《SVPWM控制》PPT课件.ppt
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1、第二章第二章 SVPWM控制专题控制专题山东大学山东大学4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制 问题的提出问题的提出经典的经典的SPWMSPWM控制主要着眼于使变频器的输出电压尽控制主要着眼于使变频器的输出电压尽量接近正弦波;量接近正弦波;电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流,使之在正弦波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;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然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的最终目的是是在电动机空间形成圆形旋转磁场,从而产生在电动机空间形成圆形旋转磁场,从
2、而产生恒定的电磁恒定的电磁转矩转矩。4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制 如果把逆变器和交流电动机视为一体,按照跟踪圆形旋如果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。这种控制方法称作方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”。下面的讨论将表明,磁链的轨迹是交替使用不同的电压下面的讨论将表明,磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的,所以又称空间矢量得到的,所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM(SVPWMSVPWM,Space Vector PWMSpace Vector
3、PWM)控制控制”。4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制空间矢量的定义空间矢量的定义交交流流电电动动机机绕绕组组的的电电压压、电电流流、磁磁链链等等物物理理量量都都是是随随时时间间变变化化的的,如如果果再再考考虑虑到到它它们们所所在在绕绕组组的的空空间间位位置置,如如图图所所示示,可可以以定定义义为为空空间间矢矢量量u uA0A0,u uB0 B0,u uC0C0 。4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制v定子电压空间矢量:定子电压空间矢量:uA0、uB0、uC0 的方向始终处于各相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,时间相绕组的
4、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位互相错开的角度也是120。v合成空间矢量:合成空间矢量:由三相定子电压空间矢量相加合成的空间由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量矢量 us 是一个旋转的空间矢量,它的幅值是每相电压值是一个旋转的空间矢量,它的幅值是每相电压值的的3/2倍。倍。4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制合成空间矢量合成空间矢量 us 用公式表示,则有用公式表示,则有(2-14)如果如果uAO、uBO、uCO是角频率为是角频率为 1的三相对称正弦波电的三相对称正弦波电压,那么电压矢量压,那么电压矢量uS就是以角频率就是以角频率 1按
5、逆时针方向匀速按逆时针方向匀速旋转的空间矢量。而空间矢量旋转的空间矢量。而空间矢量uS在三相坐标轴(在三相坐标轴(A,B,C)上的投影就是对称的三相正弦量。上的投影就是对称的三相正弦量。4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制v电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系用合成空间矢量表示的定子电压方程式为用合成空间矢量表示的定子电压方程式为式中式中 us 定子三相电压合成空间矢量;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;定子三相电流合成空间矢量;s 定子三相磁链合成空间矢量。定子三相磁链合成空间矢量。(2-15)电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量
6、的关系 当电动机转速不是很低时,定子电阻压降在式(当电动机转速不是很低时,定子电阻压降在式(2-152-15)中所占的成分很小,可忽略不计,则定子合成电压与合成中所占的成分很小,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磁链空间矢量的近似关系为 (2-16)(2-17)或 4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制v磁链轨迹磁链轨迹 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(一般简称为的运动轨迹呈圆形(一般简
7、称为磁链圆磁链圆)。这样的定子)。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。磁链旋转矢量可用下式表示。(2-18)其中其中 m是磁链是磁链s的幅值,的幅值,1为其旋转角速度。为其旋转角速度。4.电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制控制 由式(由式(2-16)和式()和式(2-18)可得)可得(2-19)上式表明,当磁链幅值一定时,上式表明,当磁链幅值一定时,us的大小与的大小与 1(或供电(或供电电压频率)成正比,其方向则与磁链矢量正交,即磁链电压频率)成正比,其方向则与磁链矢量正交,即磁链圆的切线方向圆的切线方向磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系磁链轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系
8、如图所示,当磁链矢量在如图所示,当磁链矢量在空间旋转一周时,电压矢量也空间旋转一周时,电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运连续地按磁链圆的切线方向运动动2 弧度,其轨迹与磁链圆弧度,其轨迹与磁链圆重合。重合。这样,电动机旋转磁场的这样,电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题矢量的运动轨迹问题。三相逆变器的开关状态表三相逆变器的开关状态表v以以u0,u1,u2 u7分别分别表示表示8个工作状态对应的个工作状态对应的电压空间矢量,在复平电压空间矢量,在复平面上可以得到如图面上可以得到如图2-28所示的电压空间矢量图。所示的电压空间矢量图。其中,其中,
9、u0和和u7对应着电对应着电动机三相绕组电压为零,动机三相绕组电压为零,故称为零矢量。故称为零矢量。(010)C(001)(011)(101)(100)(110)ReAImB图图2-28a 电压空间矢量电压空间矢量 电压空间矢量的扇区划分电压空间矢量的扇区划分 为了讨论方便起见,可把逆变器的一个工作周期用为了讨论方便起见,可把逆变器的一个工作周期用6个个电压空间矢量划分成电压空间矢量划分成6个区域,称为扇区(个区域,称为扇区(Sector),),如图如图所示的所示的、,每个扇区对应的时间均为,每个扇区对应的时间均为/3。图图2-28b 电压空间矢量图电压空间矢量图(010)C(001)(011
10、)(101)(100)(110)ReAImB 对于六脉波的逆变器,在其输出的每个周期中对于六脉波的逆变器,在其输出的每个周期中6 种有种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔效的工作状态各出现一次。逆变器每隔 /3 时刻就切换一时刻就切换一次工作状态(即换相),而在这次工作状态(即换相),而在这 /3 时刻内则保持不变。时刻内则保持不变。v 随着逆变器工作状态的切换,电压空间矢量的幅值不随着逆变器工作状态的切换,电压空间矢量的幅值不变,而相位每次旋转变,而相位每次旋转 /3,直到一个周期结束。,直到一个周期结束。 这样,在一个周期中这样,在一个周期中 6 6 个电压空间矢量共个电压空间矢量共转过
11、转过 2 2 弧度,形成弧度,形成一个封闭的正六边形,一个封闭的正六边形,如图所示。如图所示。图图2-29 六脉波逆变器供电时电压空间矢量与磁链矢量六脉波逆变器供电时电压空间矢量与磁链矢量 在在 /3 所对应的时间所对应的时间 t 内,施加内,施加 u1的结果是使定的结果是使定子磁链子磁链 1 产生一个增量产生一个增量 ,其幅值其幅值与与|u1|成正比,方成正比,方向与向与u1一致,最后得到新的磁链,而一致,最后得到新的磁链,而 可见,可见,在任何时刻,所产生的磁链增量的方向决定在任何时刻,所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压,其幅值则正比于施加电压的时间于所施加的电压,其幅值则正比于施加
12、电压的时间。(2-20) 如果如果 u1 的作用时间的作用时间 t 小于小于 /3,则,则 i 的幅值的幅值也按比例地减小。也按比例地减小。依此类推,可以写成依此类推,可以写成 的通式的通式 总之,总之,在一个周期内,磁链空间矢量的尾部在在一个周期内,磁链空间矢量的尾部在O点点,其顶端的运动轨迹也就是其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正个电压空间矢量所围成的正六边形。六边形。可以得到的结论是:可以得到的结论是:如果交流电动机仅由常规的六脉波逆变器供电,磁如果交流电动机仅由常规的六脉波逆变器供电,磁链轨迹便是六边形的旋转磁场,这显然不象在正弦链轨迹便是六边形的旋转磁场,这显然不象在正
13、弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场,就必如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场,就必须在每一个期间内出现多个工作状态,以形成更多须在每一个期间内出现多个工作状态,以形成更多的相位不同的电压空间矢量。的相位不同的电压空间矢量。 逆变器的电压空间矢量虽然只有逆变器的电压空间矢量虽然只有8个,但可以利用个,但可以利用现代电力电子器件开关频率高的优势,将已有的现代电力电子器件开关频率高的优势,将已有的8个电个电压空间矢量进行压空间矢量进行线性组合线性组合,获得更多的与,获得更多的与u1
14、 u6相位不相位不同的等幅不同相的电压空间矢量,从而用尽可能多的同的等幅不同相的电压空间矢量,从而用尽可能多的多多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁场。边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁场。要有效地控制磁链轨迹,必须解决三个问题:要有效地控制磁链轨迹,必须解决三个问题:(1)如何选择电压矢量;)如何选择电压矢量;(2)如何确定各电压矢量的作用时间;)如何确定各电压矢量的作用时间;(3)如何确定各电压矢量的作用次序。)如何确定各电压矢量的作用次序。图2-28b中6个扇区,可选择相邻的两个电压矢量用于合成所夹扇区内的任意电压矢量。v在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。v实现SVPWM控制就是要把
15、每一扇区再分成若干个对应于时间 T0 的小区间。按照上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量 us,以获得优于正六边形的多边形(逼近圆形)旋转磁场。电压空间矢量的线性组合与电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制控制圆形旋转磁场逼近方法圆形旋转磁场逼近方法 PWM控制显然可以适应上述要求,问题是,怎样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。科技工作者已经提出过多种实现方法,例如线性组合法,三段逼近法,比较判断法等,这里只介绍线性组合法。 基本思路基本思路图图 逼近圆形时的磁链增量轨迹逼近圆形时的磁链增量轨迹如果要逼近圆形,可以增加切换次数,设想磁链增量由图中的11,12,13,14 这4段组
16、成。这时,每段施加的电压空间矢量的相位都不一样,可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。 线性组合的方法线性组合的方法图图2-30 电压空间矢量的线性组合电压空间矢量的线性组合 图2-30表示由电压空间矢量和的线性组合构成新的电压矢量。设在一段换相周期时间T0 中,可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后的电压矢量us=ur1,新矢量的相位为 。v图2-30表示了由u1、u2构成新的电压空间矢量的线性组合,v设在原u1状态结束后,期望在时间T0内电压空间矢量ur1起作用,并有ur1=u1。v采用部分u1矢量和部分u2矢量求和得到矢量ur1,vt1u1/T0和t2u2/T0分别表示部分u1和部分
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- SVPWM控制 SVPWM 控制 PPT 课件
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