運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)VIP

運(yùn)動(dòng)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運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!4.2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(shí)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(dòng)變化。為使電動(dòng)機(jī)平滑穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，根本目標(biāo)應(yīng)是在電動(dòng)機(jī)氣隙空間形成“正圓形”的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，具備恒定電磁轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)的“旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線”：定子磁場(chǎng)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(chǎng)是否平穩(wěn)，即是否成“正圓”。如果非正圓，說(shuō)明磁鏈的大小在一周有波動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)。把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)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運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!4.2.4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(dòng)機(jī)繞組的各相相電壓量是隨時(shí)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(lái)，放在空間位置坐標(biāo)系中來(lái)分析矢量在空間的運(yùn)動(dòng)(取轉(zhuǎn)子軸線法平面建立坐標(biāo)系)，叫“空間矢量分析法”。

3運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!4.2.4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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降在上式中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡：當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子合成磁鏈?zhǔn)噶康姆岛愣ǎ诳臻g繞轉(zhuǎn)子軸線恒速旋轉(zhuǎn)，其端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形(一般簡(jiǎn)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：

4運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!4.2.4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(kāi)關(guān)的PWM變壓變頻器，如果采用180°導(dǎo)通型，任何時(shí)刻總是有三只開(kāi)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(shí)導(dǎo)通和三只下管同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)無(wú)效狀態(tài)(逆變器沒(méi)有輸出)，共計(jì)有8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)如下表所示。對(duì)于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個(gè)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(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)(即換相)，而在這/3時(shí)段內(nèi)則保持輸出不變。

5運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157②工作狀態(tài)110的合成電壓空間矢量這時(shí)VT1、VT2、VT3導(dǎo)通，其等效電路如圖所示。各相對(duì)直流電源中點(diǎn)O’的電壓都是幅值為

UAO’=UBO’=Ud/2，UCO’=-Ud/2三個(gè)對(duì)O’點(diǎn)的電壓合成空間矢量u2，其幅值等于Ud，空間方向60°6運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157由六個(gè)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(dòng)機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡。進(jìn)一步說(shuō)明如下：

這樣在/3的時(shí)間t內(nèi)結(jié)束時(shí)得到如圖所示的新的磁鏈2。依此類推，可得6個(gè)磁鏈空間矢量n，把它們的起點(diǎn)放在O點(diǎn)，其端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡就是6個(gè)電壓空間矢量所圍成的非圓正六邊形。即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是6脈動(dòng)的。7運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157用6個(gè)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(chǎng)為了討論方便起見(jiàn)，可把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域，稱為扇區(qū)(Sector)，如圖所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為/3。由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對(duì)稱的，分析一個(gè)扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。

8運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157用6個(gè)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(chǎng)(續(xù))

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

9運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157用6個(gè)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(chǎng)(續(xù))(1)零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法。P160實(shí)現(xiàn)方法1:將兩個(gè)基本電壓矢量u1和u2的作用時(shí)間t1、t2平分為二，安放在開(kāi)關(guān)周期T0的首、尾，將零矢量的作用時(shí)間放在中間，按開(kāi)關(guān)損耗小的原則中間零矢量取u7(111)。10運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157用6個(gè)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(chǎng)(續(xù))(2)零矢量分布的實(shí)現(xiàn)方法。P169將零矢量平均分成四份，在開(kāi)關(guān)周期T0首、尾各放一份，中間放兩份。再將兩個(gè)基本電壓矢量u1和u2將的作用時(shí)間t1、t2平分為二，插在零矢量之間。按開(kāi)關(guān)損耗小的原則，首、尾兩個(gè)零矢量取u8(000)，中間兩個(gè)零矢量取u7(111)。11運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)(續(xù))SVPWM控制模式特點(diǎn)小結(jié)：

①逆變器的一個(gè)工作周期分成6個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)相當(dāng)于常規(guī)六拍逆變器的一拍。為了使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逼近圓形，每個(gè)扇區(qū)再分成若干個(gè)小區(qū)間T0，T0越短，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近圓形，但T0的縮短受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。②在每個(gè)小區(qū)間T0內(nèi)雖有多次開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只涉及一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，因而開(kāi)關(guān)損耗較小。③利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)便。④采用SVPWM控制時(shí)，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的正弦SPWM逆變器輸出電壓提高了15%。12運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!4.2.4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(gè)隨時(shí)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：13運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!4.2.4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(gè)旋轉(zhuǎn)矢量)端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(shí)，合成電壓空間矢量也連續(xù)地按合成磁鏈空間矢量端點(diǎn)軌跡圓的切線方向運(yùn)動(dòng)一周。把合成電壓空間矢量的參考點(diǎn)重合放在一起，則電壓空間矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡也是一個(gè)園。這樣，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。14運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!4.2.4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(chǎng)P156輸出六拍階梯波的6開(kāi)關(guān)的PWM變壓變頻器在電機(jī)中形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(kāi)始，這時(shí)VT6、VT1、VT2導(dǎo)通，其等效電路如圖所示。各相對(duì)直流電源中點(diǎn)O’的電壓都是幅值為

UAO’=Ud/2，UBO’=UCO’=-Ud/2設(shè)三個(gè)對(duì)O’點(diǎn)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)。15運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157

依此類推，隨著變頻器6個(gè)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(gè)周期結(jié)束。這樣，在一個(gè)周期中共有6個(gè)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(gè)封閉的正六邊形，如右圖藍(lán)色的6個(gè)首尾相接的矢量所示。若把它們的起點(diǎn)重合在一點(diǎn)，則6個(gè)矢量呈六向放射狀如右圖紅色的6個(gè)矢量。兩種電源在電機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)間的正弦規(guī)律連續(xù)變化形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，合成磁鏈空間矢量是正圓形的。

6開(kāi)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(gè)基本電壓空間矢量順次作用形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，合成磁鏈空間矢量是正六邊形的。即：在6個(gè)/3區(qū)間的每個(gè)區(qū)間內(nèi)，合成電壓空間矢量方向固定，大小=Ud。16運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157如果u1的作用時(shí)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?jiàn)，在任何時(shí)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(shí)間?？梢缘玫降慕Y(jié)論:如果交流電動(dòng)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(chǎng)，這顯然不如由正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的恒定正圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣能使電動(dòng)機(jī)獲得均勻穩(wěn)定的運(yùn)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(chǎng)，就必須在每一個(gè)期間內(nèi)增加切換次數(shù)，使有更多個(gè)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(duì)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。17運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157用6個(gè)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(chǎng)(續(xù))在常規(guī)六拍逆變器中每個(gè)扇區(qū)僅包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)(兩個(gè)基本電壓空間矢量)。把每一扇區(qū)再均分成若干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)間T0的小區(qū)間，插入這兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的若干個(gè)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(chǎng)。在每個(gè)T0的小區(qū)間內(nèi)，分別讓u1作用時(shí)間=t1，讓u2作用作用時(shí)間=t2

(非嚴(yán)格同時(shí)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(gè)矢量之和(u1+u2)表示由兩個(gè)矢量線性組合后的電壓矢量us，新矢量的相位為。18運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157用6個(gè)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(chǎng)(續(xù))

19運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!4.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(續(xù))P157用6個(gè)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(chǎng)(續(xù))(1)零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法。P160實(shí)現(xiàn)方法2:將兩個(gè)基本電壓矢量u1和u2的作用時(shí)間t1、t2平分為二，安放在開(kāi)關(guān)周期T0的首、尾，將零矢量的作用時(shí)間放在中間，按開(kāi)關(guān)損耗小的原則中間零矢量取u8(000)。20運(yùn)控系統(tǒng)第4章第2講及作業(yè)共22頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)用6個(gè)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(chǎng)(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(gè)小區(qū)間的時(shí)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(dòng)也小。這種按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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