第八讲 SVPWM控制.ppt

第2章空间矢量脉宽调制控制主题，4。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制，经典SPWM控制的问题主要集中在使逆变器的输出电压尽可能接近正弦波；电流迟滞跟踪控制直接控制输出电流在正弦波附近变化，这比仅需要正弦电压提前了一步。然而，需要输入三相正弦电流的交流电机的最终目的是在电机空间中形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制，如果将逆变器和交流电机视为一个整体，通过跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的运行，效果应该会更好。这种控制方法称为“磁链跟踪控制”。下面的讨论将表明磁链的轨迹是通过交替使用不同的电压空间矢量而获得的，因此也称为“电压空间矢量控制”。电压空间矢量控制，空间矢量的定义交流电机绕组的电压、电流和磁链等物理量随时间变化。如果再次考虑绕组的空间位置，如图所示，它们可以定义为空间矢量uA0、uB0和uC0。电压空间矢量脉宽调制控制，定子电压空间矢量uA0、uB0、uC0始终在各相绕组的轴上，电压空间矢量脉宽调制的幅值按照正弦规律随时间脉动，时间相位错开120。复合空间矢量：将三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us为旋转空间矢量，其幅值为每相电压值的3/2倍。对于电压空间矢量脉宽调制控制，复合空间矢量单位由公式(2-14)表示。如果uAO、uBO和uCO是角频率为1的三相对称正弦波电压，则电压矢量us是以逆时针方向恒定速度旋转的空间矢量，角频率为1。空间矢量uS在三相坐标轴(A，B，C)上的投影是一个对称的三相正弦量。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制电压和磁链之间的关系空间矢量定子电压方程表示为复合空间矢量，其中us-定子三相电压复合空间矢量；定子三相电流合成空间矢量；S-定子三相磁通组合空间矢量。(2-15)，电压和磁链空间矢量之间的关系，当电机转速不是很低时，定子电阻电压降在方程(2-15)中占很小且可以忽略不计的分量，所以定子复合电压和复合磁链空间矢量之间的近似关系是，(2-16)，(2-17)，或，(4)电压空间矢量脉宽调制(SV脉宽调制)控制，磁链轨迹，当电机由三相平衡正弦电压供电时，电机的定子磁链幅值是恒定的， 它的空间矢量以恒定的速度旋转，磁通链矢量顶部的运动轨迹是圆形的(简称为磁通链圆)。 这种定子磁链旋转矢量可以由以下公式表示。(2-18)，其中 m是磁链 s的振幅，1是其旋转角速度。电压空间矢量脉宽调制控制可从等式(2-16)和(2-18)、(2-19)获得。上述方程表明，当磁链幅值恒定时，us的大小与1(或电源电压的频率)成正比，其方向与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，以及磁链轨迹与电压空间矢量的运动轨迹之间的关系。如图所示，当磁链矢量在空间旋转一次时，电压矢量也沿磁链圆的切线方向连续移动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电机旋转磁场的轨迹问题可以转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。在三相逆变器的开关状态表中，u0、u1和u2u7分别表示八种工作状态对应的电压空间矢量，在复平面上可以得到图2-28所示的电压空间矢量图。其中，u0和u7对应于电机三相绕组的零电压，所以它们被称为零矢量。为了便于讨论，逆变器的一个工作周期可以分为si逆变器每/3次切换其工作状态(即换向)，而在这/3次期间保持不变。随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅度将不会改变，并且相位将每次旋转/3，直到一个周期结束。这样，一个周期内的六个电压空间矢量旋转2弧度，形成如图所示的闭合正六边形。图2-29六脉冲逆变器供电时的电压空间矢量和磁通矢量。在对应于/3的时间t内，应用u1的结果是使定子磁链1产生幅度与|u1|成比例的增量，并且其方向与u1一致，最后获得新的磁链。然而，可以看出，在任何时候，产生的磁链增量的方向由所施加的电压决定，并且其幅度与施加电压的时间成比例。(2-20)。如果u1的动作时间T小于/3，I的振幅也会成比例地减小。等等，都可以写成一个通式，总之，在一个周期内，磁链空间矢量的尾部在o点，它的顶部运动轨迹是一个正六边形，周围有六个电压空间矢量。可以得出结论，如果交流电机仅由传统的六脉冲逆变器供电，磁链轨迹为六角形旋转磁场，这显然不能使电机以正弦波供电时产生的圆形旋转磁场一样的速度运行。如果你想获得一个更多边形或接近圆形的旋转磁场，你必须在每个周期有多个工作状态，以形成更多不同相位的电压空间矢量。虽然逆变器只有8个电压空间矢量，但它可以利用现代电力电子器件开关频率高的优势，将现有的8个电压空间矢量进行线性组合，获得更多幅值相等、相位不同于u1u6相位的电压空间矢量，从而尽可能多地用多边形磁通轨迹逼近理想的圆形磁场。为了有效控制磁链轨迹，必须解决三个问题：(1)如何选择电压矢量；(2)如何确定各电压矢量的作用时间；(3)如何确定各电压矢量的动作顺序。对于图2-28b中的6个扇区，可以选择两个相邻的电压矢量来合成箝位扇区中的任何电压矢量。在传统的六拍逆变器中，一个扇区仅包含两个开关操作状态。通过对应于时间T0将每个扇区分成几个单元来实现空间矢量脉宽调制控制。根据上述方法，插入几个线性组合的新电压空间向量us，以获得优于规则六边形的多边形(近似圆形)旋转磁场。电压空间矢量和空间矢量脉宽调制控制的线性组合，圆形旋转磁场近似法，脉宽调制控制能明显满足上述要求，问题是，如何控制脉宽调制的开关时间才能近似圆形旋转磁场。科技工作者提出了许多实施方法，如线性组合法、三阶段逼近法、比较判断法等。这里只介绍线性组合方法。其基本思想是，如果图形接近一个圆，则磁链增量轨迹可以增加。假设磁链增量由图中的4段组成：11、12、13和14。此时，施加在每个段中的电压空间矢量的相位是不同的，并且可以通过基本电压矢量的线性组合来获得。线性组合的方法，图2-30表示电压空间矢量的线性组合，图2-30表示由电压空间矢量的线性组合和形成新的电压矢量。在换向周期时间T0中设置，两个矢量的和可用于表示由两个矢量线性组合的电压矢量us=ur1，并且新矢量的相位为。图2-30示出了由u1和u2形成的新电压空间矢量的线性组合。在原始u1状态结束后，预计电压空间矢量ur1将在时间T0和ur1=u1.内起作用将部分u1向量和部分u2向量相加以获得向量ur1，t1u1/T0和t2u2/T0分别表示部分u1和部分u2向量，并且它们的组合向量是ur1。Us、u1和u2具有不同的相位和相同的幅度。如图2-31所示，新电压矢量ur1的作用时间为T0，因此磁链增量为l1=ur1T0。在下一个T0周期，u1和u2的线性组合仍然被选择，但是两者的作用时间不同于前一个间隔，从而可以获得与我们不同相位的电压矢量ur2，并且相应的磁链增量是l2.由几个Li (I=1，2，3，)呈现一个新的多边形，它比正六边形更接近圆形。根据磁链幅值应恒定的要求，可以用方程(2-17)写出如下方程：在上述方程中，u1作用时间为t1，u2作用时间为t2，根据获得圆形旋转磁场的要求，ur1作用时间应为T0，但T0不一定完全等于t1 t2，时差由零矢量u0(或u7)组成。(2-21)，应该指出，在零矢量作用期间，磁链实际上处于静态等待状态。在等式(2-21)中，u0的幅度为零，因此：上述等式转换为直角坐标系来表示，其中a=ur1，B=US，和。上述方程可求解如下：对于零矢量的使用，换向周期T0应由旋转磁场所需的频率决定，T0和t1 t2可能不相等，间隙时间可由零矢量u7或u0填充。为了减少功率器件的开关时间，通常u7和u0分别占用一半的时间。因此，0，在实际系统中，开关状态序列原则应使开关状态变化引起的开关损耗最小。因此，不同开关状态的顺序必须遵循以下原则：电压矢量的任何变化只能有一个桥臂的开关动作，并且在二进制矢量表示中仅显示一个变化以满足最小开关损耗。这是因为如果允许两个或三个桥臂同时工作，相反极性的电压脉冲将出现在在线电压的半周期中，这将产生反向转矩，导致转矩脉动和电磁噪声。在图2-28中，六个电压空间矢量在逆变器的一个占空比中形成六个扇区，每个间隔为/3电角度。每个工作区间是对称的，一个扇区的状态可以扩展到其他扇区。在传统的六拍逆变器中，在一个扇区中只有一个开关状态是活动的，而空间矢量脉宽调制控制将每个扇区分成几个单元。在每个单元之间有几个按一定规律作用的线性组合电压空间矢量ur，因此可以得到接近圆的多边形旋转磁场。一个扇区中分裂的细胞越多，它就越接近圆形旋转磁场。每个T0对应于脉宽调制电压波形中的一个脉冲波。例如，图2-28b所示扇区中的部分包括4个部分t1、t2、t7和t8，相应的电压空间矢量是u1、u2、u7和u8，即100、110、111和000，它们是4种开关状态。为了使电压波形对称，将每个状态的动作时间分成两个，从而形成电压空间矢量的动作顺序为12788721，其中1代表动作u1，2代表动作u2，这样，在此期间，逆变器三相的开关状态序列为100、110、111、000、000、111、110、100。根据最小开关损耗的原则，上述1278序列被认为是不合适的。因此，切换顺序应改为81277218，即切换状态顺序为000、100、110、111、111、110、100、000，从而满足一次只切换一个开关的要求。T0区间的电压波形、第一扇区T0区间的切换顺序和逆变器的三相电压波形，虚线之间的每一小段表示一种运行状态。如上所述，如果将一个扇区划分为4个小区，一个周期将出现24个脉冲波，功率器件的开关次数较多，必须选择开关频率较高的功率器件。当然，一个扇区中分裂的细胞越多，它就越接近圆形旋转磁场。根据机电原理，交流电机的转速取决于旋转磁场的速度，即定子磁通矢量的转速。从前面的分析可以看出，当定子绕组电阻电压降(一般很小)被忽略时，定子磁链矢量的变化率与电压矢量幅值成正比。因此，旋转磁场的旋转速度，即电机的旋转速度，可以通过改变电压vec的大小来控制在逆变器的DC电源电压Ud改变之后，每个电压矢量成比例地改变。优点是磁通(磁链)和转矩(转速)分别控制，电压矢量可以根据保持磁链矢量的幅值不变和减小谐波影响来选择，以优化脉宽调制逆变器的开关模式。其缺点是需要采用可控整流电路或斩波器进行DC电压调节，增加了控制电路的复杂性。恒转矩控制模式，适用于电机额定速度以下的降速调节。额定转速以上的恒功率控制可以采用弱磁模式，即保持脉宽调制逆变器的DC电压不变，电机转速随着给定磁链的减小而增大。(2)通过插入零电压矢量来控制电机速度。八个电压矢量中的两个是零矢量(u0，u7)。根据上面的分析，磁链矢量I的旋转速度近似与所选电压矢量的幅度成比例。因此，如果在某个时间选择零电压矢量，则此时磁链矢量的转速近似为零，从而通过适当选择零电压矢量可以降低磁链矢量I的转速。(1)电机的旋转磁场接近圆的程度取决于细胞之间的时间长度T0。T0越小，旋转磁场越接近圆，但是T0的最小值受到电源开关装置允许的开关频率的限制。(2)电压空间矢量直接产生脉宽调制脉冲，易于计算。(3)采用电压空间矢量脉宽调制控制时，逆变器输出线电压基波的最大幅度为DC侧电压，比普通SPWM逆变器的输出电压高15%。(4)空间矢量脉宽调制控制直接关注如何使电机获得圆形磁场，从而获得均匀的电磁转矩，有效抑制转矩脉动和噪声。电流跟踪控制的迟滞环路宽度应该是多少？如何利用现有的8个电压空间矢量进行线性组合，得到u1至u6不同相位的电压空间矢量？请画出第二扇区T0区间的开关顺序和逆变器在空间矢量脉宽调制控制模式下的三相电压波形(基于最小开关损耗原则)。5.优化脉宽调制技术。优化脉宽调制是根据某一额定目标预先计算所有工作频率范围内的开关角，然后通过查表或其他方法输出，形成脉宽调制波形。低阶谐波消除法：效率优化法：转矩脉动最小脉宽调制：特定谐波消除法的输出波形，图2-32特定谐波消除法的输出脉宽调制波形，采用直接计算方法开始和结束相位1、2、以消除指定数量的谐波并形成近似正弦脉宽调制。根据图2-32所示的脉宽调制波形的傅立叶分析，在公式(2-27)中，k谐波的相电压的幅值的表达式是ud-变压器DC侧电压。相位角代表脉宽调制波形的第一个开始或结束时间。理论上，为了消除第k次谐波分量，只需使等式(2-27)中的Ukm=0，并满足基波幅度是所需的电压值，以便求解相应的值。然而，图2-32的输出电压波形是一组正负交替的PWM波。它不仅是半周期对称的，而且是1/4周期轴对称的。在1/4周期内，有m个值，即m个未确定的参数，它们代表可用于消除特定谐波的自由度。除了必须满足的基波幅度之外，还有(m-1)个可选参数，分别代表可以消除的谐波数量。例如，取m=5可以消除不同时间的4个