制显然可以适应上述要求，问题是，怎样控制样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。 科技工作者已经提出过多种实现方法，例如线科技工作者已经提出过多种实现方法，例如线性组合法，三段逼近法，比较判断法等性组合法，三段逼近法，比较判断法等31，这，这里只介绍线性组合法。里只介绍线性组合法。 28章节课堂 基本思路基本思路 如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由图中的链增量由图中的 11 ， 12 ， 13 ， 14 这这4段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位段组成。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都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得获得图图6-31 逼近圆形时逼近圆形时 的磁链增量轨迹的磁链增量轨迹29章节课堂 线性组合的方法线性组合的方法 图图6-32表示由电压空间矢量和的线性组合构成表示由电压空间矢量和的线性组合构成新的电压矢量。设在一段换相周期时间新的电压矢量。设在一段换相周期时间T0 中，中，可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后的电压矢量的电压矢量us ，新矢量的相位为，新矢量的相位为 。图图6-32 电压空间电压空间矢量的线性组合矢量的线性组合30章节课堂 （1）线性组合公式）线性组合公式 可根据各段磁链增量的相位求出所需的作用时间可根据各段磁链增量的相位求出所需的作用时间 t1和和 t2 。在图。在图6-32中，可以看出中，可以看出 （6-49）sincosss202101suuuuujTtTt31章节课堂 （2）相电压合成公式）相电压合成公式 根据式（根据式（6-39）用相电压表示合成电压空间矢量）用相电压表示合成电压空间矢量的定义，把相电压的时间函数和空间相位分开写，的定义，把相电压的时间函数和空间相位分开写，得得 （6-50） 式中式中 = 120 2C0B0A0se )(e )()(jjtttuuuu32章节课堂 （3）线电压合成公式）线电压合成公式若改用线电压表示，可得若改用线电压表示，可得 （6-51） 几种表示法的比较：几种表示法的比较： 由图由图6-27可见，当各功率开关处于不同状态时，可见，当各功率开关处于不同状态时，线电压可取值为线电压可取值为Ud、0 或或 Ud，比用相电压表示，比用相电压表示时要明确一些。时要明确一些。 jtte )()(BCABsuuu33章节课堂 作用时间的确定作用时间的确定 这样，根据各个开关状态的线电压表达式可以推这样，根据各个开关状态的线电压表达式可以推出出 （6-526-52）020201d0201d0201d30201d3d02d01s23223213sin3coseeTtjTtTtUjTtTtUjTtTtUTtTtUUTtUTtjju34章节课堂 比较式（比较式（6-52）和式（）和式（6-49），令实数项和虚数），令实数项和虚数项分别相等，则项分别相等，则 d0201s2cosUTtTtud02s23sinUTtu35章节课堂 解解 t1和和 t2 ，得，得 （6-536-53） （6-546-54） dsds01sin31cosUUTtuuds02sin32UTtu36章节课堂 零矢量的使用零矢量的使用换相周期换相周期 T0 应由旋转磁场所需的频率决定，应由旋转磁场所需的频率决定， T0 与与 t1+ t2 未必相等，其间隙时间可用零矢量未必相等，其间隙时间可用零矢量 u7 或或 u8 来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使使 u7 和和 u8 各占一半时间，因此各占一半时间，因此 （6-55）)(2121087ttTtt37章节课堂 电压空间矢量的扇区划分电压空间矢量的扇区划分 为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周期用期用6个电压空间矢量划分成个电压空间矢量划分成6个区域，个区域，称为扇称为扇区（区（Sector），如图所示的，如图所示的、，每个扇区对应的时间均为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，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。分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。 38章节课堂 电压空间矢量的电压空间矢量的6个扇区个扇区图图6-33 电压空间矢量的放射形式和电压空间矢量的放射形式和6个扇区个扇区 39章节课堂 在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。工作状态。实现实现SVPWM控制就是要把每一扇区再分成若干控制就是要把每一扇区再分成若干个对应于时间个对应于时间 T0 的小区间。按照上述方法插入的小区间。按照上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量若干个线性组合的新电压空间矢量 us，以获得优，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。 40章节课堂开关状态顺序原则开关状态顺序原则在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。以满足最小开关损耗。 41章节课堂 插值举例插值举例 每一个每一个 T0 相当于相当于 PWM电压波形中的一个脉冲波。电压波形中的一个脉冲波。 例如：例如： 图图6-32所示扇区内的区间包含所示扇区内的区间包含t1， t2，t7 和和 t8 共共4段，相应的电压空间矢量为段，相应的电压空间矢量为 u1，u2，u7 和和 u8 ，即即 100，110，111 和和 000 共共4种开关状态。种开关状态。 42章节课堂 为了使电压波形对称，把每种状态的作用时间为了使电压波形对称，把每种状态的作用时间都一分为二，因而形成电压空间矢量的作用序列都一分为二，因而形成电压空间矢量的作用序列为：为：12788721，其中，其中1表示作用表示作用u1 ，2表示作用表示作用u2 ，。 这样，在这一个时间内，逆变器三相的开关状这样，在这一个时间内，逆变器三相的开关状态序列为态序列为100，110，111，000，000，111，110，100。 43章节课堂 按照最小开关损耗原则进行检查，发现上述按照最小开关损耗原则进行检查，发现上述1278的顺序是不合适的。的顺序是不合适的。 为此，应该把切换顺序改为为此，应该把切换顺序改为81277218，即开关，即开关状态序列为状态序列为000，100，110，111，111，110，100，000，这样就能满足每次只切换一个开关的，这样就能满足每次只切换一个开关的要求了。要求了。 44章节课堂 T T0 0 区间的电压波形区间的电压波形 虚线间的每一小段表示一种工作状态 图图6-34 第第扇区内一段区间的扇区内一段区间的开关序列与逆变器三相电压波形开关序列与逆变器三相电压波形45章节课堂 如上所述：如上所述： 如果一个扇区分成如果一个扇区分成4个小区间，则一个周期中将个小区间，则一个周期中将出现出现24个脉冲波，而功率器件的开关次数还更多，个脉冲波，而功率器件的开关次数还更多，须选用高开关频率的功率器件。须选用高开关频率的功率器件。当然，一个扇区内所分的小区间越多，就越能当然，一个扇区内所分的小区间越多，就越能逼近圆形旋转磁场逼近圆形旋转磁场46章节课堂 小小 结结 归纳起来，归纳起来，SVPWM控制模式有以下特点：控制模式有以下特点：（1)1)）逆变器的一个工作周期分成）逆变器的一个工作周期分成6 6个扇区，每个个扇区，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机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间区间 T T0 0 ， T T0 0 越短，旋转磁场越接近圆形，但越短，旋转磁场越接近圆形，但 T T0 0 的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。约。（2）在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，）在每个小区间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。关损耗较小。47章节课堂 （3）每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢）每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。量结束。（4）利用电压空间矢量直接生成三相）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，波，计算简便。计算简便。（5）采用）采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变逆变器输出电压提高了器输出电压提高了15%。 48章节课堂