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1、6-1,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，采用全控型开关器件，例如IGBT,MOSFET,GTO,IGCT等。应用非常广泛的一种PWM控制方法，尤其在三相交流电动机变频调速控制系统中最为常用，其它应用有三相PWM整流器，有源电力滤波器等。,6-2,6.4 电压空间矢量脉宽调制方法,引言 6.4.1 180o导通模式下的逆变器电压空间矢量 6.4.2 三相对称交流量空间矢量定义 6.4.3 电机磁链空间矢量与电压矢量的关系 6.4.4 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场
2、6.4.5 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 小结 本节习题,6-3,6.4 电压空间矢量脉宽调制方法 引言,图1.0 三相逆变器异步电机变频调速系统主电路,二极管整流器,三相PWM逆变器,怎么样才能得到所需的IGBT驱动控制信号？,PWM驱动控制信号（共6路）,常见的PWM方法有：SPWM，SAPWM，SVPWM，滞环比较方式等。,6-4,6.4 电压空间矢量脉宽调制方法 引言,三相PWM型逆变器-交流电动机系统框图（开环）（参考图6-7）,6路驱动脉冲,三相交流输出电压,三相控制电压输入信号,主电路的功率放大作用,为系统给定信号（开环），或者为上一级控制器综合出的控制电压信号（闭环）
3、。,6-5,实验运行相关波形：（空载运行）等效参考电压调制波和电机线电流（fo=25Hz）,6-6,实验运行相关波形：（空载运行）等效参考电压调制波和电机线电流（25Hz）（放大）,电机线电流,等效参考电压调制波,6-7,电机相电压和电机线电流波形（10Hz）,电机相电压,6-8,电机相电压和电机线电流波形（10Hz）（放大）,6-9,6.4 电压空间矢量脉宽调制方法 引言,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
4、电流的最终目的是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。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”，接下来的讨论将表明，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，Space Vector PWM）控制”。这是一种在80年代提出，现在得到广泛应用的三相逆变器PWM控制方法。,6-10,6.4.1 180o导通模式下的逆变器 电压空间矢量,三相逆变器主电路桥臂简化,和每相输出电流的方向无关,6-11,主电路原理图简化表示,三相逆变器-异步电动机
5、变频调速系统主电路原理图（一）,功率开关器件共有 23=8 种，组合工作状态,6-12,主电路原理图简化表示,三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图（二）,功率开关器件共有 23=8 种，组合工作状态,6-13,逆变器的 8 种工作状态,6-14,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,6-15,三相电压型全桥逆变器桥臂输出电压波形,三相电压型全桥逆变器负载相电压波形（
6、六拍阶梯波）,负载中性点电压波形,三相桥臂输出状态,6-16,开关状态表,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0下管导通，上管关断，桥臂输出低电平,6-17,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/3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/3 时刻内则保持不变（方波控制模式）。工作于这种模式下的逆变器，我们通常把它简称为六拍逆变器。,6-18,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。,如果定义电压空间矢量 为：,则根据前述六拍阶梯波工作模式下的6种工作状态
7、，可以分别推导得出6个电压空间矢量：Us1,Us2,Us3,Us4,Us5和Us6；Us7和Us8幅值为零，称为零电压矢量，简称零矢量,为何有此定义？,6-19,作用于交流电机上的逆变器输出电压空间矢量计算（这里仅给出Us1和Us2，其余的自己可以推导验算）：,6-20,作用于交流电机上的逆变器输出电压空间矢量计算（这里仅给出Us1和Us2，其余的自己可以推导验算）：,6-21,逆变器的6个输出电压空间矢量,6-22,由6个电压空间矢量形成的电压空间矢量图,Us0，零电压矢量，含两种状态，包括Us7（000）和 Us8（111），不输出电压。,6-23,电压空间矢量图（简化表示）,000，11
8、1，两个零电压矢量，不输出电压。,6-24,6.4.2 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 三相对称交流量的电压空间矢量定义,6-25,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。三相电压
9、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。经过这样的等效变换带来的最大便利之处就在于三相系统转化为两相系统来处理，即可以采用复平面矢量（向量）分析。,6-26,令三相电压为：,计算：,6-27,前述电压空间矢量定义中采用了2/3系数，实际上就是考虑到使得变换后的矢量长度变为1，即所谓的“等幅值变换”。,6-28,电压空间矢量的相互关系,当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角频率1 为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上。用公式表示，则有,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
10、Is 和s。,6-29,电压空间矢量的合成思想,Vref为期望的输出电压空间矢量,6-30,6.4.3 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,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；s 定子三相磁链合成空间矢量。,6-31,近似关系,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,或,6-32,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）
11、。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。,其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。,6-33,6.4.4 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间 旋转磁场,电压空间矢量运动轨迹 在常规的 PWM 变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？为了讨论方便起见，再把三相逆变器异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图中6个IGBT功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种功率开关器件。,6-34,主电路原理图简化表示,三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图,功率开关器件共有 23=8 种，组合工作状态,6-35,每个周期的六边形合成电压空间矢量,
12、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/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 2 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。,参考前述电压空间矢量图,6-36,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：,6-37,图 六拍阶梯波逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系,设在逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为1，在第一个/3 期间，电动机上施加的电压空间矢量
13、为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：,1,6-38,也就是说，在/3 所对应的时间 t 内，施加 u1的结果是使定子磁链 1 产生一个增量，其幅值|u1|与成正比，方向与u1一致，最后得到新的磁链2，从而,6-39,依此类推，可以写成 的通式,总之，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。,6-40,图 六拍阶梯波逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系,1,2,3,4,5,6,在一个输出周期中，电机定子磁链轨迹形成一个封闭的六边形。,6-41,磁链矢量增量与电压矢量
14、、时间增量的关系,如果 u1 的作用时间t 小于/3，则 i 的幅值也按比例地减小，如图 中的矢量。可见，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。,图 磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系,6-42,12拍阶梯波逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系,在一个输出周期中，期望的电机定子磁链轨迹形成一个封闭的12边形。,6-43,12拍阶梯波逆变器供电的电压空间矢量与磁链矢量的关系,在输出1/6周期中，电机定子磁链运动期望轨迹。,在下一个1/6周期中，电机定子磁链运动期望轨迹。,6-44,12拍阶梯波逆变器供电的电压空间矢量与磁链矢量的关系,在
15、输出一个周期中，期望的电机定子磁链运动形成的轨迹。,6-45,12拍阶梯波逆变器供电的矢量线性合成的磁链实际运动轨迹,6-46,24拍阶梯波逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系,在一个输出周期中，期望的电机定子磁链轨迹形成一个封闭的24边形。,6-47,6.4.5 电压空间矢量的线性组合 与SVPWM控制,如前分析，我们可以得到的结论（特点）是：如果定子电压是连续变化的正弦量，则合成后的电压空间矢量us 为连续的圆形轨迹，而六拍阶梯波电压合成后的电压空间矢量为离散的6个点。如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形
16、旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。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。为此，必须对逆变器的工作控制模式进行改造。,6-48,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。科技工作者们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，这里介绍线性组合法。,6-49,基本思路,图 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段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都不一样，可以
17、用基本电压矢量线性组合的方法获得。,6-50,我们希望所施加的电压矢量给带来的电动机磁链轨迹接近圆形，即磁链变化（增量）应该按照前述每60o电角度范围内细分为2段或4段，这里设细分段数为N，即N=2，或N=4，或者更多，如8段，10段，20段等。细分段越多，电机电流的谐波越少，电流波形越接近于正弦，电动机磁链轨迹接近于圆形，电机运行越稳定。但同时也会造成IGBT开关器件的开关次数显著增多，开关损耗越大。因此实际应用中需要折衷考虑细分的段数。,6-51,伏秒积相等原则（也称伏秒平衡原则）,根据给定的三相电压信号确定所需要施加的电压空间矢量。包括两个方面：一是确定所需要参与合成的两个电压矢量，这可
18、以由参考给定电压空间矢量在电压空间矢量图中的位置确定；二是这两个电压矢量具体作用时间，这可以根据伏秒积相等原则求出。伏秒积相等的原则，实际上也就是按照磁链增量相等的原则，在足够短的作用时间内（称为采样控制时间Ts），施加的两个电压空间矢量与时间的乘积（伏秒积）等于给定电压空间矢量与时间的乘积（伏秒积）。,6-52,12拍阶梯波逆变器供电的电压空间矢量与磁链矢量的关系,在输出1/6周期中，电机定子磁链运动期望轨迹。,在下一个1/6周期中，电机定子磁链运动期望轨迹。,6-53,电压空间矢量的合成思想,Vref为期望的输出电压空间矢量,6-54,矢量合成过程中的作用时间（第一个60o区域）,考虑到,
19、，并令：,同时，电压矢量U1,U2,U0为已知，代入上式得到：,电压空间矢量的幅值,6-55,矢量合成过程中的作用时间,令实部和虚部分离，得到如下三个方程：,6-56,矢量合成过程中的作用时间,求解上述三个方程，得到：,一般将 k 定义为调制系数，也称调制深度。k0,1,6-57,矢量合成过程中的作用时间,对作用时间作一形式上的变换：,第一个60o扇区中的参考矢量合成,6-58,矢量合成过程中的作用时间（第二个60o区域）,同理，当参考电压矢量位于第二个60o区域时，求解类似的三个方程可得到：,作一个简单的代换，并与第一个60o区域的作用时间表达式比较，可以发现规律。,作代换=+/3。,6-5
20、9,关于零矢量的使用,采样控制周期 Ts 应由旋转磁场所需的频率和器件开关速度以及系统损耗等因素决定，t1+t2与Ts 未必相等，其间隙时间可用零矢量 u7 或 u8 来填补。为了减少功率器件的开关次数，并获得好的谐波性能，一般使 u7 和 u8 各占一半时间，因此u7 作用时间t07和 u8作用时间t08如下式：,6-60,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6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的、，每个扇区对应的时间均为/3。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。,6-61,电压空间矢量的
21、6个扇区划分,6-62,在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。实现SVPWM控制就是要把每一扇区再分成若干个对应于时间 Ts 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 Vref，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。,6-63,开关状态切换原则,在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：（1）每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。（2）原则上不允许两相同时进行开关动作。,6-64,电压空间矢量脉宽调制思想,Vref为期望的输出电压空间矢量,6-65,首发零矢量的SVPWM作用模
22、式,我们这里介绍的SVPWM控制方法中，用于合成的3个输出电压矢量序列，首发电压矢量都是零矢量，这样可以有效地避免扇区切换过程中发生矢量突变。以参考矢量位于扇区为例，采用 3个电压矢量U1,U2,U0，其中U0包括U7（000）和U8（111）两种。一般采用首发零矢量U7（000）的方案。当参考矢量位于扇区中，输出矢量的次序为：000100110111111110100 000。当然采用首发零矢量U8（111）也可以，只需把上述输出矢量的次序颠倒一下即可：111110100000000100110 111。如果出于降低开关器件损耗考虑，还可以采用首发其它矢量的PWM模式。关于SVPWM作用模式
23、，有多种方案选择，限于学时，这里不进一步介绍。,6-66,首发零矢量的SVPWM作用模式,首发零矢量U7（000）的电压矢量输出顺序表,6-67,一个Ts 区间内的电压波形（第一个60o扇区）,第扇区内的开关序列与逆变器三相电压波形（首发000矢量）,也称为电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）工作模式图,虚线间的每一小段表示一种工作状态,0 0 01 0 01 1 01 1 11 1 11 1 01 0 00 0 0,U相桥臂状态变化,6-68,一个Ts 区间内的电压波形（第一个60o扇区）,第扇区内的开关序列与逆变器三相电压波形（首发111矢量）,1 1 11 1 01 0 00 0 00 0
24、 01 0 01 0 01 1 1,U相桥臂状态变化,注意矢量次序和相应作用时间的变化,6-69,TS 区间内的电压波形（所有6个60o扇区）,6-70,SVPWM模式作用下的定子磁链轨迹,N=4时，60o电角度范围（1/6周期）内实际的定子磁链矢量轨迹,期望的(等效的)定子磁链轨迹,实际的 定子磁链轨迹,6-71,SVPWM模式作用下的定子磁链轨迹,N=4时，360o电角度（1个周期）内定子旋转磁链矢量轨迹,定子磁链矢量轨迹旋转方向,6-72,如上所述，如果一个扇区分成4个Ts小区间，则一个周期中将出现24个脉冲波，而功率器件的开关次数也必将增多，应选用高开关频率的功率器件。当然，一个扇区内
25、所分的小区间越多，就越能逼近圆形旋转磁链轨迹。在每个60o扇区内都有各自相应的逆变器开关序列和三相电压波形（即PWM工作模式）。首发矢量采用000或者111都可以，改变的只是矢量合成过程中的电压矢量输出次序，各电压矢量的作用时间不变。实际上，这种逆变器的开关序列和电压波形就对应着IGBT开关器件的栅极驱动信号时序。通过控制IGBT栅极驱动电压，就可以得到期望的输出电压波形。,6-73,三相PWM型逆变器-交流电动机系统框图（开环）（参考图6-7）,6路驱动脉冲,三相交流输出电压,控制电压输入信号,如何通过SVPWM方法实现对三相逆变器的控制？,怎么样才能得到所需的IGBT驱动控制信号？,请大家
26、思考，本节最初提出的问题是否已经得到解决？,6-74,SVPWM 实验结果，空载，采样控制周期250 s；U相等效参考电压调制波和U相电机线电流（10Hz）,电机电流,等效参考电压调制波,6-75,等效参考电压调制波和电机线电流（10Hz）（放大）,6-76,等效参考电压调制波和电机线电流（25Hz）,6-77,等效参考电压调制波和电机线电流（25Hz）（放大）,6-78,等效参考电压调制波和电机线电流（50Hz）,电机电流,等效参考电压调制波,6-79,等效参考电压调制波和电机线电流（50Hz）（放大）,6-80,SVPWM 实验结果（80%负载）（In=5A）：U相等效参考电压调制波和U相
27、电机线电流（10Hz）,电机电流,等效参考调制波,6-81,SVPWM 实验结果（80%负载）（放大）：U相等效参考电压调制波和U相电机线电流（10Hz）,6-82,电机相电压和等效参考调制波（10Hz）,电机相电压,6-83,电机相电压和等效参考调制波（10Hz）（放大）,6-84,电机相电压和电机线电流波形（10Hz）（再放大）,6-85,电机线电流和AD采样波形（50Hz）,6-86,电机线电流和AD采样后的波形（50Hz）（放大）,6-87,电机线电流和AD采样后的波形（50Hz）（放大）,6-88,电机线电流和AD采样波形（50Hz）（放大）,电机线电流,6-89,小 结,归纳起来，
28、SVPWM控制模式有以下特点：逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间 Ts，Ts 越短，旋转磁场越接近圆形，但 Ts 的缩短受到功率开关器件允许开关频率和逆变器开关损耗（发热和效率）的制约。在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。,6-90,3)每个小区间均以零电压矢量开始，又以零电压矢量结束。4)利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。5)采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般三相SPWM控制输出电压提高了15%，
29、即直流电压利用率可达到1。有关SVPWM的介绍，可以参考：（1）陈坚 编著，电力电子学电力电子变换和控制技术，高等教育出版社，2004年12月（2）徐德鸿 等主编，电力电子技术，科学出版社，2007年8月,6-91,本节习题,在180o导通工作模式下，根据电压空间矢量的定义，分别计算三相全控桥式逆变器的6个电压空间矢量，并作出电压空间矢量图。在6拍阶梯波作用下，根据三相交流异步电机定子磁链和定子电压的关系，描述磁链运行特征，并作出定子磁链运行轨迹图。分别推导出6个扇区中用于合成期望的参考电压矢量的电压矢量作用时间表达式，并说明作用时间表达式关于参考电压矢量所处扇区位置的规律。分别作出SVPWM中首发零矢量U7（000）和U8（111）在第二扇区的工作模式图，并标出相应工作电压矢量及其作用时间。分别作出6个扇区的首发零矢量U7（000）和首发零矢量U8（111）矢量的SVPWM工作模式图。,6-92,附:三相逆变电路SPWM仿真系统(Matlab/Simulink),6-93,六路PWM脉冲输出,6-94,三相线电压到三相相电压的转换,6-95,异步电机转速输出波形,6-96,三相逆变器线电压波形,6-97,电机负载相电压波形,6-98,电机相电压和等效参考调制波（10Hz）,电机相电压,6-99,电机转子和定子电流波形,6-100,电机电磁转矩波形,
