1、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
2、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：)(323432jwjvuseieiii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)(323432jwjvuseueuuu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
3、 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ujbujbV)()(21由于二相系统比三相系统变量少，理论上多用二相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。而不用三相。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
4、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)2121(60cos60cosCBA3C3B3A32iiiNiNiNiNiN)(2360sin60sinCB3C3B32iiNiNiNiNCBA232323021211iiiNNii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3223NNCBA23
5、2302121132iiiii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iiiiiCBA2/32/12/32/10132第7页，共29页。西南交通大学AiBiCiii2/323233iiAiBi12123iiAiBiCiAiBiCiii3/23/23/2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、5
6、61561、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如果将三相逆变器的上部元件的导通规定为如果将三相逆变器的上部元件的导通规定为1 1、关断规、关断规定为定为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tuaniabc
7、tV6V1V2V3V4V5V6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dtdiLvaadtdiLvbbdtdiLvcctLVIidcma322tLVIidcmb32tLVIidcmc3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)(32)(3432jcjbaeieiiti)(32)(3432jcjbaeueuutvdVtv32)()23()322(32)(mdmIjtLVIti第12页，共29页。西南交通
8、大学当负载中含有电阻时当负载中含有电阻时6/)5.0(5.032TIILVmmdLTVIdm9dtdiLiRvssss通解是通解是/1)(tsssCeVRti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
9、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
10、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：tdtdSSSuCBAi)(式中，式中，Ui（SA SB SC）为第）为第i个开关状态时加在电机上的电压。个开关状态时加在电机上的电压。
11、为为电机内的总磁链。根据电压与磁链的上述关系，可用定子电压矢电机内的总磁链。根据电压与磁链的上述关系，可用定子电压矢量来表示空间磁链矢量。将相平面的实轴与量来表示空间磁链矢量。将相平面的实轴与A相绕组重合，电压相绕组重合，电压Ui（SA SB SC）可写成如下矢量形式：）可写成如下矢量形式：)()(00240120jCjBAdcBAieSeSSUSSSu i=0,1,2,3,4,5,6,7 当当i=1，U1（001）=Udej240在相平面是大小为在相平面是大小为d角度为角度为240度的矢量；度的矢量；当当i=5，U5（101）=Ud（1+ej240）在相平面是大小为）在相平面是大小为d角度为
12、角度为300度的矢量。度的矢量。空间电压矢量在相平面上的位置与它产生的磁通矢量一致。空间电压矢量在相平面上的位置与它产生的磁通矢量一致。第17页，共29页。tSSSudtSSSuCBAiCBAisi)()(00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
13、用这个矢量（是利用这个矢量（6个非零矢量、二个零矢量）进个非零矢量、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。形。逼近圆形的方法很多，现以折线逼近法为例说明磁通轨迹逼近圆形的方法很多，现以折线逼近法为例说明磁通轨迹PWM的基的基本方法。本方法。将圆周将圆周6等分得到等分得到6个区域，每个区域有两个矢量相交。按顺时针方向，个区域，每个区域有两个矢量相交。按顺时针方向，第一个为主矢量，第二个为辅助矢量。每个区域仅选择主、辅和零矢量作第一个为主矢量，第二个为辅助矢量。每个区域仅选择主、辅和零矢量作用。用折
14、线来逼近圆弧。用。用折线来逼近圆弧。第18页，共29页。U3U2U4U1U5U6（1）（2）（3）（4）（5）（6）U3U2U4U1U5U6（1）（2）（3）（4）（5）（6）一般，非零矢量作用时间都小于磁链扫过该区域的时间。为使定子一般，非零矢量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量承担。因为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。因为零矢量作用时定子磁链静止不动。零矢量作用时定子磁链静止不动。选择零电压矢量选择零电压矢量S0或或S7的根据是空间电压矢量一次只能移动一的根据是空间电压矢量一次只能移动一个数字位的距离。即，可以
15、从个数字位的距离。即，可以从100变到变到000而不可从而不可从110变到变到000。当空间电压矢量每次移动两位或三位数字距离时，逆。当空间电压矢量每次移动两位或三位数字距离时，逆变器的输变器的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
16、间的计算：U4U3U2U5U6U10AB假设电机在空间电压矢量假设电机在空间电压矢量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tNft1N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。
17、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的倍数。前一种处理方法为同步调制；后一种为异步调制。制；后一种为异步调制。tConsTttanNNffT212在恒压频比下在恒压频比下磁链为常数，所以磁链轨迹的半径不变。磁链为常数，所以磁链轨迹的半径不变。设设U U4 4、U U6 6矢矢量作用的时间分别为量作用的时间分别为T T1 1、T T2 2，根据正弦
18、定理有：，根据正弦定理有：第21页，共29页。32sinsin)3sin(ABML132TULd232TUMdmmmNAB2sin )3sin(21dUfNUTsin22dUfNUT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：212101TTNfTTTT要使逆变器输出三相电压四分之一周期偶对称，半周期奇对称，要使逆变器输出三相电压四分之一周期偶对称，半周期奇对称，且相位互差且相位互差2/32/3则则应取：
19、应取：第22页，共29页。)12(360iNi），Ni21(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。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题。切换与作用时间问题。参考电压矢量参考电压矢量uref在二维静止在二维静止坐标系坐标系轴、轴、轴的分量轴的分量u 、u 以及以及PWM的计算周
20、期为已的计算周期为已知量知量第23页，共29页。03UU03UU通过分析通过分析可以得到如下的规律：可以得到如下的规律：则则A=1A=1，否则，否则A=0A=0；则则B=1B=1，否则，否则B=0B=0；则使则使C=0C=0，否则，否则C=1C=10U如果如果如果如果如果如果可以得到扇区号：可以得到扇区号：N=A+2B+4CN=A+2B+4C计算在不同扇区内两计算在不同扇区内两个相邻电压矢量的作个相邻电压矢量的作用时间可以归纳为用时间可以归纳为3 3个值个值X X、Y Y、Z Z的计算：的计算：dsdsdsUTUUZUTUUYUTUX/2323/2323/3第24页，共29页。对于不同的扇区对
21、于不同的扇区T T1 1T T2 2按表取值按表取值扇区号扇区号1 12 23 34 45 56 6T1T1Z ZY Y-Z-Z-X-XX X-Y-YT2T2Y Y-X-XX X Z Z-Y-Y-Z-ZsTTT21)/()/(21222111TTTTTTTTTTss赋值后，还要对赋值后，还要对T T1 1T T2 2进行饱和判断。若进行饱和判断。若则取：则取：；、tcontbontaon2/2/4/)(2121TTTTTTTTTTbcabsa计算空间电压矢量切换点计算空间电压矢量切换点第25页，共29页。扇区号扇区号1 12 23 34 4 5 5 6 6TaonTaonTbTbTaTaTaT
22、aTcTcTcTcTbTbTbonTbonTaTaTcTcTbTbTbTbTaTaTcTcTconTconTcTcTbTbTcTcTaTaTbTbTaTa为输出为输出SVPWMSVPWM波形，将波形，将t taonaon、t tbonbon、t tconcon与一个三角波比较，与一个三角波比较，当三角当三角波的值大于相应的控制信号值波的值大于相应的控制信号值时输出时输出PWMPWM波形。波形。SVPWMSVPWM的算法有多种。的算法有多种。第26页，共29页。例：根据例：根据SPWM作出空间磁链的轨迹作出空间磁链的轨迹F2F3F6F4F5F1F0F7U3U4U5U2U1U6U7U0U7U0U7
23、U0在三分频调制时磁链轨在三分频调制时磁链轨迹是一个正迹是一个正6边形。调边形。调幅将只影响零矢量与非幅将只影响零矢量与非零矢量的比例。零矢量的比例。第27页，共29页。F2F3F6F4F5F1F0F7矢量次序：矢量次序：5754045764046762023732。在相平面上，磁链不为正对称图形。实际上在相平面上，磁链不为正对称图形。实际上载波比不是载波比不是3的倍数，不能使波形对称。的倍数，不能使波形对称。第28页，共29页。F2F3F6F4F5F1F0F7矢量次序：矢量次序：575104575404在在9分频调制时磁链轨迹分频调制时磁链轨迹是一个对称是一个对称24边形。图未边形。图未按比例做。零矢量不是等按比例做。零矢量不是等宽度的。宽度的。第29页，共29页。
