空间矢量2013-1..pptx
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n问题的提出 n空间矢量的定义 n电压与磁链空间矢量的关系 n六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 n电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 n 问题的提出 经典的SPWM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 波形然而交流电动机需要输入三相正弦电流， 其最终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 如果对准“形成圆形旋转磁场”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工作，其效果应该更好 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PWM（SVPWM， Space Vector PWM）控制” 1. 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，也可 以如图所示，定义为 空间矢量uA0， uB0 ， uC0 图6-25 电压空间矢量 • 电压空间矢量的相互关系 n定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 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， 时间相位互相错开的角度也 是120°。
n合成空间矢量： us由三相定子电压空间矢量 相加合成， 是一个旋转的 空间矢量，它的幅值不变， 是每相电压值的3/2倍 Ua = Ua(t)ej0 Ub = Ub(t)ej2π/3 Uc = Uc(t)ej4π/3 U1= Ua + Ub + Uc = Ua(t)ej0+ Ub(t)ej2π/3 + Uc(t)ej4π/3 U1是一旋转空间矢量 ， 幅值是每相电压幅值 的1.5倍， 旋转的角速度等于正 弦电压量的角频率 电压空间矢量的相互关系 当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源 角频率1 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 us 就落在该相的 轴线上 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 Is 和Ψs 2. 电压与磁链空间矢量的关系 用合成空间矢量表示的定子电压方程式为： 式中 us — 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； Ψs— 定子三相磁链合成空间矢量 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式 中所占的成分很小，可忽略不计，则上式近似为 由式可得电压矢量的物理意义为： 电压矢量等于磁链运动的速度，电压矢量的大小 等于磁链的变化率（磁链运动速度的大小），电 压矢量的方向就是磁链运动的方向。
•磁链轨迹 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 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 上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与供电电 压频率成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链 圆的切线方向 •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， 电压矢量也连续地按磁 链圆的切线方向运动 2弧度，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 为电压空间矢量的运动 轨迹问题 图6-26 旋转磁场与电压空 间矢量的运动轨迹 3. 正六边形空间旋转磁场 （1）电压空间矢量运动轨迹 为了讨论方便起见，把三相逆变器-异步 电动机调速系统主电路的原理图绘出 Cd VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 A B C Ud 2 Ud 2 RL 定义：定义： “上管导通，下管关断” ―――“1”状态 “下管导通，上管关断”，―――“0”状态 逆变器共有8种工作状态: 001、010、011、100、101、110、111、000 对应于111和000这两个状态的矢量，称为零矢量， 零矢量的幅值为零。
其余六种开关状态为非零矢 量 Cd VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 A B C Ud 2 Ud 2 RL •开关工作状态 n6 种有效开关状态； n2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）： u上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通 u下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通 n开关控制模式 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 时刻内则保持不变 （a）开关模式分析 n设工作周期从100 状态开始，这时 VT1、 VT6、VT2 导通，其等效电路 如图所示各相对 直流电源中点的电 压都是幅值为 UAO’ = Ud / 2 UBO’ = UCO’ = - Ud /2 O + - iC Ud iA iB id VT1 VT6VT2 Cd VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 A B C Ud 2 Ud 2 RL （b）工作状态100的合成电压空间矢量 n由图可知，三相的合 成空间矢量为 u1，其 幅值等于Ud，方向沿 A轴（即X轴） u1 uAO’ -uCO’ -uBO’ A B C （c）工作状态110的合成电压空间矢量 n u1 存在的时间为 /3，在这段时间以 后，工作状态转为 110，和上面的分析 相似，合成空间矢 量变成图中的 u2 ， 它在空间上滞后于 u1 的相位为 /3 弧 度，存在的时间也 是 /3 。
u2 uAO’ -uCO’ uBO’ A B C （d）每个周期的六边形合成电压空间矢量 u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7 u8 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 /3 ，直到一个 周期结束 这样，在一个周期 中 6 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 （2）定子磁链矢量端点的运动轨迹 n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 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： 图6-29 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 设在逆变器工作开始 时定子磁链空间矢量为 1，在第一个 /3 期间 ，电动机上施加的电压 空间矢量为图中的 u1 ，按照式 可 以写成 也就是说，在 /3 所对应的时间 t 内，施加 u1 的结果是使定子磁链 1 产生一个增量，其幅 值 |u1| 与成正比，方向与u1一致，最后得到图6- 29所示的新的磁链，而 （5-46） 依此类推，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放 射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也 就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。
存在两个问题： 1.如何调速 2.如何让轨迹尽量接近圆形 n磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系 如果 u1 的作用时间 t 小于 /3 ，则 i 的幅值也按比例地减 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 图5-30 磁链矢量增量与电压矢量、 时间增量的关系 4. 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 如前分析，我们可以得到的结论是： n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 n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，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 •线性组合法的基本思路 图6-31 逼近圆形时的磁链增量轨迹 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11 ， 12 ， 13 ， 14 这 4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 的方法获得。
• 线性组合的方法 图6-32 电压空间矢量的线性组合 图6-32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T0 中，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us ，新矢量的相位为 （1）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 t1和 t2 在图6-32中，可以看出 （6-49） •零矢量的使用 换相周期 T0 应由旋转磁场所需的频率决 定， T0 与 t1+ t2 未必相等，其间隙时间可 用零矢量 u7 或 u8 来填补为了减少功率器 件的开关次数，一般使 u7 和 u8 各占一半时 间，因此 （6-55） ≥ 0 • 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 • 电压空间矢量的6个扇区 图6-33 电压空间矢量的放射形式和6个扇区 n在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个 开关工作状态。
n实现SVPWM控制就是要把每一扇区再分 成若干个对应于时间 T0 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 us，以获得优于正六边形的多边形 （逼近圆形）旋转磁场 • 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：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 • 插值举例 每一个 T0 相当于 PWM电压波形中的一 个脉冲波 n例如： 图6-32所示扇区内的区间包含t1， t2，t7 和 t8 共4段，相应的电压空间矢量为 u1，u2， u7 和 u8 ，即 100，110，111 和 000 共4种 开关状态 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 量的作用序列为：12788721，其中1表示作 用u1 ，2表示作用u2 ，…… 这样，在这一个时间内，逆变器三相的开 关状态序列为100，110，111，000，000， 111，110，100 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 为此，应该把切换顺序改为81277218， 即开关状态序列为000，100，110，111， 111，110，100，000，这样就能满足每次 只切换一个开关的要求了。
• T0 区间的电压波形 图6-34 第Ⅰ扇区内一段区间的开关序列与逆变器三相电压波形 虚线间的每一 小段表示一种 工作状态 n如上所述，如果一个扇区分成4个小区间， 则一个周期中将出现24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 小 结 归纳起来，SVPWM控制模式有以下特点： 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) 每个小区间均以零电压矢量开始，又以零 矢量结束 4) 利用电压空间矢量直接生成三相PWM波， 计算简便 5) 采用SVPWM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 SPWM逆变器输出电压提高了15% 返回目录 1. 空间矢量的定义 n定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 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。
