1、异步电机调速系统及主轴驱动异步电机调速系统及主轴驱动第第 5 章章 直流机 交流机结构及制造结构及制造有电刷，制造复杂有电刷，制造复杂 无电刷，结构简单无电刷，结构简单电机容量电机容量 十几十几MW（双电枢）（双电枢）数倍数倍电枢电压电枢电压 1KV 610KV转速转速 1000多多RPM 0几万几万RPM功率密度比功率密度比 小小 大大维护量维护量 大大 小小安装环境安装环境 要求高要求高 要求低要求低转距控制转距控制 简单简单 复杂复杂交流调速系统的发展n近年，在发达国家，交流调速80，直流调速10，其他方案10。n驱动的交流化和超高速、超大型化 *减少维护为目的 *直流调速达不到的领域：
2、大功率、高压、高速场合应用交流调速系统。n现在绝大多数数控机床的主轴驱动系统均采用三相笼型异步电动机配置矢量变换变频调速。补充：异步交流电动机工作原理 导线切割磁力线产生感应电动势磁极旋转产生旋转磁场闭合导线产生 i通电导线在磁场中受力异步电动机原理模拟装置图异步电动机原理模拟装置图三相异步机的结构空间对称的三相定子绕组：通以三相对称电流，产生旋转磁场YBXAZC转子转子定子定子定子绕组定子绕组（三相）（三相）鼠笼转子鼠笼转子 n1nmItw022cosIKTmT电磁转矩电磁转矩 T：定子：三相绕组在空间位置上互差定子：三相绕组在空间位置上互差120度电角度。度电角度。结论：1.有一旋转磁场存
3、在有一旋转磁场存在2.线圈跟着磁铁一起旋转，转向相同，但线圈比磁线圈跟着磁铁一起旋转，转向相同，但线圈比磁场转得慢场转得慢0nn异步异步分）转/(6010pfn 异步电动机的同步转速 旋转磁场的转速 异步电动机的转速 由上述公式可得，有三种调速方法，最常用的是变频调速。由上述公式可得，有三种调速方法，最常用的是变频调速。分）转/(60)1(1pfsn5.1 变压变频调速的调速原理变压变频调速的调速原理 在进行电机变频调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，导致过大的励磁电流
4、，严重时会因绕组过热而损坏电机。由式可知，只要控制好 Eg 和 f1，便可达到控制磁通m 的目的。mNs1g44.4SkNfE 定子每相电动势1.基频以下调速 要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg，使 1gfE常值即恒电动势频率比的控制方式恒电动势频率比的控制方式。问题：绕组中的感应电动势是难以直接控制的。三相异步电动机的“电磁”关系 e1：主磁通产生的感应电动势。定子电路定子电路i2R1R2i1u1e1e2转子电路转子电路111111eeeRiun当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U1 E1。n电动机是一个电阻、电
5、感、反电动势负载。n定子边电压方程：恒压频比的控制方式 这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。常值1fUs1gfE常值问题：在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗、感抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似近似地补偿定子压降地补偿定子压降。OUsf 1图6-1 恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不同，在控制软件中，须备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。2.基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向
6、上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，弱磁升速。mNs1g44.4SkNfE 变压变频控制特性图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 f1NUsUsNmNmmUsf1O 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，则转矩基本上随磁通变化，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。22cosIKTmTf1NUsN恒转矩调速恒转矩调速恒功率调速恒功率调速mUsf1O2.恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机
7、械特性当定子电压 Us 和电源角频率 w1 恒定时，异步电机机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax调速机械特性调速机械特性eTOnN0n03n02n01nN1w11w12w13w131211N1wwww补偿定子压补偿定子压降后的特性降后的特性neTON0nc0nb0na0nN1wa1wb1wc1wc1wb1wa1wN1w图 基频以上图 基频以下小小 结结n电压Us与频率w1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。n在基频以下，采用保持磁通m不变的恒US/w1比控制，为恒转距调速方法。n在
8、基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。引言 对异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时调节电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。第二节第二节 变频器的基本结构变频器的基本结构 1、交、交-直直-交变压变频器基本结构交变压变频器基本结构变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。目前，通用的是交-直-交变频器。2、P
9、WM变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C逆变逆变整流整流 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器。PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。（2）输出电压波形虽是一系列的
10、PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。按照中间直流环节的不同，逆变器可以分成电压源型电压源型和电流源型电流源型两类。电压源型逆变器直流环节采用大电容大电容滤波（比较通用）。因而直流电压波形比较平直，输出交流电压是矩形波或阶梯波，简称电压型逆变器。电流源型逆变器采用大电感大电感滤波。直流电流波形比较平直，输
11、出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。3 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器中间直流蓄能环节上能量的处理见书本中间直流蓄能环节上能量的处理见书本变频器的控制电路变频器的控制电路 组成：组成：运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。主要任务主要任务：完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等 实现：实现：微处理器控制。DSP全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。引子变频器的和的调节均通过逆变器按PWM的方式来完成 VD1VD3VD5VD4VD6VD2UdV1V4V3V5V2V6AC第三节第三节 正弦波脉
12、宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）问题：逆变器输出电压波形是一系列的PWM波，期望波形是幅值、频率可调的正弦波，两者之间如何等效。-正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术补充知识见补充知识见PDF1、正弦波脉宽调制、正弦波脉宽调制(SPWM)的基本原理的基本原理按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦脉冲波面积相等，这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3
13、VT6VT5VT2三相桥式三相桥式SPWM逆变器原理逆变器原理图图控制电路整流器中间环节逆变器M主回路主回路控制回路控制回路 驱动控制信号的脉宽和频率决定了PWM主电路输出的脉冲信号的脉宽和频率。所以逆变器要能够输出与正弦波等效的脉冲序列，必须要控制电路能产生这样的驱动脉冲信号。2、正弦波脉宽调制、正弦波脉宽调制(SPWM)以正弦波作为逆变器输出的期望波形，用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。SPWM控制脉冲的调制控制脉冲的调
14、制图6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud（1）单极性）单极性PWM控制方式控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得的SPWM波也只处于一个极性范围内，叫做单极性控制方式。（2）双极性PWM控制方式图6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud如果三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。3.SPWM控制电路n模拟电子电路(调制)采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；三相对称的正弦参考电压信号ura、urb、u
15、rc的频率决定逆变器输出的基波频率，参考信号的幅值决定逆变器输出电压的大小。所以参考信号的频率应在逆变器所要求的输出频率范围内可调。其幅值也可在一定范围内变化。n数字控制电路 硬件电路；软件实现。由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。自然采样法规则采样法4.PWM调制方法调制方法n载波比载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N=fc/fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。（1
16、）同步调制 同步调制同步调制载波比N 等于常数，即在变频时，载波和调制波频率的变化保持同步。调制波一周期内输出SPWM脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出波形之间具有120相位移的对称关系；并使每相的SPWM波正负半周完全对称。（优点）ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud2Ud同步调制三相PWM波形 缺点：fr 很低时，fc 也很低，每个周期内的SPWN脉冲数很少，相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生转矩脉动和噪音。fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。（1）异步调制 异步调制异步调制载波比N 不为
17、常数，载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的；逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了低频工作的特性。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。（3）分段同步调制 可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把
18、两者的优点结合起来。把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；SPWM的软件实现n自然采样法只是把同样的方法数字化，自然采样法的运算比较复杂；n规则采样法在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。(1)自然采样法自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，即需花费太多计算时间和内存。所以自然采样法虽然能真实地反映脉冲产生与结束的时刻，却难以用于实时控制中。2231,tttt正弦调制信号波 式中，M 称为调制度调制度，0
19、M1；2/2sin1c2rTttMAwtMurrsinw2/2sin1c2rTttMBw脉冲宽度脉冲宽度)sin(sin212222BACttMTtttww（2）规则采样法 图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻 tA和B点时刻 tB控制开关器件的通断。规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽
20、度非常接近 最简单的变频传动系统是采用变压、频率协调控制的开环系统，开环型的变频器是指不带速度反馈的变频器 整流IPM智能功率模块主微处理器过电压与过电流检测通信和界面管理CPU50HzM 3通信接口显示器和键盘控制电路主电路IGBT功率开关管驱动电路短路保护电路电力二极管不控整流TTL电平的控制信号可以直接驱动IPM模块产生PWM脉冲，目前，常采用16位的DSP芯片VVVF变频器的基本结构变频器的基本结构 需使用者设置控制参数需使用者设置控制参数：1.频率指令信号的选择、2.升降频时间的设定、3.频率和电压范围的设定、4.V/F曲线的选择、5.电动机停止方式的选择、6.防止过压失速功能的设定
21、、7.防止过流失速功能的设定、8.停电后再运行的情况选择等等。1.频率指令信号的选择 有三种选择有三种选择：q由变频器的键盘设定，q频率由外接的05V模拟信号控制，方向由外接的一位开关信号控制。q频率控制信号由上位机通过串行通讯的方式输入。2.频率和电压范围的设定 变频器的输出频率和输出电压的范围是可以设定的，设定的内容包括最低输出频率、最高输出频率、最低输出电压、最高输出电压等。3.V/F曲线的选择 n对于不同的电动机和负载状况，需要不同规律的V/F曲线与之适配，变频器中一般存有数十种不同规律的V/F曲线，可以同过设置参数来选择。4.电动机停止方式的选择 电动机的两种停止方式：q一种是以制动
22、的方式立即停止q另一种是以自由运转的方式停止前者一般伴随着较大的泵升电压的产生。这两种停止的方式可以通过设置参数来选择。5.防止过压失速功能的设定 “失速失速”选择了防止过压失速功能的情况下，当变频器检测到了直流侧的母线电压过高，但还没有导致过压保护动作时，变频器会自动暂停减速，输出的频率暂时保持在当前值不变，直到直流母线电压降低后，再继续减速。6.防止过流失速功能的设定 在选择了防止过流失速功能的情况下，当变频器检测到了电流过大，但还没有导致过流保护动作时，变频器会自动暂停加速，输出的频率暂时保持在当前值不变，直到电流降低后，再继续加速。7.停电后再运行的情况选择 在停电后，根据不同的负载工
23、况，应该对再来电以后的情况做出不同的选择。通过参数的设定，一般可以选择再来电后继续运行和再来电后停车不运行。数字控制通用变频器数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图异步电动机调速系统原理图M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2 2.电路分析l主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。l限流电阻限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗）
24、，通上电源时，先限制充电电流，再用延时开关K将其短路，以免长期接入，影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。主电路（续）u泵升限制电路泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。图图 三相二极管整流电路的输入电流波形三相二极管整流电路的输入电流波形主电路（续）u进
25、线电抗器进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形，如图所示。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。电路分析（续）l控制电路控制电路现代SPWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。控制电路（续）uPWM信号产生信号产生可以由微机
26、本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。u检测与保护电路检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。控制电路（续）u信号设定信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。u由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U/f 函数发生器的特性来补偿，使系统达到恒定，在通用产
27、品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。补偿方法 实现补偿的方法有两种：n一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U/f 函数，由用户根据需要选择最佳特性；n另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。控制电路（续）u给定积分给定积分由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频率设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。控制电路（续）tff*ufu斜坡函数U/f 曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设
28、定PWM产生图6-39 PWM变压变频器的基本控制作用 综上所述，PWM变压变频器的基本控制作用如图示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。第五节第五节 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制 （或称磁链跟踪控制技术）（或称磁链跟踪控制技术）本节提要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
29、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“电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）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uA
30、0，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。C0B0A0suuuuUa =Ua(t)ej0Ub=Ub(t)ej2/3Uc =Uc(t)ej4/3U1=Ua +Ub +Uc=Ua(t)ej0j0+Ub(t)ej2/3+Uc(t)ej4/321)3/2sin()(21)3/2sin()(21sin)()3/2()3/2()3/
31、2()3/2(wwwwwwwwwtjtjctjtjbtjtjaeejtUtUeejtUtUeejtUtU)2/(123wtjUeUU1是一旋转空间矢量，是一旋转空间矢量，幅值是每相电压幅值幅值是每相电压幅值的的1.5倍，倍，旋转的角速度等于正旋转的角速度等于正弦电压量的角频率弦电压量的角频率。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w1 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s。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：
32、tRddssssIu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；s 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 t ddssu t ddssu 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。tj1emsw)2(m1m1ms111e
33、e)e(ddtjtjtjjtwwwwwu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。CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL“上管导通，下
34、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。CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL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
35、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/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL（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）。u1uAO-uCO-uBOABC（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
36、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。u2uAO-uCOuBOABC（d）每个周期的六边形合成电压空间矢量 u1u2u3u4u5u6u7 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
37、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t ddssu 11 ut 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 112（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
38、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。AB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。线性组合法线
39、性组合法的基本思路的基本思路图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 sincosss202101suuuuujTt
40、Tt（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)(2121087ttTtt（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、，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
41、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：每次切换开每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。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
42、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
43、-34 第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
44、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，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。C0B0A0suuuu复习：复习：2.电压与磁链空间矢量的关
45、系 用合成空间矢量表示的定子电压方程式tRddssssIu 当电动机转速不是很低时t ddssu 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。3.正六边形空间旋转磁场CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL 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 T/6 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 T/6 时刻内则保持不变。n开关控制模式（a）开关模式分析 CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2
46、RLu1uAO-uCO-uBOABC100u2uAO-uCOuBOABC110u1u2u3u4u5u6u7 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/3，一个周期结束，形成一个封闭的正六边形，如图所示。电压空间矢量运动轨迹n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 这个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨这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。运动轨迹。式 可以写成t ddssu 11 ut 设逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为 1，在第一个 T
47、/6 期间，电动机上施加的电压空间矢量为u1，结果是使定子磁链 1 产生一个增量，得到图示新磁链。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 T/6，则 i 的幅值也按比例地减小，如图 示矢量 。可见，所产生的磁可见，所产生的磁链增量的幅值则正比链增量的幅值则正比于施加电压的时间。于施加电压的时间。AB 要改变电动机磁场的旋转速度，就是要改变磁场旋转周期，即改变 中的作用时间t。tut：磁链端点在六边形的每个边上的运行时间：可以改变磁链运行速度，而不改变磁链的运行轨迹，从而实现了。在恒磁通前提下调速的本质：在恒磁通前提下调速的本质：保证非零矢量作用时间t2不变的前
48、提下，插入零矢量，改变零矢量的作用时间t1，从而使t发生改变。磁链端点在六边形的每个边上的运行时间t：tt1t2 零矢量作用的时间非零矢量作用的时间4.零矢量的作用（改变磁场的旋转速度，起调速作用）改变非零矢量的作用时间改变非零矢量的作用时间t2与总的作用时间与总的作用时间t的的比值，就既改变了输出电压的频率，同时也改变比值，就既改变了输出电压的频率，同时也改变了输出电压的幅值。了输出电压的幅值。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
49、每一个/3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。n基本原理基本原理：利用6个基本的非零电压矢量，控制磁通轨迹，利用零矢量控制磁通的运行速度。5.空间电压矢量控制算法 如何获得更多的电压空间矢量如何获得更多的电压空间矢量利用基本的非零电压空间矢量u1到u6,以及零矢量有u0和u7的线性组合，获得更多的电压空间矢量，这些电压矢量都是等幅而不同相位的。在一个周期内，逆变器的开关状态将超过6个，有些开关状态会多次重复出现。逆变器的输出电压是一系列等幅不等宽的脉冲波，这就是实用的空间电空间电压矢量压矢量PWM控制方式控制方式，一般称为SVPWM方式。
