【文章內(nèi)容簡介】 （）輸出線電壓的基波有效值： （）所以三相SPWM逆變電路直流電壓利用率。第5章 三相逆變器電壓空間矢量PWM控制（SVPWM） SVPWM介紹傳統(tǒng)的正弦脈寬調制(SPWM)技術是從電源的角度出發(fā)的，其著眼點是如何生成一個可以調頻調壓的三相對稱正弦波電源。常規(guī)SPWM法已被廣泛地應用于逆變器中，然而常規(guī)SPWM不能充分利用饋電給逆變器的直流電壓，逆變器最大相電壓基波幅值與逆變器直流電壓比值為，即逆變器輸出相電壓峰值最大為，直流利用率低。John采用諧波失真的方法來增加三相PWM逆變器的輸出電壓，可以使PWM逆變器最大相電壓基波幅值增加約15％，但該方法的效果并不理想，因此它的實際應用受到很大的限制。并且SPWM逆變器是基于調節(jié)脈沖寬度和間隔來實現(xiàn)接近于正弦波的輸出電流，這種調節(jié)會產(chǎn)生菜些高次諧波分量，引起電機發(fā)熱，轉矩脈動過大甚至會造起系統(tǒng)振蕩。一些學者在此基礎上提出了選擇諧波消除法和梯形脈寬調制法(TPWM)，但指定諧波消除法運算量大，且占用相當大的內(nèi)存，實現(xiàn)起來比較困難；TPWM逆變器輸出波形中諧波分量比SPWM逆變器還多，結果并不理想。而且，傳統(tǒng)的高頻三角波與調制波比較生成PWM波的方式適合模擬電路，不適應于現(xiàn)代化電力電子技術數(shù)字化的發(fā)展趨勢。因此，常規(guī)SPWM法不能適應高性能全數(shù)字控制的交流伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。80年代中期，德國學者H．W．Van Der Broek等在交流電機調速中提出了磁鏈軌跡控制的思想，在此基礎上進～步發(fā)展產(chǎn)生了電壓空間矢量脈寬調制(Space—Vector Pulse—Width Modulation，簡寫為SVPWM)的概念。SVPWM，又稱磁鏈追蹤型PWM法，它是從電動機的角度出發(fā)，其著眼點是如何使電機獲得圓磁場。具體地說，它是以三相對稱正弦波電壓供電下三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為基準，由三相逆變器不同開關模式下所形成的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，在追蹤的過程中，逆變器的開關模式作適當?shù)那袚Q，從而形成PWM波。采用空間矢量PWM(SVPWM)算法可使逆變器輸出線電壓幅值最大達到，比常規(guī)SPWM法提高了約15．47％。并且，由于SVPWM有多種調制方式， 所以SVPWM控制方式可以通過改變其調制方式來減少逆變器功率器件開關次數(shù)，從而降低功率器件的開關損耗，提高控制性能。在同樣的采樣頻率下，采用開關損耗模式SVPWM法的逆變器的功率器件開關次數(shù)比采用常規(guī)SVPWM法逆變器的功率器件開關次數(shù)減少了，大大降低了功率器件的開關損耗。SVPWM實質是一種基于空間矢量在三相正弦波中注入了零序分量的調制波進行規(guī)則采樣的一種變形SPWM，是具有更低的開關損耗的SPWM改進型方法，是一種優(yōu)化的PWM方法，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分及電機的諧波損耗，降低電機的脈動轉矩，且SVPWM其物理概念清晰，控制算法簡單，數(shù)字化實現(xiàn)非常方便，故目前有替代傳統(tǒng)SPWM法的趨勢。 SVPWM原理說明異步電機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉矩。因此，可以吧逆變器和異步電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制PWM電壓，這樣的控制方式就叫做“磁鏈跟蹤控制”。磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以又稱“電壓空間矢量控制”。所謂電壓空間矢量是按照電壓所加繞組的空間位置來定義的。，A、B、C分別表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差120176。，三相定子相電壓、分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量為、它們的方向始終在各相軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律作脈動式變化，時間相位互差120176。與電機原理中三相脈動磁動勢相加產(chǎn)生合成的旋轉磁動勢相仿，可以證明，三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量是一個旋轉的空間矢量，它的幅值不變，；旋轉頻率為。用公式表示，則有 （）同理，可以定義電流和磁鏈的空間矢量和。異步電動機定子電壓空間矢量方程式為 （） 電壓空間矢量當轉速不是很低時，電子電阻壓降較小，可忽略不計，則定子電壓與磁鏈的近似關系為 （）或 （）（）式表明，電壓空間矢量的大小等于的變化率，而其方向則與的運動方向一致。在由三相平衡正弦電壓供電時，電機定子磁鏈空間矢量為 （）式中，為的幅值，為其旋轉角速度。磁鏈矢量頂端的運動軌跡形成圓形的空間旋轉磁場（一般簡稱為磁鏈圓）。由（）式和（）式可得 （）由（）式可見，當磁鏈幅值一定是，的大小與成正比，其方向為磁鏈圓形軌跡的切線方向。當磁鏈矢量的空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)地沿磁鏈圓的切線方向運動弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電機旋轉磁場的形狀問題就可以轉化為電壓空間矢量運動軌跡的形狀問題。 旋轉磁場與電壓空間矢量運動軌跡的關系在變頻調速系統(tǒng)中，異步電機由三相PWM逆變器供電，這時供電電壓和三相平衡正弦電壓有所不同。，為了簡單起見，A、B、C相6個開關器件都用開關量表示，分別為、。為使電機對稱工作，必須而三相同時供電，即在任一時刻一定有處于不同橋臂下的3個器件同時導通，而相應橋臂的另3個功率器件則處于關斷狀態(tài)。當用、表示三相逆變器的開關狀態(tài)時，由于、各有0（表示相應的下橋臂導通）或1（表示相應的上橋臂導通）兩種狀態(tài)，因此整個三相逆變器共有開關狀態(tài)（）。從逆變器的正常工作，前六個工作狀態(tài)時有效的，后兩個工作狀態(tài)是無意義的。 三相PWM逆變器——異步電動機原理圖 逆變器的8種工作狀態(tài)逆變器狀態(tài)向量41006110201030111001510171110000對于每一個有效的工作狀態(tài)，相電壓都可用一個合成空間矢量表示，這六種狀態(tài)的幅值相等，只是相位不同而已。、…、依次表示100、1…、101六個有效工作狀態(tài)的電壓空間矢量。設逆變器的工作周期從100狀態(tài)開始，其電壓空間矢量與軸同方向，它所存在的時間為。在這段時間以后，工作狀態(tài)轉為110，電機的電壓空間矢量為，它在空間上與相差。隨著逆變器工作狀態(tài)的不斷切換，電機電壓空間矢量的相位也作相應的變化。到一個周期結束，的頂端恰好與的尾端銜接，一個周期的六個電壓空間矢量工轉過，形成一個封閉的正六邊形。至于111與000這兩個無意義的工作狀態(tài)，可分別冠以和，并稱之位零矢量，它們的幅值為0，也無相位，可認為它們坐落在六邊形的中心點上。如前所述，這樣一個由電壓空間矢量運動所形成的正六邊形軌跡可以看做是交流電機定子磁鏈矢量端點的運動軌跡。對于這個關系，可進一步說明如下。設在逆變器工作的第一個期間，此時定子磁鏈矢量為。逆變器進入第二個期間，電壓空間矢量，按（）式，可寫作 （）此處是、…、的廣義表示。就第二個工作區(qū)間而言，（）式表明在期間內(nèi)，在的作用下，使產(chǎn)生增量，其幅值為，方向與一致。依此類推，可知磁鏈矢量的頂端運動軌跡也是一個正六邊形。這說明異步電機在六拍階梯波逆變器供電時所產(chǎn)生是正六邊形旋轉磁場，而不是圓形磁場。 六階梯波逆變器的電壓空間矢量及磁鏈增矢量常規(guī)六拍逆變器供電的異步電機只產(chǎn)生正六邊形的旋轉磁場，顯然這不利于電機的勻速旋轉。其所以如此，是由于在一個周期中只有6次開關切換，切換后所形成的6個電壓空間矢量都是恒定不動的。如果想獲得更多多邊形或逼近圓形的旋轉磁場，就必須有更多的逆變器件控制模式進行改造，PWM控制顯然可以適合這個要求。逆變器的電壓空間矢量雖然只有~8個，但可以利用它們的線性組合，以獲得更多的與~相位不同的新的電壓空間矢量，最終構成一組等幅不同相的電壓空間矢量，從而形成盡可能逼近圓形的旋轉磁場。這樣，在一個周期內(nèi)逆變器的開關狀態(tài)就要超過6個，而有些開關狀態(tài)會出現(xiàn)多次。所以逆變器的輸出電壓將不是六拍階梯波，而是一系列等幅不等寬的脈沖波，這就形成了電壓空間矢量控制的PWM逆變器。由于它間接控制了電機的旋轉磁場，所以也可稱作磁鏈跟蹤（或磁鏈軌跡）控制的PWM逆變器。3）磁鏈追蹤控制時的磁鏈軌跡在使用八種電壓空間矢量形成盡可能圓形磁鏈軌跡的控制過程中，常采用三段逼近式磁鏈跟蹤控制算法并輔之以零矢量分割技術。設時刻磁鏈空間矢量為，時刻磁鏈空間矢量為，它應看作是在的基礎上疊加由相關電壓空間矢量在時間內(nèi)所形成的磁鏈增矢量的結果，即 （）式中。 理想磁鏈圓區(qū)間劃分及相鄰磁鏈矢量關系 由于磁鏈追蹤控制時采取等區(qū)間劃分方式，任意時刻的時間間隔均相等，故有 （）式中，為SVPWM的輸出頻率；N為磁鏈圓等分數(shù)。由于三相電壓源型逆變器輸出電壓及其相應磁鏈只有六種有效矢量，采用單一電壓矢量形成所需磁鏈增矢量會使實際磁鏈軌跡偏離理想磁鏈圓。為了獲得盡可能接近圓形的磁鏈軌跡，可以采取兩種處理措施：一是增大磁鏈分區(qū)數(shù)N，二是用多種實際磁鏈矢量合成所需要，如采用三段逼近是磁鏈跟蹤算法。三段逼近磁鏈跟蹤算法是由兩種實際磁鏈矢量分三段來合成磁鏈增矢量，用以改善實際磁鏈軌跡接近圓形的程度。以N=6為例，理想磁鏈圓被劃分為六個60176。電角度區(qū)間，每區(qū)間內(nèi)的磁鏈增矢量（）應選用與其夾角最小（N=6時夾角為60176。）的兩種實際磁鏈增矢量來合成，并根據(jù)關系來確定每個電壓矢量的作用時間。176。區(qū)間內(nèi)的三段式磁鏈跟蹤控制過程。同理，其余的區(qū)間也用同樣的方法去合成磁鏈增矢量時，可得到近似理想圓形磁鏈圓。 三段逼近式磁鏈跟蹤算法 N=6，三段逼近式磁鏈跟蹤軌跡4）SVPWM的基本調制算法從三段式逼近磁鏈跟蹤算法可以看出，磁鏈圓的切線就是六種電壓空間矢量~經(jīng)過不同線性組合的切線圓，所以要想得到磁鏈圓，只要電壓空間矢量幅值恒定旋轉即可。因此SVPWM的關鍵是在每個扇區(qū)中找到一個，其幅值恒定為，以角速度旋轉。可用六個基本電壓矢量中的兩個