空间电压矢量及其控制策略.ppt

空间电压矢量及其控制策略空间电压矢量及其控制策略n n空间矢量空间矢量PWM(SVPWM)PWM(SVPWM)控制策略是依据变流器空控制策略是依据变流器空间电压间电压(电流电流)矢量切换来控制变流器的一种思路新矢量切换来控制变流器的一种思路新颖的控制策略。颖的控制策略。n n空间矢量空间矢量PWMPWM控制策略早期针对交流电动机变频控制策略早期针对交流电动机变频驱动而提出，其主要思路在于抛弃了原有的正弦驱动而提出，其主要思路在于抛弃了原有的正弦波脉宽调制波脉宽调制(SPWM)(SPWM)，而是采用逆变器空间电压矢，而是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率开关频率(1K(1K3KHz)3KHz)条件下，使交流电机获得了条件下，使交流电机获得了较较SPWMSPWM控制更好的性能。控制更好的性能。n nSVPWM技术优点：n nSVPWMSVPWM提高了电压型逆变器的电压利用率和电提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能；动机的动态响应性能；n n同时还减小了电动机的转矩脉动等；同时还减小了电动机的转矩脉动等；n n简单的矢量模式切换更易于单片机的实现。简单的矢量模式切换更易于单片机的实现。基于固定开关频率的基于固定开关频率的SVPWM电流控制电流控制n n利用(d,q)同步旋转坐标中电流调节器输出的空间电压矢量指令，再采用SVPWM使VSR的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的SVPWM一般问题讨论一般问题讨论n n三相VSR空间电压矢量分布n n三相VSR空间电压矢量描述了三相VSR交流侧相电压(Va0,Vb0,Vc0)在复平面上的空间分布，由式(2-13)式(2-17)得n n23=8种开关函数组合代人式(3-1)即得到相应的三相VSR交流侧电压值 n n为方便起见，令A=vdc/3，不同开关组合时的电压值如下表所示：sa sb scva vb vcV Vk k0 0 00 0 0V V0 00 0 1-A -A 2AV V5 50 1 0-A 2A -AV V3 30 1 1-2A A AV V4 41 0 02A -A -AV V1 11 0 1A -2A AV V6 61 1 0A A -2AV V2 21 1 10 0 0V V7 7n n三相VSR不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为2vdc/3的空间电压矢量在复平面上表示出来。n n由于三相VSR开关的有限组合，因而其空间电压矢量只有23=8条，如图3-1所示，其中V0(0 0 0),V7(1 1 1)由于模为零而称为“零矢量”。n n某一开关组合就对应一条空间矢量，该开关组合时的va0,vb0,vc0,即为该空间矢量在三轴(a,b,c)上的投影。图图3-1 三相三相VSR空间电压矢量分布空间电压矢量分布n n复平面上三相VSR空间电压矢量V*可定义为 上式可表达成开关函数形式 n n对于任意给定的三相基波电压va0,vb0,vc0，若考虑三相平衡系统，即va0+vb0+vc0=0，则可在复平面内定义电压空间矢量 n n式(3-4)表明，如果va0,vb0,vc0是角频率为的三相对称正弦波电压，那么矢量V即为模为相电压峰值，且以角频率按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量V在三相坐标轴(a,b,c)上的投影就是对称的三相正弦量 实际上，对于对称的三相实际上，对于对称的三相VSR拓扑结构拓扑结构 三相VSR空间电压矢量控制与相电压参考点的选择无关 空间电压矢量的合成空间电压矢量的合成 n n三相VSR空间电压矢量共有8条，除2条零矢量外，其余6条非零矢量对称均匀分布在复平面上。对于任一给定的空间电压矢量v*，均可由8条三相VSR空间电压矢量合成，如图32所示 图图32 空间电压矢量分区及合成空间电压矢量分区及合成n n6条模为2vd/3的空间电压矢量将复平面均分成六个扇形区域I VIn n对于任一扇形区域中的电压矢量V*，均可由该扇形区两边的VSR空间电压矢量来合成n n如果V*在复平面上匀速旋转，就对应得到了三相对称的正弦量。n n实际上，由于开关频率和矢量组合的限制，V*的合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆轨迹。n n显然，PWM开关频率越高，多边形准圆轨迹就越接近圆。n n若v*在I区时，则V*可由Vl,V2和V0、7合成，依据平行四边形法则，有 T1,T2-V1,V2矢量在一个开关周期中的持续时间;Ts-PWM开关周期。令零矢量V0,7的持续时间为T0、7，则T1+T2+T0,7=Ts (37)令令令令V*V*与与与与V V1 1间的夹角为间的夹角为间的夹角为间的夹角为，由正弦定律算得，由正弦定律算得，由正弦定律算得，由正弦定律算得又因为|V1|=|V2|=2vdc/3，则联立式(37)、式(38)式中mSVPWM调制系数 n n零矢量的选择，主要考虑选择V0或V7应使开关状态变化尽可能少，以降低开关损耗。n n在一个开关周期中，令零矢量插入时间为T0,7，若其中插入V0的时间为T0=kT0,7，则插入V7的时间则为T7=(1-k)T0,7，其中0k1。n n实际上，对于三相VSR某一给定的电压空间矢量V*，常有几种合成方法，以下讨论均在VSR空间矢量I区域的合成。图图33 V*合成方法一合成方法一 a)V*合成合成b)开关函数波形开关函数波形c)频谱分布频谱分布 n n该方法将零矢量V0均匀地分布在V*矢量的起、终点上，然后依次由V1V2按三角形方法合成，如图33a所示。n n从该合成法的开关函数波形上(见图33b)分析，一个开关周期中，VSR上桥臂功率管共开关4次n n由于开关函数波形不对称，因此PWM谐波分量主要集中在开关频率fs以及2fs上，其频谱分布如图33c所示，显然在频率关处的谐波幅值较大。图图34 V*合成方法二合成方法二a)V*合成合成b)开关函数波形开关函数波形c)频谱分布频谱分布 n n方法二的矢量合成仍然将零矢量V0均匀地分布在V*矢量的起、终点上。但与方法一不同的是，除零矢量外，V*依次由V1V2 V1合成，并从V*矢量中点截出两个三角形，如图34a所示。n n由图34b的PWM开关函数波形分析，一个开关周期中VSR上桥臂功率管共开关4次，且波形对称;n n其PWM谐波分量仍主要分布在开关频率的整数倍频率附近，谐波幅值显然比方法一有所降低，其频谱分布如图34c所示。图图35 V*合成方法三合成方法三a)V*合成合成b)开关函数波形开关函数波形c)频谱分布频谱分布n n方法三将零矢量周期分成三段，其中V*矢量的起、终点上均匀地分布V0矢量，而在V*矢量中点处分布V7矢量，且T7=T0。除零矢量外，V*矢量合成与方法二类似，即均以V*矢量中点截出两三角形，V*的合成矢量如图35a所示。n n从开关函数波形(见图35b)可以看出，在一个PWM开关周期，该方法使VSR桥臂功率管开关6次且波形对称;n n其PWM谐波仍主要分布在开关频率的整数倍频率附近。显然，在频率fs附近处的谐波幅值降低十分明显，其频谱分布如图35c所示。n nVSR空间矢量合成，不同方法各有其优缺点。综合来看，第三种方法较好，该方法中开关损耗及谐波均相对较低；但从算法的简单性上看，第一种方法较好。