电力电子技术【王兆安_第五版】第6章-PWM控制补充技术

6.4.1 180o导通模式下的逆变器 电压空间矢量
1
U Ud
U
0
和每相输出电流的 方向无关
三相逆变器主电路桥臂简化
主电路原理图简化表示
功率开关器件共 有 23 = 8 种，组合 工作状态
Ud 2
V1
U V
V3
V5
IM W N
N N′
Ud 2
V4
V6
V2 交流电机
三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图（一）
图 三相对称交流量的电压空间矢量定义
电压空间矢量的相互关系
定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始终 处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦 规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120°。 合成空间矢量：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。 倍 三相电压经过空间矢量合成后等效为一个空间矢 量的概念，实质上就是一种由三相信号到两相信 号的变换。
Us5 (001)
Us6 (101)
电压空间矢量图（简化表示） 电压空间矢量图（简化表示）
Im
010 110
011
000 111
100
Re
000，111，两个零电压 ， ， 矢量，不输出电压。 矢量，不输出电压。
001
101
6.4 .2 三相对称交流量空间矢量定义 三相对称交流量空间矢量定义
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 。
图1.0 三相逆变器异步电机变频调速系统主电路
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言 电压空间矢量脉宽调制方法•
控制电压 输入信号 6路驱动 路驱动 脉冲 三相交流 输出电压
主电路的功率放大作用
三相PWM型逆变器 交流电动机系统框图（开环） 型逆变器-交流电动机系统框图 开环） 三相 型逆变器 交流电动机系统框图（ （参考图6-7） 参考图 ）
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言 电压空间矢量脉宽调制方法•
☺传统（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。 而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦 波附 近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。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 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。 机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系
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2π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。
图 旋转磁场与电压空间矢 量的运动轨迹
6.4 .4 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间 旋转磁场 主电路原理图简化表示
当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占 的成分（比例）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
dΨ s us ≈ dt
或
Ψ s ≈ ∫ us dt
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。
功率开关器件共 有 23 = 8 种，组合 工作状态
Ud 2
V1
U V
V3
V5
IM W N
N′
Ud 2
V4
V6
V2 交流电机
三相逆变器-异步电动机 三相逆变器 异步电动机 变频调速系统主电路原理图
每个周期的六边形合成电压空间矢量
在180o导电模式下的 六拍阶梯波作用下， 随着逆变器工作状态 的切换，电压空间矢 量的幅值不变，而相 位每次旋转 π/3 ，直 到一个周期结束。 这样，在一个周期 中 6 个电压空间矢量 共转过 2π 弧度，形 成一个封闭的正六边 形，如图所示。
令三相电压为： 令三相电压为：
ua = U m cos ωt 2π ub = U m cos(ωt − ) 3 2π uc = U m cos(ωt + ) 3
计算： 计算：
ua + u b ⋅ e
2 j π 3
+ uc ⋅ e
4 j π 3
ua + u b ⋅ e
2 j π 3
Байду номын сангаас
+ uc ⋅ e
逆变器输出电压空间矢量的定义
六拍阶梯波逆变器输出的各电压波形 如前所示。 如前所示。
ur 如果定义电压空间矢量 U s 为：
为何有此 定义？ 定义？
2 4 ur 2 j π j π U s = (U UN + U VN ⋅ e 3 + U WN ⋅ e 3 ) 3
则根据前述六拍阶梯波工作模式下的6种工作状态， 则根据前述六拍阶梯波工作模式下的 种工作状态， 种工作状态 可以分别推导得出6个电压空间矢量 个电压空间矢量： 可以分别推导得出 个电压空间矢量： Us1, Us2, Us3, Us4, Us5和Us6； 和 ； Us7和Us8幅值为零，称为零电压矢量，简称零矢量 幅值为零， 零电压矢量， 和 幅值为零 称为零电压矢量 简称零矢量
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言 电压空间矢量脉宽调制方法•
二极管整流器
三相PWM逆变器 三相 逆变器
常见的PWM方法有： 方法有： 常见的 方法有 SPWM，SAPWM， ， ， SVPWM，滞环比较 ， 方式等。 方式等。
PWM驱动控制 驱动控制 信号（ 路 信号（共6路）
怎么样才能得 到 所需的IGBT驱 所需的 驱 动控制信号？ 动控制信号？
参考前述电压空间矢量图
定子磁链矢量端点的运动轨迹
电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 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。对于这个关系，进一步说明如下：
设在逆变器工作开始 时定子磁链空间矢量为 ψ1，在第一个 π/3 期间， 电动机上施加的电压空 间矢量为空间矢量矢量 空间矢量矢量 图中的 u1 ，把它们再 画在右图中。 按照磁链和电压关系式 可以写成如下：
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法
简称：空间矢量调制（SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation） 应用范围：三相全桥逆变器 三相全桥逆变器，采用全控型开关 三相全桥逆变器 器件，例如IGBT, GTO, IGCT等。 应用非常广泛的一种PWM控制方法，尤其在 三相电动机变频调速控制系统中最为常用，其 它应用有PWM整流器，有源电力滤波器等。
☺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 磁链跟踪控制”，接下来 磁链跟踪控制 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， 电压空间矢量PWM 电压空间矢量PWM（SVPWM， PWM）控制”。这是一种在80年代提出， Space Vector PWM）控制 现在得到广泛应用的三相逆变器PWM控制方法。
Us6 (101)
6.4 .3 电机磁链空间矢量 与电压矢量的关系
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
dΨ s us = Rs I s + dt
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。
近似关系
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 。
电压空间矢量的合成思想
Im
Us3 (010) Us2 (110)
ur V ref
θ
Vref为期望的输出 电压空间矢量
V2 Us4 (011) Us7 (000) Us8 (111)
Us1 (100)
V1
Re
Us5 (001)
主电路原理图简化表示
功率开关器件共 有 23 = 8 种，组合 工作状态
Ud 2
SU SV SW
交流电机 IM N
N′
Ud 2
三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图（二）
逆变器的 8 种工作状态
开关工作状态
如果，上述图中的逆变器采用180°导通型，功 率开关器件共有 23 = 8 种组合工作状态（见附 表） ，其中 6 种有效开关状态； 2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电 压）： 上桥臂开关 V1、V3、V5 全部导通 下桥臂开关 V2、V4、V6 全部导通
uVN
U
2U 2U
U
2U
ωt
uWN
U U
2U 2U 2U
ωt
开关状态表
开关代码：表示三相桥臂输出状态； 开关代码：表示三相桥臂输出状态； 1—上管导通，下管关断，桥臂输出高电平 上管导通，下管关断， 上管导通 0—下管导通，上管关断，桥臂输出低电平 下管导通， 下管导通 上管关断，
开关控制模式
对于六拍阶梯波工作模式下的逆变器，在其输出 的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。 逆变器每隔 π/3 时刻就切换一次工作状态（即换 相），而在这 π/3 时刻内则保持不变。 工作于这种模式下的逆变器，我们通常把它简称 六拍逆变器。 为六拍逆变器 六拍逆变器
逆变器的6 逆变器的6个输出电压空间矢量
2 U s1 = U d 3 2 1 3 U s2 = U d ( + j ) 3 2 2 2 1 3 U s3 = U d (− + j ) 3 2 2