空间矢量控制

主要内容：两电平逆变器的工作原理电压空间矢量PWM调制原理参考书籍：《电力电子学——电力电子变换和控制技术》陈坚，高等教育出版社三相对称电量的矢量表示设三相交流系统各相电压为：式子中，为相电压基波幅值，角频率为，f为基波电压频率()cos()cos(120)()cos(240)ANplmBNplmCNplmvtVtvtVtvtVt==-=-oo（1）三相对称电量的矢量表示式（1）的三个相电压瞬时值可以用下图中的一个以角速度在空间旋转的电压矢量在A、B、C各相轴线上的投影表示，的大小为相电压幅值。以角速度逆时针方向旋转。在任意时间t，的相位角为。wdqV(V)VjV=plmVVV2fw＝tw＝图1：旋转矢量图A轴B轴C轴120?V?V?60?tw=dqVVjV=?由于则qcostsintdVVVVww==，即：ddqdq()coscos13()cos(120)cos(120)2213()cos(240)cos(240)22ANplmBNplmCNplmvtVtVtVvtVtVtVVvtVtVtVV===-=-=-=-=-=--oooo＝0()1()1/23/2(2)()1/23/2ANdBNqCNvtVvtVvt=---A轴B轴C轴120?V?V?60?VdqVjV=?tw=三相对称电量的矢量表示0ANBNCNvvv=由式（1）可知，由式（2）可得到：式（2）表明三相负载相电压可以用一个空间矢量（电机里的旋转磁通）表示，矢量与三相电压的关系如（3）所示。上面的关系本质上是一个三相坐标到二相坐标的变换，这样便于问题的分析V11/21/22(3)303/23/2ANdBNqCNvVvVv--=-两电平逆变器原理DVDV两电平逆变器的每一桥臂上具有2个三极管、2个反向恢复二极管。以A相电路为例(定义P点电位为，Q点电位为0)，当导通时，A点电位为；当导通时，A点电位为0；当，轮流导通时，即可在A点得到，0两个电平，故称之为两电平逆变器。1T2T1T2TDV图2：两电平逆变器原理图ABCNPQDiDVAiBiCi1T2T3T5T4T6T如果引入A、B、C桥臂的开关变量为，定义，，则当导通，截止时，，这时；反之则，这时。当导通，截止时，，这时；反之则，这时。当导通，截止时，，这时；反之则，这时。逆变器每个桥臂输出端电压可用各桥臂的开关变量和电源电压的乘积表示，整个三相逆变器的输出电压则由A、B、C三相桥臂的开关变量共同组合确定。,,abcSSSAQaDvSV=BQbDvSV=CQcDvSV=1T4T1aS=0aS=1AQaDvSV==3T6T5T2T1bS=1cS=1BQbDvSV==1CQcDvSV==1bS=0BQbDvSV==1cS=0CQcDvSV==开关矢量定义DV,,abcSSS0AQaDvSV==输出电压矢量表逆变器状态及输出电压矢量0000000000010-1-1-1/3-1/32/3010-110-1/32/3-1/3011-101-2/31/31/310010-12/3-1/3-1/31011-101/3-2/31/311001-11/31/3-2/3111000000ABDvV1V2V3V4V5V6V7V,,abcSSSBCDvVCADvVANDvVBNDvVCNDvV0V表1开关状态及逆变器输出电压两电平逆变器原理ABCNPQDiDVAiBiCi1T2T3T5T4T6T(Sa，Sb，Sc)=(1,0,0)时，VAN=2/3*VD，VBN=VCN=-1/3*VDPQDVNABCRRR电压空间矢量定义由开关变量的定义有：逆变器输出与开关变量的关系写为矩阵形式为：（4）（5）()()()AQaDABAQBQabDBQbDBCBQCQbcDCQcDCACQAQcaDvSVvvvSSVvSVvvvSSVvSVvvvSSV==-=-==-=-==-=-110011101ABaBCDbCAcvSvVSvS-=--电压空间矢量定义同时逆变器输出线电压与相电压有如下关系：则逆变器输出相电压与开关变量有如下关系：（6）（7）101111030110ANBNABANABBNCNBCBNBCCNANCACNCAANBNCNvvvvvvvvvvvvvvvvvv-=--==--=-=21111213112ANaBNDbCNcvSvVSvS--=----电压空间矢量定义把式子（3）带入（7）式可得到逆变器输出的空间矢量表达式：（8）把(Sa，Sb，Sc)的8种取值带入（8）式可得到空间矢量图dq2-1-11303-3aDbcSvVSvS=11/21/22(3)303/23/2ANdBNqCNvVvVv--=-电压空间矢量图dDqANDBNCND221VV,V0,VV,VVV333=====-当开关状态为4（100）时，dq2-1-11303-3aDbcSvVSvS=ABC1V?2V?3V?4V?5V?6V?0V?7V?扇区1扇区2扇区3扇区4扇区5扇区6（1，0，0）（1，0，1）（1，1，0）（0，1，0）（0，0，0）（1，1，1）（0，0，1）（0，1，1）21111213112ANaBNDbCNcvSvVSvS--=----电压空间矢量等效关系D2V,03plmVtw==若取则由式子（1）得出的相电压与逆变器开关状态4的结果一致结论：一定条件下，6个非零开关状态矢量下逆变器输出对应于（1）式中的值060,120,180240,300tw=＝，，ABC1V?2V?3V?4V?5V?6V?0V?7V?A轴B轴C轴120?V?V?60?VdqVjV=?tw=●通过三相到二相坐标变换，逆变器的控制运行放到正交坐标系中进行分析可以使问题简化0180导电型三相逆变器空间矢量远行规律●如果按照的切换关系来控制逆变器（每个状态保持600电角度时间），其输出等效于1800导电型三相逆变器的输出1546231VVVVVVVABC1V2V3V4V5V6V0V7V通态开关器件T456156156121232343454565615614623156124612323154623234345456612123234345状态twtwtwtwtwtwtwtwaSbScSABvBCvCAvANvBNvCNv1aS=1aS=1aS=1bS=1bS=1bS=1cS=1cS=1cS=AQvDVDVDVDVDVDVDVDVBQvCQvABAQBQvvv=-BQCQvv=-CACQAQvvv=-twfffAiBiCiABC1V?2V?3V?4V?5V?6V?0V?7V?扇区1扇区2扇区3扇区4扇区5扇区6（1，0，0）（1，0，1）（1，1，0）（0，1，0）（0，0，0）（1，1，1）（0，0，1）（0，1，1）ABCNPQDiDVAiBiCi1T2T3T5T4T6T电压空间矢量调制原理电压空间矢量PWM法，是以三相对称正弦波电压供电是交流电动机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由比较结果决定逆变器的开关顺序，形成所需的PWM波形的调制方法。（物理意义定义）传统的SPWM三相逆变器是利用等效原理（伏秒平衡原则）各相单独进行调制。而电压空间矢量PWM法通过坐标变换在正交坐标系中对三相输出作为整体进行调制。电压空间矢量调制原理假设参考电压在第一扇区（如图7所示），用，，来近似等效，其含义是矢量在时间内所产生的积分效果和，，作用,,时间的积分效果相同，方程如下：jrplmeVV＝0V4V6VrV0VST0t4t6t004466S046SrVtVtVtVTtttT==4V6V6023jDVe=?023jDVe=?扇区16V?4V?0V?7V?rV?ABC1V?2V?3V?4V?5V?6V?0V?7V?rV?在一个开关周期中设置零矢量的作用时间，可以调控输出电压的大小。一定时，大，输出电压将减小，各个矢量的作用时间决定了输出电压具有一点相位角和相应的输出电压大小。最大的输出电压对应于电压空间矢量调制原理DV0trV解得方程：0t0t0=参考电压在其它扇区时可以得到类似的控制规律。只是所选矢量和时间计算公式不同。rV4603sin(60)(9)3sin()(10)[13cos(30)](11)plmSDplmSDplmSDVTTVVTTVVTTV=-==--oo电压空间矢量PWM控制从两电平逆变器的6个处于空间特点位的开关状态矢量中，选择两个相邻的矢量与零矢量合成一个等效的旋转空间矢量，通过调控合成矢量的大小和旋转速度，来实现三相逆变器输出电压和频率的调控方式，称为电压空矢量PWM控制。电压空间矢量PWM控制调制步骤：●确定三相桥臂终端参考电压合成矢量；●确定参考电压合成矢量落在第几扇区；●根据一定的开关矢量选择规律确定实际的开关矢量及其作用顺序；●根据参考电压合成矢量及选定的开关矢量计算相应的开关矢量作用时间。电压空间矢量作用顺序的确定为了优化开关频率，减小开关损耗选择各电压矢量的作用顺序时，要遵守以下一些原则：●任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂的开关动作，即矢量表示中只有一位变化；●在一个开关周期中，开关矢量的选择是对称的；●零矢量或等效零矢量的作用时间是等分分配的；下面以表格的形式给出了3个扇区在两个开关周期Ts的开关变量、特定电压矢量及开关状态变换顺序。扇区123TsTsTsTsTsTs状态矢量467640267620237320开关状态111110011100001000011100111110111110001000001000011100电压空间矢量作用顺序说明ABC1V2V3V4V5V6V0V7V扇区1扇区2扇区3扇区4扇区5扇区6（1，0，0）（1，0，1）（1，1，0）（0，1，0）（0，0，0）（1，1，1）（0，0，1）（0，1，1）七段表示法SKTSTK)1(2t42t24t04t0abc0000001111116023jDVe=?023jDVe=?扇区16V?4V?0V?7V?rV?（1，1，0）（1，0，0）（1，1，1）