电动机定子磁链幅值恒定

第六章笼型异步电动机变压变频调速系统-转差功率不变型系统6.4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术问题的提出正弦波脉宽调制(SPWM)技术（第一部分）电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）（第二部分）问题的提出早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器）。6.4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术原因何在？为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。6.4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术（第一部分）1.PWM调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），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，从而获得在正弦调制波的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。（第一部分）tOua)b)图6-3Out图6-18PWM调制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波面积相等，因而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（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。（第一部分）2.SPWM控制方式（1）单极性PWM控制方式图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud•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，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。（第一部分）（2）双极性PWM控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud•如果在正弦调制波半个周期内，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。2.SPWM控制方式3.PWM控制电路•模拟电子电路采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；•数字控制电路–硬件电路；–软件实现。（第一部分）（1）自然采样法原理自然采样法——只是把同样的方法数字化，自然采样法的运算比较复杂（第一部分）（第一部分）（2）规则采样法图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc;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;rDc1sin2/2/2tMTrrsinMutccrD1(1sin)24'TTMtcrD(1sin)2TMt4.PWM调制方法•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。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，这样把两者的优点结合起来。（第一部分）（第一部分）异步调制——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；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。（第一部分）同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称；为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。（第一部分）•同步调制三相PWM波形ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud2Ud5.PWM逆变器主电路及输出波形图6-19三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2（第一部分）图6-20三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形uuUN’OtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNttttOturUurVurWucUd23Ud2uUN’、uVN’、uWN’为U，V，W三相输出与电源中性点N’之间的相电压矩形波形uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压问题的提出空间矢量的定义电压与磁链空间矢量的关系六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制（第二部分）（第二部分）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的最终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”，下面的讨论将表明，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PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。视频1SVPWM调制电机正反转（第二部分）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uA0，uB0，uC0。1图6-25电压空间矢量BACuA0uB0uC0由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us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。us当电源频率不变时，合成空间矢量us以电源角频率1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Ψs。uA0ωuB0ACBuC0ususuB0uC0YXωusuC0uB0uA0根据三相交流电压的表示：uA0=UA=Umsin(ωt+Ø)uB0=UB=Umsin(ωt+Ø-120o)uC0=UC=Umsin(ωt+Ø+120o)(Ø为初相位，可以设为90o)sA0B0C0uuuu当t=0，uA0=Um,uB0=uC0=-1/2Um,us与A轴重合。当t=π/2ω,uA0=0，uB0=√3/2Um,uC0=-√3/2Um,由矢量合成us与x轴夹角900。当t=π/ω,uA0=-Um,uB0=uC0=1/2Um,由矢量合成us与x轴夹角1800。可以看出：us以同样的ω逆时针转动（第二部分）2.电压与磁链空间矢量的关系三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为ssssddRtIuΨ（6-40）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；Ψs—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（6-40）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为ssddtuΨ（6-41）ssdtΨu（6-42）或（第二部分）•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。1smejtΨΨ（6-43）其中Ψm是磁链Ψs的幅值，1为其旋转角速度。由式（6-41）和式（6-43）可得111π()2sm1m1md(e)eedjtjtjtΨΨjΨtussddtuΨ（6-41）ssdtΨu（6-42）或•磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系图6-26旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹当磁链幅值一定时，其大小与（或供电电压频率）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。ω1ΨsΨsΨsΨsusususus（第二部分）3.六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场（1）电压空间矢量运动轨迹在常规的PWM变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？（第二部分）•主电路原理图图6-27三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图序号开关状态开关代码1VT6VT1VT21002VT1VT2VT31102VT2VT3VT40104VT3VT4VT50115VT4VT5VT60016VT5VT6VT11017VT1VT3VT51118VT2VT4VT6000（a）开关模式分析•设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、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/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2（第二部分）（b）工作状态100的合成电压空间矢量•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’-uBO’ABC（第二部分）（c）工作状态110的合成电压空间矢量•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’-uCO’uBO’ABC（第二部分）M3～Ud/2Ud/2VT1VT3VT5VT4VT6VT2u7，u8u1u5u4u3u2u6π/3AABCCB-uCO’-uCO’uAO’-uBO’uAO’uBO’u1u2O’o（第二部分）（2）定子磁链矢量端点的运动轨迹图6-29六拍逆变器供电时电动机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。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u1，如图6-29所示。（第二部分）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，其幅值与|u1|成正比，方向与u1一致，最后得到图6-29所示的新的磁链，而211（6-46）11tuΨ（6-45）（第二部分）依此类推，可以写成的通式iituΨ（6-47）6,2,1iiii1ΨΨΨ（6-48）总之，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。（第二部分）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/3，则i的幅值也按比例地减小，如图6-30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6-30磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系（第二部分）4.电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制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。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