【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 矢量位于原點(diǎn)，相鄰非零矢量之間的夾角為60度。從一個(gè)電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)矢量的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵循功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化最小的原則，即應(yīng)當(dāng)只有一個(gè)功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。利用這8種電壓矢量的線(xiàn)性組合，就可以獲得更多的與基本空間矢量相位不同的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等幅不同相的電壓空間矢量，疊加形成盡可能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁鏈圓。 空間電壓矢量分布SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。相鄰兩非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合，可以得到該扇區(qū)內(nèi)的一組等幅不同相的空間電壓矢量。三個(gè)矢量的作用時(shí)間可以一次施加，也可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，這樣更有利于消除電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使空間電壓矢量接近圓軌跡旋轉(zhuǎn)，就可以使電機(jī)磁通也逼近圓軌跡。 SVPWM磁鏈軌跡由于變換器實(shí)際所能產(chǎn)生的矢量(基本矢量和零矢量)有限，不可能輸出角度連續(xù)變化的空間矢量。為獲得旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量，只有利用各矢量的作用時(shí)間的不同來(lái)等效合成所需要的矢量。在一個(gè)正弦周期內(nèi)所產(chǎn)生的合成矢量越多，意味著開(kāi)關(guān)頻率越高。按照平行四邊形法則，利用這8個(gè)空間矢量可以合成任意的電壓矢量，以第一扇區(qū)為例，由平均值等效原理可得T4U4+T6U6+T0U0=TSUref （）式中 TT6為開(kāi)關(guān)矢量UU6的作用時(shí)間；T0為零矢量的作用時(shí)間；TS為PWM開(kāi)關(guān)周期。 其中 令參考矢量Uref*與該扇區(qū)第一矢量U4的夾角為θ，由三角形的正弦定理得 ()因?yàn)?，則聯(lián)立上式得 （）m是SVPWM調(diào)制系數(shù)。為了保證平均值等效原理的有效性，應(yīng)該滿(mǎn)足T4+T6Ts；該條件保證了輸出波形無(wú)畸變，也決定了SVPWM的最大輸出限定。其中，可以得到 （）其中或用為對(duì)應(yīng)的虛部和實(shí)部相等可得到 （）雖然用兩個(gè)矢量UU6，*，但是(T4+T6)不一定會(huì)和Ts相等，若不相等，則磁鏈追蹤的速度，也就是PWM波的基波頻率也就不等于所要求的頻率f。由于零矢量的作用不會(huì)改變磁鏈圓形軌跡的形狀，只是使磁鏈停止不前，改變的是磁鏈的變化速度。因此可以用零矢量來(lái)調(diào)節(jié)作用時(shí)間，以使UU6矢量作用產(chǎn)生的磁鏈的角速度正好等于ω=2πf。式()中，當(dāng)T4，T6不足時(shí)，插入零矢量補(bǔ)足，一般地，有： （）式中T00、T07分別代表零矢量U0、U7的作用時(shí)間。其它扇區(qū)的調(diào)制算法完全相同。定義幅度調(diào)制比m為： （）電壓空間矢量調(diào)制的線(xiàn)性調(diào)制制約條件是： （） （） （）以上三式對(duì)于任何θ都成立，而因而幅度調(diào)制比m的最大值為1，也就是說(shuō)逆變器輸出相電壓的極限峰值是。反應(yīng)在矢量圖上。傳統(tǒng)的SPWM最大相電壓峰值是Ud/2，%。以上推導(dǎo)過(guò)程與矢量發(fā)送順序和k值無(wú)關(guān)，因此直流電壓利用率高是SVPWM的本身特性。無(wú)論以何種方式產(chǎn)生SVPWM波形，只要滿(mǎn)足式()、()，它們的電壓利用率都是一樣的。進(jìn)一步計(jì)算可知，m取1，也就是SVPWM輸出最大時(shí)，線(xiàn)電壓峰值等于Ud，已經(jīng)達(dá)到直流母線(xiàn)電壓；再增加就不是線(xiàn)性調(diào)制了，所以SVPWM的直流電壓利用率是最高的。 電壓空間矢量所在扇區(qū)的判斷本文SVPWM的調(diào)制，是將電機(jī)兩維靜止坐標(biāo)α、β坐標(biāo)系上的兩個(gè)正交電壓向量和作為空間矢量信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)制的給定。由空間電壓矢量SVPWM的原理知道，算法的關(guān)鍵是判斷扇區(qū)和電壓矢量作用時(shí)間，本論文給出了在α、β坐標(biāo)系下的計(jì)算方法。通過(guò)分析和的關(guān)系來(lái)判斷參考電壓矢量Uref*所處的扇區(qū)的。，可以看出： 若 且 （）其中，則處于扇區(qū)Ⅰ中。實(shí)際上，若進(jìn)一步結(jié)合矢量圖幾何關(guān)系分析，： ， 且 （）使用式()判斷扇區(qū)與式()等效，且與以Uref*無(wú)關(guān)，完全避免了計(jì)算非線(xiàn)性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就容易多了。其它扇區(qū)的判斷可按同樣的方法依此類(lèi)推，得到： 當(dāng) ，且時(shí)，則位于扇區(qū)Ⅱ； 當(dāng) ，且時(shí)，則位于扇區(qū)Ⅲ； 當(dāng)， 且 時(shí)，則位于扇區(qū)Ⅳ ； 當(dāng)， 且時(shí)，則位于扇區(qū)Ⅴ； 當(dāng)， 且時(shí)，則位于扇區(qū)Ⅵ。采用上述條件，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的加減及邏輯運(yùn)算即可確定所在的區(qū)間，避免了計(jì)算復(fù)雜的非線(xiàn)性函數(shù)，簡(jiǎn)化運(yùn)算對(duì)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度是很有實(shí)際意義的。但這還不是最簡(jiǎn)練的表述，若對(duì)以上條件作進(jìn)一步分析，判斷方法可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由所推導(dǎo)出的條件可以看出，Uref*所在的扇區(qū)完全可由，與0的關(guān)系決定，由此可以定義以下變量： （）再定義： 若 ，則A=1，否則A=0 若，則B=1，否則B=0 若，則C=1，否則C=0A，B，C之間共有八種組合，但由判斷扇區(qū)的公式可知A，B，C不會(huì)同時(shí)為1或同時(shí)為0，所以實(shí)際的組合是六種，A，B，C組合取不同的值對(duì)應(yīng)著不同的扇區(qū)，并且是一一對(duì)應(yīng)的，因此完全可以由A，B，C的組合判斷所在的扇區(qū)。為區(qū)別六種狀態(tài)，令：S=A+2B+4C （）則S可為1至6六個(gè)整數(shù)值，正好與六個(gè)扇區(qū)一一對(duì)應(yīng)，只是在具體數(shù)值順序上與扇區(qū)實(shí)際順序有所差別，用式()，圖中棱形區(qū)域外的1至6六個(gè)數(shù)值為式()計(jì)算出的數(shù)值，棱形區(qū)域內(nèi)的I至VI六個(gè)數(shù)為實(shí)際扇區(qū)號(hào)。 參考電壓矢量所在扇區(qū)的判斷用上述方法判斷參考電壓矢量Uref*所在的扇區(qū)極其簡(jiǎn)單，只要在具體分配作用矢量時(shí)注意將計(jì)算出的S值與實(shí)際扇區(qū)號(hào)N對(duì)應(yīng)即可。 分析扇區(qū)I矢量關(guān)系，假設(shè)逆變器主電路的直流母線(xiàn)電壓為Ud ，采樣周期為T(mén)s，矢量UU6和零矢量的作用時(shí)間TTT0可通過(guò)下式計(jì)算： （） 用α和β坐標(biāo)描述，則有： （）且 （）：扇區(qū)Ⅰ： （）當(dāng)Uref*位于其它扇區(qū)中時(shí)，同理可求得各矢量作用時(shí)間，解各方程后結(jié)果如下所示：扇區(qū)Ⅱ： ()扇區(qū)Ⅲ： ()扇區(qū)Ⅳ： ()扇區(qū)Ⅴ： ()扇區(qū)Ⅵ： ()通過(guò)分析這些結(jié)果可將進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果：定義： （）對(duì)于不同扇區(qū)，Tx， ： Tx和Ty賦值表扇區(qū)號(hào)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥTxZZXXYY TyXYYZZXTx、Ty賦值后，還要對(duì)其線(xiàn)性區(qū)調(diào)制進(jìn)行判斷，接著判斷Tx+TyTs是否成立，如不成立，則Tx、Ty保持不變；如成立，則設(shè)將電壓矢量端點(diǎn)軌跡端點(diǎn)拉回至正六邊形內(nèi)切圓內(nèi)時(shí)兩非零矢量作用時(shí)間分別為，則有比例關(guān)系 ()因此可用下式求得，： ()然后可由此作為相鄰兩電壓空間矢量和零矢量的持續(xù)時(shí)間。定義： ()則在不同的扇區(qū)內(nèi)A、B、C三相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)時(shí)間分別為，，： 切換點(diǎn)，的賦值表扇區(qū)號(hào)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ本章主要介紹了SVPWM的工作原理及實(shí)現(xiàn)算法，根據(jù)逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生空間電壓矢量去逼近電動(dòng)機(jī)的磁鏈圓。由于開(kāi)關(guān)頻率和矢量組合的限制，空間電壓矢量的合成矢量只能以某一步進(jìn)速度旋轉(zhuǎn)，從而使矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一多邊形準(zhǔn)圓形軌跡。通過(guò)對(duì)SVPWM工作原理及算法的闡述，為后面的軟件設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)產(chǎn)品名稱(chēng)：三相異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)：Y2系列電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、噪聲低、振動(dòng)小、重量輕、運(yùn)行安可靠、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高和外形美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛使用于無(wú)特殊要求的各種機(jī)械設(shè)備如機(jī)床、風(fēng)機(jī)、水泵等。表31 電機(jī)參數(shù)型 號(hào)額定功率kw滿(mǎn)載時(shí)堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 最小轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速r/min電流A功率 ％功率因數(shù)Y280M141390本文采用交－直－交變頻調(diào)速方式，主回路由不可控整流電路，濾波/緩沖環(huán)節(jié)，智能功率模塊IPM構(gòu)成的逆變電路組成。 整流電路整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過(guò)程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過(guò)整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱(chēng)單向脈動(dòng)性直流電壓。二極管的參數(shù)選擇為：通過(guò)二極管的峰值電流為：；通過(guò)二極管電流的有效值：；二級(jí)管電流的額定值為：～；考慮到濾波電容充電電流的影響，需留一些電流余量，故選用30A；二極管的額定電壓值：～1612V；一般的二極管能承受兩倍峰值電壓多些即可，故選用1200V的。 整流電路 濾波電路三相交流電源由二極管整流，再通過(guò)大電容濾波為恒定直流。主電路的直流側(cè)使用大電容濾波，而不使用電感，一是因?yàn)樗w積太大、價(jià)格昂貴，二是因?yàn)樗呛懔餍偷?，不能輸出相?duì)恒定的電壓，后級(jí)的逆變器將不容易控制。當(dāng)然，使用電容濾波是它的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也是它的缺點(diǎn)－電容兩端的電壓不能突變。優(yōu)點(diǎn)是它可以給后級(jí)的逆變器提供相對(duì)恒定的直流電壓，缺點(diǎn)是它剛開(kāi)始充電時(shí)不能直接接到不可控全橋整流的輸出端，因?yàn)檫@樣會(huì)產(chǎn)生很大的充電電流，燒壞整流器件。另外，在不使用主電路時(shí)要給濾波電容放電，以免發(fā)生事故。還有，如果后級(jí)逆變器輸出電流太大或出現(xiàn)故障，就要及時(shí)給后級(jí)逆變器斷電及增大前級(jí)電路的電阻以減小電流。電路中R1為啟動(dòng)電阻，限制濾波電容CC2的充電電流。通過(guò)檢測(cè)直流母線(xiàn)電壓，當(dāng)母線(xiàn)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)電壓的60％時(shí)，利用繼電器KA切換掉啟動(dòng)電阻。限流電阻的選擇包括電阻的阻值和容量的選擇，其選取的原則如下：阻值的選取原則上可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的額定電流來(lái)選擇。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的額定電流為20A，則限流電阻的阻值應(yīng)為：實(shí)際應(yīng)用中，限流電阻的阻值一般采用經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇，例如：容量較小時(shí)：取50～100歐容量較大時(shí)：取10～40歐容量的選擇限流電阻中的充電電流是衰減得很快的，并且，很快被開(kāi)關(guān)器件所短路，通電的時(shí)間很短。因此，限流電阻的容量不必太大。通常，取：P＝50～100W即已足夠。電阻值較大時(shí)容量可相對(duì)取小一點(diǎn)；電阻值較小時(shí)容量則要取得大一點(diǎn)。RcRc2并在電容的兩端，為穩(wěn)態(tài)均壓電阻。一般的電解電容耐壓只能做到450V，串聯(lián)分壓后才能接到537V的直流母線(xiàn)。但由于每個(gè)電容的電容量不可能絕對(duì)相同，尤其是電解電容，其電容量的離散性較大，若干個(gè)并聯(lián)后，兩組電容的電容量之間的差異是比較明顯的。串聯(lián)以后兩個(gè)電容器組上的電壓分配必將是不平衡的。這將導(dǎo)致兩組電容器壽命的不一致。解決電壓不平衡的方法便是在兩個(gè)電容器的兩端分別并聯(lián)電阻值相等的均壓電阻Rc1和Rc2。由于電阻的阻值容易做得比較準(zhǔn)確，從而保證了均壓效果。均壓電阻的阻值可根據(jù)其功率的大小來(lái)選擇。 濾波電路 逆變電路智能功率模塊（英文名稱(chēng)：intelligent power module，簡(jiǎn)稱(chēng)IPM）廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)變頻調(diào)速和直流電機(jī)斬波調(diào)速以及各種高性能電源（如UPS、感應(yīng)加熱、電焊機(jī)、有源補(bǔ)償、DCDC等）、工業(yè)電氣自動(dòng)化等領(lǐng)域，有著廣闊的市場(chǎng)。IPM產(chǎn)品特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)方面①I(mǎi)PM由高速低功耗的IGBT管芯和優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路組成。即模塊內(nèi)部不僅把IGBT功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還具有過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，即使發(fā)生負(fù)載短路或過(guò)熱事故，也可以保護(hù)IPM不受損壞。②復(fù)雜的電聯(lián)結(jié)經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，布線(xiàn)極為合理，外形美觀(guān)，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。因此大大減少和縮短了連線(xiàn)，很好地解決了高速開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路的分布參數(shù)問(wèn)題，因而得到了較高的技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)給用戶(hù)安裝帶來(lái)極大的方便。③由于產(chǎn)品是采用電力半導(dǎo)體模塊工藝生產(chǎn)，基