空間電壓矢量PWM學(xué)習(xí)教案

1、空間電壓空間電壓(diny)矢量矢量PWM第一頁，共29頁。第第1 1節(jié)節(jié) 空間矢量理論空間矢量理論(lln)(lln)基礎(chǔ)基礎(chǔ)1. 1. 空間矢量空間矢量(shling)(shling)理論理論iAiBiC t t t t1 1 t t2 2 t t3 3FACBs在三相電機(jī)中，三相對(duì)在三相電機(jī)中，三相對(duì)(xingdu)(xingdu)稱繞組通上稱繞組通上相對(duì)相對(duì)(xingdu)(xingdu)稱電流要產(chǎn)生一個(gè)空間磁勢矢稱電流要產(chǎn)生一個(gè)空間磁勢矢量量F F（旋轉(zhuǎn)磁勢矢量）。我們認(rèn)為磁勢矢量（旋轉(zhuǎn)磁勢矢量）。我們認(rèn)為磁勢矢量F F是由是由一個(gè)對(duì)應(yīng)的等效電流矢量產(chǎn)生，稱其為空間電流一個(gè)對(duì)應(yīng)的等效

2、電流矢量產(chǎn)生，稱其為空間電流矢量矢量第1頁/共29頁第二頁，共29頁?？臻g電流空間電流(dinli)(dinli)矢量的定義：矢量的定義：)(323432jwjvuseieiii同樣三相繞組上的電壓構(gòu)成空間同樣三相繞組上的電壓構(gòu)成空間(kngjin)(kngjin)電壓矢量電壓矢量)(323432jwjvuseueuuu旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢并不一定非要三相不可，除單相以外，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、四相、二相、三相、四相、 任意對(duì)稱的多相繞組任意對(duì)稱的多相繞組(roz)(roz)，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，其中以兩相最為簡單磁

3、動(dòng)勢，其中以兩相最為簡單第2頁/共29頁第三頁，共29頁。ii t t t t1 1 t t2 2 t t3 3Fs它也可以它也可以(ky)(ky)寫成空間電流矢量形式寫成空間電流矢量形式ujbujbV)()(21由于二相系統(tǒng)比三相系統(tǒng)變量少，理論上多用二相由于二相系統(tǒng)比三相系統(tǒng)變量少，理論上多用二相而不用三相。實(shí)際的三相需要變換而不用三相。實(shí)際的三相需要變換(binhun)(binhun)成成二相。二相。變換變換(binhun)(binhun)的主要原則是變換的主要原則是變換(binhun)(binhun)前后磁勢不變、功率不變前后磁勢不變、功率不變2. Clarke 2. Clarke 變

4、換變換(binhun)(binhun)第3頁/共29頁第四頁，共29頁。AN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB圖中繪出了圖中繪出了A A、B B、C C和和、兩個(gè)坐標(biāo)系，取兩個(gè)坐標(biāo)系，取A A軸和軸和軸軸重合。設(shè)三相重合。設(shè)三相(sn xin(sn xin) )繞組每相匝數(shù)為繞組每相匝數(shù)為N3N3，兩相，兩相繞組每相匝數(shù)為繞組每相匝數(shù)為N2N2第4頁/共29頁第五頁，共29頁。寫成矩陣寫成矩陣(j zhn)(j zhn)形式，得形式，得 三相總磁動(dòng)勢與二相總磁動(dòng)勢相等，兩套繞組任意三相總磁動(dòng)勢與二相總磁動(dòng)勢相等，兩套繞組任意(rny)(rny)瞬時(shí)磁動(dòng)勢在瞬時(shí)磁動(dòng)勢在 、 軸上的

5、投影都應(yīng)相軸上的投影都應(yīng)相等，即等，即)2121(60cos60cosCBA3C3B3A32iiiNiNiNiNiN)(2360sin60sinCB3C3B32iiNiNiNiNCBA232323021211iiiNNii第5頁/共29頁第六頁，共29頁。因變換因變換(binhun)(binhun)前后總功率不變，匝數(shù)比應(yīng)為前后總功率不變，匝數(shù)比應(yīng)為3223NNCBA232302121132iiiii即即從二相坐標(biāo)系變換從二相坐標(biāo)系變換(binhun)(binhun)到三相坐標(biāo)系到三相坐標(biāo)系iiiiiCBA2/32/12/32/10132第6頁/共29頁第七頁，共29頁。AiBiCiii2/3

6、23233iiAiBi12123iiAiBiCiAiBiCiii3/23/23/2和和2/32/3變換器的電路變換器的電路(dinl)(dinl)與符號(hào)與符號(hào)第7頁/共29頁第八頁，共29頁。第第2 2節(jié)節(jié) 三相逆變器感應(yīng)電機(jī)三相逆變器感應(yīng)電機(jī)(dinj)(dinj)系統(tǒng)的矢量分系統(tǒng)的矢量分析析6 6脈沖脈沖(michng)(michng)方式的電流空間矢量軌跡方式的電流空間矢量軌跡逆變器的運(yùn)行逆變器的運(yùn)行(ynxng)(ynxng)模式：模式：612612、123123、234234、345345、456456、561561、612612，施加在電機(jī)定子繞組上的施加在電機(jī)定子繞組上的相電壓是

7、一個(gè)六階梯波電壓相電壓是一個(gè)六階梯波電壓Ud+ +- -T1T5T3T4T2T6ABCn第8頁/共29頁第九頁，共29頁。tuanubnucntt101100110010011001V6V1V2V3V4V5165162132432435465如果如果(rgu)(rgu)將三相逆變器的上部元件的導(dǎo)通規(guī)定為將三相逆變器的上部元件的導(dǎo)通規(guī)定為1 1、關(guān)斷規(guī)定為關(guān)斷規(guī)定為0 0，則逆變器的工作狀態(tài)可用二進(jìn)制編碼表示，則逆變器的工作狀態(tài)可用二進(jìn)制編碼表示由電路由電路(dinl)(dinl)得電壓方程（不計(jì)電阻）得電壓方程（不計(jì)電阻）第9頁/共29頁第十頁，共29頁。tuaniabctV6V1V2V3V4

8、V5V6由電壓由電壓(diny)(diny)方程得三相電流波形，如圖方程得三相電流波形，如圖dtdiLvaadtdiLvbbdtdiLvcctLVIidcma322tLVIidcmb32tLVIidcmc3第10頁/共29頁第十一頁，共29頁。對(duì)指定對(duì)指定(zhdng)(zhdng)的區(qū)域，代入空間矢量表達(dá)的區(qū)域，代入空間矢量表達(dá)式式可知，對(duì)每個(gè)區(qū)域空間可知，對(duì)每個(gè)區(qū)域空間(kngjin)(kngjin)電壓矢量幅值電壓矢量幅值為為2Vd/3,2Vd/3,電流的最大值是電流的最大值是)(32)(3432jcjbaeieiiti)(32)(3432jcjbaeueuutvdVtv32)()23(

9、)322(32)(mdmIjtLVIti第11頁/共29頁第十二頁，共29頁。當(dāng)負(fù)載中含有當(dāng)負(fù)載中含有(hn yu)(hn yu)電阻時(shí)電阻時(shí)6/)5 . 0(5 . 032TIILVmmdLTVIdm9dtdiLiRvssss通解通解(tngji)(tngji)是是/1)(tsssCeVRti第12頁/共29頁第十三頁，共29頁。SVMSVM理論：時(shí)間間隔理論：時(shí)間間隔(jin g)(jin g)的推導(dǎo)的推導(dǎo)與矢量控制聯(lián)系與矢量控制聯(lián)系(linx)(linx)：在：在dqdq軸系上時(shí)間間隔的表軸系上時(shí)間間隔的表達(dá)式達(dá)式開關(guān)開關(guān)(kigun)(kigun)參考函數(shù)參考函數(shù)開關(guān)順序的確定開關(guān)順序

10、的確定離散參考函數(shù)：減小開關(guān)損耗離散參考函數(shù)：減小開關(guān)損耗不同的矢量不同的矢量PWMPWM比較比較SVMSVM的過調(diào)制的過調(diào)制電壓頻率比控制電壓頻率比控制第13頁/共29頁第十四頁，共29頁。低頻運(yùn)行低頻運(yùn)行(ynxng)(ynxng)模式模式高頻高頻(o pn)(o pn)運(yùn)行模式運(yùn)行模式SVMSVM的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)(shxin)(shxin)Park Park 變換變換磁通矢量的確定與理想磁鏈軌跡磁通矢量的確定與理想磁鏈軌跡第14頁/共29頁第十五頁，共29頁。各開關(guān)狀態(tài)各開關(guān)狀態(tài)(zhungti)下產(chǎn)生的磁勢幅值相等，產(chǎn)生的磁鏈大小下產(chǎn)生的磁勢幅值相等，產(chǎn)生的磁鏈大小也必然相等當(dāng)逆變器按狀態(tài)

11、也必然相等當(dāng)逆變器按狀態(tài)(zhungti)S1、3、2、6、4、5、1動(dòng)作，則在電機(jī)氣隙空間的磁通勢的軌跡在復(fù)平面上為正六邊動(dòng)作，則在電機(jī)氣隙空間的磁通勢的軌跡在復(fù)平面上為正六邊形。如果逆變器狀態(tài)形。如果逆變器狀態(tài)(zhungti)按按S1、5、4、6、2、3、1變化，變化，電機(jī)氣隙空間磁鏈變化的軌跡仍為正六邊形，只是旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生電機(jī)氣隙空間磁鏈變化的軌跡仍為正六邊形，只是旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化。了變化。 當(dāng)當(dāng)S0與與S7作用時(shí)，電機(jī)的端電壓為零。它們作用時(shí)，電機(jī)的端電壓為零。它們(t men)不產(chǎn)生不產(chǎn)生空間磁勢。將與各磁勢相對(duì)應(yīng)的電壓空間磁勢。將與各磁勢相對(duì)應(yīng)的電壓Ui（SA SB SC）i=

12、0，1，27，稱為，稱為“空間電壓矢量空間電壓矢量”。F2F3F6F4F5F1U3U4U5U2U1U60U4U3U2U5U6U10F0F7第15頁/共29頁第十六頁，共29頁。將電機(jī)與逆變器當(dāng)作一個(gè)整體，不計(jì)定子繞組電阻將電機(jī)與逆變器當(dāng)作一個(gè)整體，不計(jì)定子繞組電阻(dinz)。由于：。由于： tdtdSSSuCBAi)(式中，式中， Ui（SA SB SC）為第）為第i個(gè)開關(guān)狀態(tài)時(shí)加在電機(jī)上的電壓。個(gè)開關(guān)狀態(tài)時(shí)加在電機(jī)上的電壓。為電機(jī)內(nèi)的總磁鏈。根據(jù)電壓與磁鏈的上述關(guān)系，可用定子電壓矢為電機(jī)內(nèi)的總磁鏈。根據(jù)電壓與磁鏈的上述關(guān)系，可用定子電壓矢量來表示空間量來表示空間(kngjin)磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

13、相平面的實(shí)軸與磁鏈?zhǔn)噶?。將相平面的?shí)軸與A相繞組重相繞組重合，電壓合，電壓Ui（SA SB SC）可寫成如下矢量形式：）可寫成如下矢量形式： )()(00240120jCjBAdcBAieSeSSUSSSu i=0,1,2,3,4,5,6,7 當(dāng)當(dāng)i=1， U1（001）=Udej240在相平面是大小為在相平面是大小為d角度為角度為240度的矢量；當(dāng)度的矢量；當(dāng)i=5， U5（101）=Ud（1+ej240）在相平）在相平面是大小為面是大小為d角度為角度為300度的矢量。度的矢量?？臻g空間(kngjin)電壓矢量在相平面上的位置與它產(chǎn)生的磁通電壓矢量在相平面上的位置與它產(chǎn)生的磁通矢量一致。矢量

14、一致。第16頁/共29頁第十七頁，共29頁。tSSSudtSSSuCBAiCBAisi)()(00磁鏈?zhǔn)噶吭隽看沛準(zhǔn)噶吭隽?zn lin)的方向一定與電壓矢量的方向相同。如果電的方向一定與電壓矢量的方向相同。如果電機(jī)中有磁鏈?zhǔn)噶砍跏贾?，則總磁鏈?zhǔn)沁@兩個(gè)矢量的矢量和。零矢量作用機(jī)中有磁鏈?zhǔn)噶砍跏贾?，則總磁鏈?zhǔn)沁@兩個(gè)矢量的矢量和。零矢量作用時(shí)磁鏈?zhǔn)噶吭隽繒r(shí)磁鏈?zhǔn)噶吭隽?zn lin)為零，磁鏈不移動(dòng)。為零，磁鏈不移動(dòng)。磁鏈?zhǔn)噶渴亲饔么沛準(zhǔn)噶渴亲饔?zuyng)在其上的電壓矢量的積分：在其上的電壓矢量的積分：磁通軌跡磁通軌跡PWM是利用這個(gè)矢量（是利用這個(gè)矢量（6個(gè)非零矢量、二個(gè)零矢個(gè)非零矢量、二個(gè)

15、零矢量）進(jìn)行合理組合量）進(jìn)行合理組合(zh)，并調(diào)控選用矢量的作用時(shí)間使磁，并調(diào)控選用矢量的作用時(shí)間使磁鏈軌跡盡可能地逼近圓形。鏈軌跡盡可能地逼近圓形。 逼近圓形的方法很多，現(xiàn)以折線逼近法為例說明磁通軌跡逼近圓形的方法很多，現(xiàn)以折線逼近法為例說明磁通軌跡PWM的基的基本方法。本方法。將圓周將圓周6等分得到等分得到6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有兩個(gè)矢量相交。按順時(shí)個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有兩個(gè)矢量相交。按順時(shí)針方向，第一個(gè)為主矢量，第二個(gè)為輔助矢量。每個(gè)區(qū)域僅選擇針方向，第一個(gè)為主矢量，第二個(gè)為輔助矢量。每個(gè)區(qū)域僅選擇主、輔和零矢量作用。用折線來逼近圓弧。主、輔和零矢量作用。用折線來逼近圓弧。第17頁/共29頁第

16、十八頁，共29頁。U3U2U4U1U5U6（1）（2）（3）（4）（5） （6）U3U2U4U1U5U6（1）（2）（3）（4）（5） （6）一般，非零矢量作用時(shí)間都小于磁鏈掃過該區(qū)域的時(shí)間。為一般，非零矢量作用時(shí)間都小于磁鏈掃過該區(qū)域的時(shí)間。為使定子磁鏈的平均速度與設(shè)定值相同，多余的時(shí)間應(yīng)由零矢使定子磁鏈的平均速度與設(shè)定值相同，多余的時(shí)間應(yīng)由零矢量承擔(dān)。因?yàn)榱闶噶孔饔脮r(shí)定子磁鏈靜止不動(dòng)。量承擔(dān)。因?yàn)榱闶噶孔饔脮r(shí)定子磁鏈靜止不動(dòng)。選擇零電壓矢量選擇零電壓矢量S0或或S7的根據(jù)是空間電壓矢量一次只能移動(dòng)的根據(jù)是空間電壓矢量一次只能移動(dòng)一個(gè)數(shù)字位的距離。即，可以一個(gè)數(shù)字位的距離。即，可以(ky)從

17、從100變到變到000而不可從而不可從110變到變到000。當(dāng)空間電壓矢量每次移動(dòng)兩位或三位數(shù)字距離。當(dāng)空間電壓矢量每次移動(dòng)兩位或三位數(shù)字距離時(shí)，逆變器的輸出電壓脈沖中就會(huì)出現(xiàn)反極性脈沖，導(dǎo)致反時(shí)，逆變器的輸出電壓脈沖中就會(huì)出現(xiàn)反極性脈沖，導(dǎo)致反向轉(zhuǎn)矩。向轉(zhuǎn)矩。 第18頁/共29頁第十九頁，共29頁。為防止轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的過分波動(dòng)，零矢量要分散施加。所以在區(qū)間（為防止轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的過分波動(dòng)，零矢量要分散施加。所以在區(qū)間（1）中，當(dāng)加入零電壓矢量后，各矢量的作用順序中，當(dāng)加入零電壓矢量后，各矢量的作用順序(shnx)是：是：101（111）101001（000）001。各矢量作用的時(shí)間的計(jì)算：各矢量作

18、用的時(shí)間的計(jì)算：U4U3U2U5U6U10AB假設(shè)電機(jī)在空間電壓矢量假設(shè)電機(jī)在空間電壓矢量U4和和U6的激勵(lì)的激勵(lì)(jl)下，定子磁鏈?zhǔn)噶繌南?，定子磁鏈?zhǔn)噶繌狞c(diǎn)點(diǎn)A移動(dòng)到點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)B。磁鏈?zhǔn)噶繌?。磁鏈?zhǔn)噶繌?（藍(lán)）變?yōu)椋ㄋ{(lán)）變?yōu)?（紅）磁鏈增量為（紅）磁鏈增量為，磁鏈掃過的角度，磁鏈掃過的角度tNft1N為磁鏈圓的等分份數(shù)。為磁鏈圓的等分份數(shù)。f為定子為定子(dngz)電壓頻率電壓頻率 第19頁/共29頁第二十頁，共29頁。對(duì)對(duì)N N和和tt有兩種處理方法：一種有兩種處理方法：一種(y zhn)(y zhn)是把調(diào)頻范圍分成若干區(qū)段，是把調(diào)頻范圍分成若干區(qū)段，在每一個(gè)區(qū)段內(nèi)保持在每一個(gè)區(qū)段內(nèi)保

19、持N=N=常數(shù)，因而常數(shù)，因而tt隨著隨著f f的變化而變化。的變化而變化。N N的值一定的值一定要是要是6 6的倍數(shù)，以便使的倍數(shù)，以便使的終點(diǎn)落在區(qū)間的終點(diǎn)上。另外一種的終點(diǎn)落在區(qū)間的終點(diǎn)上。另外一種(y (y zhn)zhn)處理方法是在整個(gè)調(diào)頻范圍內(nèi)使處理方法是在整個(gè)調(diào)頻范圍內(nèi)使tt等于常數(shù)。這時(shí)等于常數(shù)。這時(shí)N N是隨是隨f f而變而變化的，化的，N N不一定是不一定是6 6的倍數(shù)。前一種的倍數(shù)。前一種(y zhn)(y zhn)處理方法為同步調(diào)制；后處理方法為同步調(diào)制；后一種一種(y zhn)(y zhn)為異步調(diào)制。為異步調(diào)制。tConsTttanNNffT212在恒壓頻比下磁鏈

20、為常數(shù)，所以磁鏈軌跡在恒壓頻比下磁鏈為常數(shù)，所以磁鏈軌跡(guj)(guj)的半徑不變。的半徑不變。設(shè)設(shè)U4U4、U6U6矢量作用的時(shí)間分別為矢量作用的時(shí)間分別為T1T1、T2T2，根據(jù)正弦定理有：，根據(jù)正弦定理有：第20頁/共29頁第二十一頁，共29頁。32sinsin)3sin(ABML132TULd232TUMdmmmNAB2sin )3sin(21dUfNUTsin22dUfNUT一般來說，非零矢量的作用時(shí)間都小于磁鏈掃過該區(qū)域一般來說，非零矢量的作用時(shí)間都小于磁鏈掃過該區(qū)域(qy)的時(shí)間。為使定子磁鏈的平均速度與設(shè)定值相同，多余的時(shí)間的時(shí)間。為使定子磁鏈的平均速度與設(shè)定值相同，多余的

21、時(shí)間應(yīng)由零矢量承擔(dān)：應(yīng)由零矢量承擔(dān)：212101TTNfTTTT要使逆變器輸出要使逆變器輸出(shch)(shch)三相電壓四分之一周期偶對(duì)稱，半三相電壓四分之一周期偶對(duì)稱，半周期奇對(duì)稱，且相位互差周期奇對(duì)稱，且相位互差2/32/3則則應(yīng)?。簯?yīng)?。旱?1頁/共29頁第二十二頁，共29頁。) 12(360iNi），Ni21( 空間電壓矢量空間電壓矢量PWMPWM是借助空間電壓矢量概念發(fā)展起來的一種是借助空間電壓矢量概念發(fā)展起來的一種(y (y zhn)PWMzhn)PWM算法。它不但可用于逆變器電機(jī)系統(tǒng)，也可以用在其算法。它不但可用于逆變器電機(jī)系統(tǒng)，也可以用在其它三相系統(tǒng)。它三相系統(tǒng)。U2U3U

22、6U4F5U1135246與上一節(jié)不同，它的矢量與上一節(jié)不同，它的矢量分區(qū)如圖。分區(qū)如圖。主要是要解決矢量的選擇主要是要解決矢量的選擇(xunz)切換與作用時(shí)間切換與作用時(shí)間問題。問題。參考電壓矢量參考電壓矢量uref在二維在二維靜止坐標(biāo)系靜止坐標(biāo)系軸、軸、軸的分軸的分量量u 、 u 以及以及PWM的的計(jì)算周期為已知量計(jì)算周期為已知量第22頁/共29頁第二十三頁，共29頁。03UU03UU通過分析可以得到通過分析可以得到(d do)(d do)如下的規(guī)律：如下的規(guī)律：則則A=1A=1，否則，否則(fuz)A=0(fuz)A=0；則則B=1B=1，否則，否則(fuz)B=0(fuz)B=0；則使

23、則使C=0C=0，否則，否則C=1C=10U如果如果如果如果如果如果可以得到扇區(qū)號(hào)：可以得到扇區(qū)號(hào)：N=A+2B+4CN=A+2B+4C計(jì)算在不同扇區(qū)內(nèi)兩計(jì)算在不同扇區(qū)內(nèi)兩個(gè)相鄰電壓矢量的作個(gè)相鄰電壓矢量的作用時(shí)間可以歸納為用時(shí)間可以歸納為3 3個(gè)值個(gè)值X X、Y Y、Z Z的計(jì)算：的計(jì)算：dsdsdsUTUUZUTUUYUTUX/2323/2323/3第23頁/共29頁第二十四頁，共29頁。對(duì)于對(duì)于(duy)(duy)不同的扇區(qū)不同的扇區(qū)T1T2T1T2按表取值按表取值扇區(qū)號(hào)扇區(qū)號(hào)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賦值后，還要對(duì)賦值后，還要對(duì)T1T2T1T2進(jìn)行飽和進(jìn)行飽和(boh)(boh)判斷。若判斷。若則?。簞t取：；、tcontbontaon2/ 2/ 4/ ) (2121TTTTTTTTTTbcabsa計(jì)算空間計(jì)算空間(kngjin)(kngjin)電壓矢量切換點(diǎn)電壓矢量切換點(diǎn)第24