第四章 DC-AC变换器(无源逆变电路)3

电力电子技术PowerElectronicTechnology4.3空间矢量PWM控制一、概念1、正弦脉宽调制技术采用规则采样技术求取三角载波与所期望的调制函数相比较的直接数学方程式，进而据此进行数学计算得到相应的PWM信号。这种脉宽调制方法仅仅是对模拟自然采样中的三角波与正弦波调制相比较得到调制信号方法的近似。N0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2以SPWM方法对三相逆变电路进行调制其实质是沿用了单相逆变电路的调制方法。尽管三相电路可以看作是由三个单相半桥电路构成，但构成整体后有着其自身独特的地方：①三相电压之和为零；②三相电压电压相位互差120o。是否可以利用这些特征获得一种更加有利的调制方法呢？4.3空间矢量PWM控制N0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2oabcReImU一、概念2、空间矢量PWM调制（SVPWM）1)空间矢量概念本身源自于三相异步电机的磁场理论2)对任意给定的三相基波电压瞬时值uao，ubo，uco，那么在复平面内可以定义空间电压矢量为：2/32/32()3jjaobocouueueU不难证明，按此定义方式，a、b、c三相电压为空间矢量U在其对应坐标轴上的投影。4.3空间矢量PWM控制N0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2oabcReImU一、概念2、空间矢量PWM调制（SVPWM）3)有了上面定义的空间矢量的概念，那么在对三相逆变器控制时，可不再象SPWM那样以各相电压为控制目标，而以合成的空间矢量为目标，这就构成空间矢量控制的概念。2/32/32()3jjaobocouueueU4)SVPWM的思想：在复平面（矢量空间）内用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，并使合成的空间矢量含有调制波的信息。如何实现这种调制呢？4.3空间矢量PWM控制0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2NaoaNNouuu二、静止矢量1、三相逆变器相电压与桥臂电压间的关系bobNNouuucocNNouuu1()3NoaNbNcNuuuu考虑三相对称系统2/32/32()3jjaobocouueueU桥臂电压和开关管动作之间有着怎样的关系呢？4.3空间矢量PWM控制10ks二、静止矢量2、单极性二值逻辑开关函数上桥臂导通，下桥臂关断上桥臂关断，下桥臂导通,,kabc于是，桥臂电压可表示为：aNadcusubNbdcusucNcdcusu1()3NoabcdcusssuaoaNNouuubobNNouuucocNNouuu0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制二、静止矢量2、单极性二值逻辑开关函数1()3aoaabcdcussssu1()3bobabcdcussssu1()3cocabcdcussssu2/32/32()3jjaobocouueueU若将三相电压带入空间矢量表达式则可以建立空间矢量与开关函数进而开关动作这件的关系0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制二、静止矢量3、空间矢量与开关组合1()3aoaabcdcussssu1()3bobabcdcussssu1()3cocabcdcussssu2/32/32()3jjaobocouueueU三相桥拓扑结构有8中开关组合显然，每一种电压组合均对应一条空间电压矢量（开关矢量）所以，总共有8条开关矢量，其中包含2条零矢量和6条非零矢量0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制二、静止矢量3、空间矢量与开关组合1()3aoaabcdcussssu1()3bobabcdcussssu1()3cocabcdcussssu三相桥拓扑结构有8中开关组合4.3空间矢量PWM控制ImRebcU0(000)U7(111)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)a二、静止矢量3、空间矢量与开关组合1()3aoaabcdcussssu1()3bobabcdcussssu1()3cocabcdcussssu三相桥拓扑结构有8中开关组合0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImRebcU0(000)U7(111)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)a二、静止矢量3、空间矢量与开关组合三相桥拓扑结构有8中开关组合如果对PWM变换器的8条静止矢量按一定规律切换，可在空间用合成旋转的电压空间矢量来逼近电压矢量圆，从而形成SVPWM波形，这就是三相桥式逆变器空间矢量调制（SVPWM）的工作原理4.3空间矢量PWM控制ImRebcU0(000)U7(111)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)a三、空间电压矢量的合成由前文分析可知，三相桥式逆变器6个开关管的不同组合仅能够获得8条空间电压矢量，除2条零矢量外，其余6条非零矢量对称均匀地分布在复平面上。任意给定的空间电压矢量可能不与8条矢量中的任意一条重合，或者即便相位与某一条重合，但幅值不相等。那么该如何实现期望的电压输出呢？显然，需要利用既定的8条矢量去合成如何合成？0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImRebcU0(000)U7(111)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)a三、空间电压矢量的合成1如何选取用于合成的电压矢量1）用于合成的矢量，就是逆桥路一个开关周期中必须输出的矢量；2）选择合成矢量时，应本着开关动作最少的原则；3）用于合成的矢量应选择参考矢量所在扇区的两边矢量。各合成矢量需要作用多长时间呢？0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImReⅠⅡⅢⅣⅤⅥU6(101)U2(110)U3(010)U5(001)U0(000)U7(111)U*11STTUU1(100)U4(011)22STTU三、空间电压矢量的合成2各合成矢量的作用时间问题1）任何矢量在合成时的等效大小为该矢量作用时间在一个开关周期中的平均值；2）作用时间的计算依据平行四边形法则*1212ssTTTTUUU在对应三角形中，运用正弦定理21*21ss2sinsinsin()33TTTTUUU0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImReⅠⅡⅢⅣⅤⅥU6(101)U2(110)U3(010)U5(001)U0(000)U7(111)U*11STTUU1(100)U4(011)22STTU三、空间电压矢量的合成2各合成矢量的作用时间问题2）作用时间的计算21*21ss2sinsinsin()33TTTTUUU1s2s0,7s12sin()3sinTmTTmTTTTTm为调制系数，且*dc3||muU零矢量该如和插入？0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImReⅠⅡⅢⅣⅤⅥU6(101)U2(110)U3(010)U5(001)U0(000)U7(111)U*11STTUU1(100)U4(011)22STTU三、空间电压矢量的合成3零矢量的选择与插入问题选择——U0，U7之间选择插入——所选零矢量在一个开关周期中的作用时刻遵循的原则：应使开关状态变化尽可能的少，以降低开关损耗依据具体选择和插入时间点的不同，一般有以下几种合成方法：0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImReⅠⅡⅢⅣⅤⅥU6(101)U2(110)U3(010)U5(001)U0(000)U7(111)U*11STTUU1(100)U4(011)22STTUImRe11sTTUU1(100)22sTTU*UU2(110)a)b)TsT0/2T0/2T2T1sasbsc100806040200f1fs2fs频率/Hz幅值（%）c)三、空间电压矢量的合成1）方法一：将零矢量Uo均匀分布在U*矢量的起、终点上，然后依次有U1、U2按三角形方法合成。显然，一个周期中，功率开关管开关4次开关波形不对称，因此谐波主要集中在fs及2fs上。0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImReⅠⅡⅢⅣⅤⅥU6(101)U2(110)U3(010)U5(001)U0(000)U7(111)U*11STTUU1(100)U4(011)22STTU三、空间电压矢量的合成2）方法二：仍将零矢量均匀分布在在U*矢量的起、终点上，而在U*矢量依次有U1、U2、U1进行合成。显然，一个周期中，功率开关管开关4次虽然谐波仍分布在fs的整数倍处，但谐波幅值有所降低。ImRe11s2TTU22sTTU*UU2(110)11s2TTUa)U1(100)b)TsT0/2T0/2T2sasbscT1/2T1/2100806040200f1fs2fs幅值（%）频率/Hzc)0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制ImReⅠⅡⅢⅣⅤⅥU6(101)U2(110)U3(010)U5(001)U0(000)U7(111)U*11STTUU1(100)U4(011)22STTU三、空间电压矢量的合成3）方法三：将零矢量作用时间分成3段，其中在U*矢量的起、终点上均匀地分布U0矢量，而在U*矢量的中点处分布U7矢量，且T7=T0。显然，一个周期中，功率开关管开关6次虽然谐波仍分布在fs的整数倍处，但谐波幅值明显降低。b)TsT0/2T0/2sasbsc12T12T22T22TT7ImRe11s2TTU22s2TTU*UU2(110)11s2TTUa)U1(100)100806040200f1fs2fs频率/Hz幅值（%）22s2TTUc)0+-abcV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N4.3空间矢量PWM控制b)TsT0/2T0/2sasbsc12T12T22T22TT7ImRe11s2TTU22s2TTU*UU2(110)11s2TTUa)U1(100)100806040200f1fs2fs频率/Hz幅值（%）22s2TTUc)ImRe11sTTUU1(100)22sTTU*UU2(110)a)b)TsT0/2T0/2T2T1sasbsc100806040200f1fs2fs频率/Hz幅值（%）c)三、空间电压矢量的合成不同合成方法各有其优缺点，从开关次数来看第二种开关次数少，损耗低；从谐波来看，第三种方法谐波含量较低；但第一中方法较为简答。ImRe11s2TTU22sTTU*UU2(110)11s2TTUa)U1(100)b)TsT0/2T0/2T2sasb