SVPWM电压矢量控制

电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。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，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。定义三相定子电压空间矢量2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k为待定系数空间矢量的合成三相合成矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu图5-21电压空间矢量000AOBOCOuuu的合成矢量空间矢量的定义定子电流空间矢量2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOψψψψ定子磁链空间矢量空间矢量表达式空间矢量功率表达式''2222222p=Re()Re[()()]()Re[()]ssjjjjAOBOCOAOBOCOAOAOBOBOCOCOjjjBOAOCOAOAOBOjjjCOBOAOCOBOCOkuueueiieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieui'ss、ii共轭矢量空间矢量表达式考虑到0AOBOCOiii23'2233p=()22AOAOBOBOCOCOkuiuiuikpp=AOAOBOBOCOCOuiuiui三相瞬时功率按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则23k空间矢量表达式22()3jjAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOeesψ空间矢量表达式当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量112111224[cos()cos()cos()]33332jjmmmjtjtmsUtUteUteUeUesAOBOCOuuuu空间矢量表达式以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。32smUU电压与磁链空间矢量的关系合成空间矢量表示的定子电压方程式忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为dtdRssssψiudtdssψudtssuψ或电压与磁链空间矢量的关系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（简称为磁链圆）。定子磁链矢量)(1tjsesψ定子电压矢量111()()()211()jtsjtjtssdedtjeesu电压与磁链空间矢量的关系图5-22旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图5-23电压矢量圆轨迹电压空间矢量直流电源中点O’和交流电动机中点O的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。22'''222'2()32[()()()]322[(1)]()33jjAOBOCOjjAOOBOOCOOjjjjjjABCOOABCuueueuuuueuueuueueueeuueuesAOBOCOuuuu8个基本空间矢量PWM逆变器共有8种工作状态当100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3232224242[(1coscos)(sinsin)]3233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8个基本空间矢量依此类推，可得8个基本空间矢量。当110ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)32222424[(1coscos)(sinsin)]32333322(13)323jjjjdddjddUUeeeeUjUjUe2u8个基本空间矢量2个零矢量6个有效工作矢量07uu、16uu幅值为23dU空间互差3基本电压空间矢量图图5-24基本电压空间矢量图正六边形空间旋转磁场6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率6个有效工作矢量16uu每个有效工作矢量作用3顺序分别作用△t时间，并使13tt31正六边形空间旋转磁场k=1,2,3,4,5,6定子磁链矢量的增量tssψ=u(1)3()()23sskjdkktUteψu定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于23dUt正六边形空间旋转磁场定子磁链矢量的运动轨迹为图5-25定子磁链矢量增量(1)()()()()ssssskkkkktψψψψu正六边形空间旋转磁场图5-26正六边形定子磁链轨迹在一个周期内，6个有效工作矢量顺序作用一次，定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。正六边形空间旋转磁场1dU常数要保持正六边形定子磁链不变，必须使在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。正六边形空间旋转磁场有效的方法是插入零矢量当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。0sψ=正六边形空间旋转磁场在直流电压不变的条件下，要保持输出频率越低，△t越大，零矢量作用时间△t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。由此可知，零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。|)(|ksψ恒定，只要使△t1为常数即可。期望电压空间矢量的合成六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择。PWM逆变器只有8个基本电压矢量，能否用这8个基本矢量合成出其他多种不同的矢量呢？期望电压空间矢量的合成按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM（SVPWM）的基本思想。按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻的2个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。期望电压空间矢量的合成图5-27电压空间矢量的6个扇区按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，每个扇区对应3期望电压空间矢量的合成基本电压空间矢量图5-28期望输出电压矢量的合成期望输出电压矢量与扇区起始边的夹角的线性组合构成期望的电压矢量1u2usu期望电压空间矢量的合成在一个开关周期T0图5-28期望输出电压矢量的合成的作用时间1u2u1t的作用时间2t121200123002233sjddttTTttUUeTTuuu合成电压矢量期望电压空间矢量的合成由正弦定理可得解得120022332sinsin()sin33ddsttUUTTus012sin()3duTtUs022usindTtU零矢量的作用时间2100ttTt期望电压空间矢量的合成两个基本矢量作用时间之和应满足当输出电压矢量最大幅值ss1202u2u[sin()sin]cos()136ddttTUU6120ttTsmax2dUu期望电压空间矢量的合成当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值基波相电压最大幅值基波线电压最大幅值32smUUmaxmax3lmmdUUUmaxmax233dmsUUu期望电压空间矢量的合成SPWM的基波线电压最大幅值为两者之比SVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比SPWM逆变器输出电压最多提高了约15%。23'maxdlmUU1.1532'maxmaxlmlmUUSVPWM的实现通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出波型对称，以减少谐波分量。零矢量集中的实现方法按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。在一个开关周期内，有一相的状态保持不变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而开关次数少，开关损耗小。零矢量集中的实现方法图5-29零矢量集中的SVPWM实现零矢量分散的实现方法将零矢量平均分为4份，在开关周期的首、尾各放1份，在中间放两份。将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，插在零矢量间。按开关次数最少的原则选择矢量。零矢量分散的实现方法图5-30零矢量分布的SVPWM实现零矢量分散的实现方法每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束。从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化。在一个开关周期内，三相状态均各变化一次，开关损耗略大于零矢量集中的方法。总体仿真图激励SVPWMEd-Uabc开关函数总体仿真图