空间电压矢量PWM课件.ppt

西南交通大学Power electronicsPower electronics电力电子学电力电子学空间矢量脉宽调制空间矢量脉宽调制第1页，共29页西南交通大学第第1 1节节 空间矢量理论基础空间矢量理论基础1.1.空间矢量理论空间矢量理论iAiBiC t t t t1 1 t t2 2 t t3 3FACBs在三相电机中，三相对称绕组通上相对称电流要产在三相电机中，三相对称绕组通上相对称电流要产生一个空间磁势矢量生一个空间磁势矢量F F（旋转磁势矢量）我们认为（旋转磁势矢量）我们认为磁势矢量磁势矢量F F是由一个对应的等效电流矢量产生，称其是由一个对应的等效电流矢量产生，称其为空间电流矢量为空间电流矢量第2页，共29页西南交通大学空间电流矢量的定义：空间电流矢量的定义：同样三相绕组上的电压构成空间电压矢量同样三相绕组上的电压构成空间电压矢量旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、三相、四相、相、三相、四相、任意对称的多相绕组，通以平任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，其中以两相最衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，其中以两相最为简单为简单第3页，共29页。

西南交通大学ii t t t t1 1 t t2 2 t t3 3Fs它也可以写成空间电流矢量形式它也可以写成空间电流矢量形式由于二相系统比三相系统变量少，理论上多用二相而由于二相系统比三相系统变量少，理论上多用二相而不用三相实际的三相需要变换成二相不用三相实际的三相需要变换成二相变换的主要原则是变换前后磁势不变、功率不变变换的主要原则是变换前后磁势不变、功率不变2.Clarke 2.Clarke 变换变换第4页，共29页西南交通大学AN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB图中绘出了图中绘出了A A、B B、C C和和、两个坐标系，取两个坐标系，取A A轴和轴和 轴轴重合设三相绕组每相匝数为重合设三相绕组每相匝数为N N3 3，两相绕组每相匝数为，两相绕组每相匝数为N N2 2第5页，共29页西南交通大学写成矩阵形式，得写成矩阵形式，得 三相总磁动势与二相总磁动势相等，两套绕组任意瞬三相总磁动势与二相总磁动势相等，两套绕组任意瞬时磁动势在时磁动势在 、轴上的投影都应相等，即轴上的投影都应相等，即第6页，共29页西南交通大学因变换前后总功率不变，匝数比应为因变换前后总功率不变，匝数比应为即即从二相坐标系变换到三相坐标系从二相坐标系变换到三相坐标系第7页，共29页。

西南交通大学3/23/2和和2/32/3变换器的电路与符号变换器的电路与符号第8页，共29页西南交通大学第第2 2节节 三相逆变器感应电机系统的矢量分析三相逆变器感应电机系统的矢量分析6 6脉冲方式的电流空间矢量轨迹脉冲方式的电流空间矢量轨迹逆变器的运行模式：逆变器的运行模式：612612、123123、234234、345345、456456、561561、612612，施加在电机定子绕组上的相电压是一个六阶梯波施加在电机定子绕组上的相电压是一个六阶梯波电压电压Ud+-T1T5T3T4T2T6ABCn第9页，共29页西南交通大学tuanubnucntt101100110010011001V6V1V2V3V4V5165162132432435465如如果果将将三三相相逆逆变变器器的的上上部部元元件件的的导导通通规规定定为为1 1、关关断断规规定为定为0 0，则逆变器的工作状态可用二进制编码表示，则逆变器的工作状态可用二进制编码表示由电路得电压方程（不计电阻）由电路得电压方程（不计电阻）第10页，共29页西南交通大学tuaniabctV6V1V2V3V4V5V6由电压方程得三相电流波形，如图由电压方程得三相电流波形，如图第11页，共29页。

西南交通大学对指定的区域，代入空间矢量表达式对指定的区域，代入空间矢量表达式可知，对每个区域空间电压矢量幅值为可知，对每个区域空间电压矢量幅值为2Vd/3,2Vd/3,电流电流的最大值是的最大值是第12页，共29页西南交通大学当负载中含有电阻时当负载中含有电阻时通解是通解是第13页，共29页西南交通大学SVMSVM理论：时间间隔的推导理论：时间间隔的推导与矢量控制联系：在与矢量控制联系：在dqdq轴系上时间间隔的表达式轴系上时间间隔的表达式开关参考函数开关参考函数开关顺序的确定开关顺序的确定离散参考函数：减小开关损耗离散参考函数：减小开关损耗不同的矢量不同的矢量PWMPWM比较比较SVMSVM的过调制的过调制电压频率比控制电压频率比控制第14页，共29页西南交通大学低频运行模式低频运行模式高频运行模式高频运行模式SVMSVM的实现的实现Park Park 变换变换磁通矢量的确定与理想磁链轨迹磁通矢量的确定与理想磁链轨迹第15页，共29页各开关状态下产生的磁势幅值相等，产生的磁链大小也必然相等当逆各开关状态下产生的磁势幅值相等，产生的磁链大小也必然相等当逆变器按状态变器按状态S1、3、2、6、4、5、1动作，则在电机气隙空间的磁通动作，则在电机气隙空间的磁通势的轨迹在复平面上为正六边形。

如果逆变器状态按势的轨迹在复平面上为正六边形如果逆变器状态按S1、5、4、6、2、3、1变化，电机气隙空间磁链变化的轨迹仍为正六边形，只是旋转方变化，电机气隙空间磁链变化的轨迹仍为正六边形，只是旋转方向发生了变化向发生了变化当当S0与与S7作用时，电机的端电压为零它们不产生空间磁势作用时，电机的端电压为零它们不产生空间磁势将与各磁势相对应的电压将与各磁势相对应的电压Ui（SA SB SC）i=0，1，27，称为，称为“空间电压矢量空间电压矢量”F2F3F6F4F5F1U3U4U5U2U1U60U4U3U2U5U6U10F0F7第16页，共29页将电机与逆变器当作一个整体，不计定子绕组电阻由于：将电机与逆变器当作一个整体，不计定子绕组电阻由于：式中，式中，Ui（SA SB SC）为为第第i个开关状个开关状态时态时加在加在电电机上的机上的电压电压为为电电机内的机内的总总磁磁链链根据电压电压与磁与磁链链的上述关系，可用定子的上述关系，可用定子电压电压矢矢量来表示空量来表示空间间磁磁链链矢量将相平面的矢量将相平面的实轴实轴与与A相相绕组绕组重合，重合，电压电压Ui（SA SB SC）可写成如下矢量形式：）可写成如下矢量形式：i=0,1,2,3,4,5,6,7 当当i=1，U1（001）=Udej240在相平面是大小在相平面是大小为为d角度角度为为240度的矢量；度的矢量；当当i=5，U5（101）=Ud（1+ej240）在相平面是大小）在相平面是大小为为d角度角度为为300度的矢量。

度的矢量空空间电压间电压矢量在相平面上的位置与它矢量在相平面上的位置与它产产生的磁通矢量一致生的磁通矢量一致第17页，共29页磁链矢量增量的方向一定与电压矢量的方向相同如果电机中磁链矢量增量的方向一定与电压矢量的方向相同如果电机中有磁链矢量初始值，则总磁链是这两个矢量的矢量和零矢量有磁链矢量初始值，则总磁链是这两个矢量的矢量和零矢量作用时磁链矢量增量为零，磁链不移动作用时磁链矢量增量为零，磁链不移动磁链矢量是作用在其上的电压矢量的积分：磁链矢量是作用在其上的电压矢量的积分：磁通轨迹磁通轨迹PWM是利用这个矢量（是利用这个矢量（6个非零矢量、二个零矢量）进行个非零矢量、二个零矢量）进行合理组合，并调控选用矢量的作用时间使磁链轨迹尽可能地逼近圆形合理组合，并调控选用矢量的作用时间使磁链轨迹尽可能地逼近圆形逼近逼近圆圆形的方法很多，形的方法很多，现现以折以折线线逼近法逼近法为为例例说说明磁通明磁通轨轨迹迹PWM的基的基本方法将将圆圆周周6等分得到等分得到6个区域，每个区域有两个矢量相交按个区域，每个区域有两个矢量相交按顺时针顺时针方向，方向，第一个第一个为为主矢量，第二个主矢量，第二个为辅为辅助矢量。

每个区域助矢量每个区域仅选择仅选择主、主、辅辅和零矢量作和零矢量作用用折线线来逼近来逼近圆圆弧第18页，共29页U3U2U4U1U5U6（1）（2）（3）（4）（5）（6）U3U2U4U1U5U6（1）（2）（3）（4）（5）（6）一般，非零矢量作用一般，非零矢量作用时间时间都小于磁都小于磁链扫过该链扫过该区域的区域的时间时间为为使定子使定子磁磁链链的平均速度与的平均速度与设设定定值值相同，多余的相同，多余的时间应时间应由零矢量承担因由零矢量承担因为为零矢量作用零矢量作用时时定子磁定子磁链链静止不静止不动动选择选择零零电压电压矢量矢量S0或或S7的根据是空的根据是空间电压间电压矢量一次只能移矢量一次只能移动动一一个数字位的距离即，可以从个数字位的距离即，可以从100变变到到000而不可从而不可从110变变到到000当空间电压间电压矢量每次移矢量每次移动动两位或三位数字距离两位或三位数字距离时时，逆，逆变变器的器的输输出电压脉冲中就会出现反极性脉冲，导致反向转矩出电压脉冲中就会出现反极性脉冲，导致反向转矩第19页，共29页为防止转矩与转速的过分波动，零矢量要分散施加所以在区间为防止转矩与转速的过分波动，零矢量要分散施加。

所以在区间（1）中，当加入零电压矢量后，各矢量的作用顺序是：）中，当加入零电压矢量后，各矢量的作用顺序是：101（111）101001（000）001各矢量作用的时间的计算：各矢量作用的时间的计算：U4U3U2U5U6U10AB假假设电设电机在空机在空间电压间电压矢量矢量U4和和U6的的激励下，定子磁链矢量从点激励下，定子磁链矢量从点A移动到移动到点点B磁链矢量从磁链矢量从1（蓝）变为（蓝）变为2（红）磁链增量为（红）磁链增量为，磁链扫过的，磁链扫过的角度角度tN为磁链圆的等分份数为磁链圆的等分份数f为定子为定子电压频率电压频率 第20页，共29页对对N N和和tt有两种处理方法：一种是把调频范围分成若干区段，有两种处理方法：一种是把调频范围分成若干区段，在每一个区段内保持在每一个区段内保持N=N=常数，因而常数，因而tt随着随着f的变化而变化的变化而变化N的的值一定要是值一定要是6的倍数，以便使的倍数，以便使的终点落在区间的终点上另的终点落在区间的终点上另外一种处理方法是在整个调频范围内使外一种处理方法是在整个调频范围内使t等于常数这时等于常数这时N是是随随f而变化的，而变化的，N不一定是不一定是6的倍数。

前一种处理方法为同步调制；的倍数前一种处理方法为同步调制；后一种为异步调制后一种为异步调制在恒压频比下在恒压频比下磁磁链为链为常数，所以磁常数，所以磁链轨链轨迹的半径不迹的半径不变变设设U U4 4、U U6 6矢量矢量作用的时间分别为作用的时间分别为T T1 1、T T2 2，根据正弦定理有：，根据正弦定理有：第21页，共29页一般来说，非零矢量的作用时间都小于磁链扫过该区域的时间一般来说，非零矢量的作用时间都小于磁链扫过该区域的时间为使定子磁链的平均速度与设定值相同，多余的时间应由零矢为使定子磁链的平均速度与设定值相同，多余的时间应由零矢量承担：量承担：要使逆要使逆变变器器输输出三相出三相电压电压四分之一周期偶四分之一周期偶对对称，半周期奇称，半周期奇对对称，称，且相位互差且相位互差2/32/3则则应应取：取：第22页，共29页空间电压矢量空间电压矢量PWMPWM是借助空间电压矢量概念发展起来的一种是借助空间电压矢量概念发展起来的一种PWMPWM算法它不但可用于逆变器电机系统，也可以用在其它三相算法它不但可用于逆变器电机系统，也可以用在其它三相系统U2U3U6U4F5U1135246与上一节不同，它的矢量与上一节不同，它的矢量分区如图。

分区如图主要是要解决矢量的选择主要是要解决矢量的选择切换与作用时间问。