恒E。/o1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准,可以在稳态时达到 Φ=恒值,从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的,产生转矩的能力仍受 到限制 恒E,/ω1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性,按照转子全磁通 Φ灬恒定进行控制即得Er/ω1=恒值,在动态中也尽可能保持φm恒定是矢量控制系统 所追求的目标,当然实现起来是比较复杂的 623基频以上恒压变频时的机械特性 在基频fN以上变频调速时,由于电压U,=U不变,机械特性方程式 =3,0区R+R)+507(Ln+L 最大转矩1m2+U2 当角频率a1提高时,同 aR+√R2+o(L1+L) 步转速随之提高,最大转矩减小,机械特性上移,而形状基本不变,如图6-7所示 由于频率提高而电压不变,气隙磁通势必减弱,导致转矩的减小,但转速却升 了,可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 ON<@a<@b<a 恒功率调速 图6-7基频以上恒压变频调速的机械特性 64变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术 教学内容
恒 1 Eg / 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到 Φm = 恒值 ，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受 到限制。 恒 1 Er / 控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 Φrm 恒定进行控制即得 1 Er / =恒值，在动态中也尽可能保持 Φrm 恒定是矢量控制系统 所追求的目标，当然实现起来是比较复杂的。 6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性 在基频 1N f 以上变频调速时，由于电压 Us = UsN 不变，机械特性方程式 2 ' 2 1 ' 2 2 1 ' 2 ( ) ( ) 3 s r ls lr r e p sN sR R s L L sR T n U + + + = 最大转矩 2 ' 2 1 2 1 2 max ( ) 1 2 3 s s l s l r e p sN R R L L T n U + + + = ，当角频率 1 提高时，同 步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图 6-7 所示。 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速却升高 了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 恒功率调速 Te O n 0N n n0c n0b 0a n 1N 1a 1b 1c 1N<1a<1b<1c Te O n 0N n n0c n0b 0a n 1N 1a 1b 1c 1N<1a<1b<1c 图 6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性 教学内容 6.4 变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术
掌握脉宽调制(PwM)技术的基本原理及实现方法 教学目的 电压空间矢量PWM( SVPWM)控制技术:空间矢量的定义, 教学重点 电压与磁链空间矢量的关系,六拍阶梯波逆变器与正六边形空间 旋转磁场,电压空间矢量的线性组合与 SVPWM控制 3学时 建议学时 PT演示软件 教学教具与方法
教学目的 掌握脉宽调制（PWM）技术的基本原理及实现方法。 教学重点 电压空间矢量 PWM（SVPWM）控制技术：空间矢量的定义， 电压与磁链空间矢量的关系，六拍阶梯波逆变器与正六边形空间 旋转磁场，电压空间矢量的线性组合与 SVPWM 控制。 建议学时 3 学时 教学教具与方法 PPT 演示软件
6.4变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术 641正弦波脉宽调制(SPwM)技术 以正弦波作为作为调制波( Modulation wave),以频率比调制波高得多的等腰 三角波作为载波( Carrier wave),由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻, 从而获得两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。 按照波形面积相等的原则,每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相 等,因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调 制( Sinusoidal pulse width modulation,简称SPwM),这种序列的矩形波称作 sPwM波。 643电流滞环跟踪PWwM( CHBPWM)控制技术 若能对电流实行闭环控制,以保证其正弦波形,显然将比电压开环控制能够获 得更好的性能。常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM( CHBPWM, Current Hysteresis Band PWM)控制,具有电流滞环跟踪PWM控制的PWM变 压变频器的控制原理图示于图6-22 L枣 U 教 案 悃杂悃杂 图6-22三相电流跟踪型PWM逆变电路 采用电流滞环跟踪控制时,变压变频器的电流波形与PwWM电压波形示于图 6-23,输出电流l与给定值之间的偏差保持在±h范围内,在正弦波l上下作锯 齿状变化 05U b) 图6-23电流滞环跟踪控制时的电流波形 a)电流波形 b)电压波形
教 案 6.4 变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术 6.4.1 正弦波脉宽调制（SPWM）技术 以正弦波作为作为调制波（Modulation wave），以频率比调制波高得多的等腰 三角波作为载波（Carrier wave），由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻， 从而获得两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相 等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调 制（Sinusoidal pulse width modulation，简称 SPWM），这种序列的矩形波称作 SPWM 波。 6.4.3 电流滞环跟踪 PWM（CHBPWM）控制技术 若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获 得更好的性能。常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（CHBPWM， Current Hysteresis Band PWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变 压变频器的控制原理图示于图 6-22。 + - iU i*U V4 + - iV i*V + - iW i*W V1 V6 V3 V2 V5 Ud U V W VT1 VT4 VT6 VT2 VT3 VT5 + - iU i*U V4 + - iV i*V + - iW i*W V1 V6 V3 V2 V5 Ud U V W VT1 VT4 VT6 VT2 VT3 VT5 + - iU i*U V4 + - iV i*V + - iW i*W V1 V6 V3 V2 V5 Ud U V W + - iU i*U V4 + - iV i*V + - iW i*W V1 V6 V3 V2 V5 Ud U V W VT1 VT4 VT6 VT2 VT3 VT5 图 6-22 三相电流跟踪型 PWM 逆变电路 采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与 PWM 电压波形示于图 6-23，输出电流 a i 与给定值 * a i 之间的偏差保持在 h 范围内，在正弦波 * a i 上下作锯 齿状变化。 图 6-23 电流滞环跟踪控制时的电流波形 a) 电流波形 b) 电压波形
64.4电压空间矢量PwM( SVPWM)控制技术(或称磁链跟踪控制技 术) 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,这种控制方法称作“磁链跟踪控制”,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 1.空间矢量的定义 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,也可以定义为空间矢量 在图6-25 图6-25电压空间矢量 定义三个定子电压空间矢量u,uB,lω,使它们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 20°。三相定子电压空间矢量的合成空间矢量u,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,当电源频率不变时,合成空间矢量a,以电源角频 率a1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u,就落 在该相的轴线上。合成空间矢量u,=B4+aB+uao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l,和y 2.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:u4=R,I,+,当电动机转速不是 很低时,定子电阻压降所占的成分很小,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u≈或≈u,dt。 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(称为磁链圆)。这样的定子磁链旋 转矢量可表示为,≈平e
6.4.4 电压空间矢量 PWM（SVPWM）控制技术（或称磁链跟踪控制技 术） 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，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，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”。 1. 空间矢量的定义 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，也可以定义为空间矢量， 在图 6-25。 图 6-25 电压空间矢量 定义三个定子电压空间矢量 u A0 ， uB0 ， uC0 ，使它们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°。三相定子电压空间矢量的合成空间矢量 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，当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角频 率 ω1 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。合成空间矢量 us = uA0 + uB0 + uC0 。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 s I 和 Ψs 。 2. 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： dt d R s s s s Ψ u = I + ，当电动机转速不是 很低时，定子电阻压降所占的成分很小，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 dt d s s Ψ u 或 dt Ψs us 。 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（称为磁链圆）。这样的定子磁链旋 转矢量可表示为 j t s m e Ψ 1 Ψ
可得,≈(nem)= jo yme=o1yne2,当磁链幅值vm一定时,a, 的大小与o1(或供电电压频率f)成正比,其方向则与磁链矢量v正交,即磁链 圆的切线方向,如图6-26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2丌弧度,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6-26旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 3.六拍阶梯波地变器与正六边形空间旋转磁场 功率开关器件共有8种工作状态,6种工作状态是有效的,2个状态是无效的, 因为逆变器这时并没有输出电压,称为“零矢量”。 对于六拍阶梯波的逆变器,在其输出的每个周期中6种有效的工作状态各出现 次。逆变器每隔2丌/6=/3时刻就切换一次工作状态(即换相),而在这时 刻内则保持不变。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7,直到一个周期结束在一个周期中6个电压空间矢量共转过2z弧度, 形成一个封闭的正六边形,如图628所示 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。 设定子磁链空间矢量为,在第一个7期间,施加的电压空间矢量为n 在所对应的时间△内,产生一个增量△y1=u1M,得到新的磁链 y2=y1+△y,依此类推,可以写成△y的通式,2M=△罗,买=+△罗, 1,2,……6。磁链增量Δ;的方向决定于所施加的电压M,其幅值则正比于施 加电压的时间△t
可得 ) 2 ( 1 1 1 1 1 ( ) + = = j t m j t m j t m Ψ e j Ψ e Ψ e dt d us ，当磁链幅值 m 一定时， us 的大小与 1 （或供电电压频率 1 f ）成正比，其方向则与磁链矢量 Ψs 正交，即磁链 圆的切线方向，如图 6-26 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 2 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 6-26 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 3. 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 功率开关器件共有 8 种工作状态，6 种工作状态是有效的，2 个状态是无效的， 因为逆变器这时并没有输出电压，称为“零矢量”。 对于六拍阶梯波的逆变器，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 2 / 6 = / 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。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。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 6-28 所示。 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。 设定子磁链空间矢量为 Ψ1 ，在第一个 3 期间，施加的电压空间矢量为 u1 ， 在 3 所对应的时间 t 内，产生一个增量 = t Ψ 1 u1 ，得到新的磁链 Ψ2 =Ψ1 + Ψ ，依此类推，可以写成 Ψ 的通式， i i u t = Ψ ，Ψi+1 =Ψ i+ Ψ i ， i =1,2, 6 。磁链增量 i ΔΨ 的方向决定于所施加的电压 ui ，其幅值则正比于施 加电压的时间 t