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基于空间矢量的PWM方法研究 第一章 前言 1.1 课题意义与背景 空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation) 是已被应用于变频器、ups、无功补偿器等领域的新技术。近年来随着大型重工业行业的技术改造和更新工作的展开，对大功率、高质量变频器的需求与日俱增，这种情况在我国尤其突出。电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，为变频器技术日趋成熟准备了条件，先进的svpwm技术在此环境下应运而生。变频器的svpwm算法与其拓扑结构有着密切的联系，因此必须根据变频器拓扑结构的不同，选取相应的控制算法。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。控制方法简介的主要思想是:以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的spwm方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而svpwm方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。电机理想的供电电压为三相对称正弦波，设线电压vdc，相电压表示式如下: 根据合成电压矢量公式 由上面的式子可得 从(5)式可以看出，合成电压矢量是一个随时间变化、幅值一定的圆形磁场，而磁场是电压的积分，因此产生的磁场也是一个圆形的旋转磁场，图1为逆变器简化的拓扑图，定义三个开关函数sa，sb，sc，用1代表1个桥臂的上桥臂导通，用0代表1个桥臂的下桥臂导通。则对于180°导通型逆变器来说，三相桥臂的开关有8个导通状态，包括6个非零矢量和2个零矢量。 图1 交流电机控制逆变桥结构图 图2 电压矢量图 由(5)式可得8种电压矢量v4(100)、v5(101)、v1(001)、v3(011)、v2(010)、v6(110)、v0(000)和v7(111)分别对应的值为 括号中的二进制数，表示三相a、b、c的状态，vk中下标k＝0~7是十进制数，表示括号中二进制数值。如图2所示，这八种电压矢量，除了v0、v7幅值为0外，其它电压矢量幅值均为vdc。 合理的选择6个非零矢量的施加次序和作用时间，可使磁链空间矢量矢端顺时针或逆时针旋转形成一定的磁链轨迹。选择的方式不同，形成的磁链轨迹形状也不一样。这就是磁链轨迹的形成原理。 在图2中，逆变器的一个工作周期被6个有效的电压空间矢量划分为6个扇区。在每一个扇区内，都可采用临近的两个非零矢量来合成处在此扇区的电压矢量。以图2中的电压矢量vr为例来说明其过程。用电压矢量v6、v4、v0来合成vr，并按照伏秒平衡的原则得 tn为对应电压矢量vn的作用时间(n＝0，4，6)，结合式(5)可得:  令上式等号两边的实部、虚部相等，可以得到下面的等式: 则由电压矢量v6、v4、v0和上面求出的作用时间相结合，可以控制电压矢量，形成多边形的电压矢量轨迹，从而获得更加接近圆形的旋转磁通。各电压矢量的作用次序要遵守以下原则:任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂开关动作，即在二进制矢量中每次只有一位变化，因为如果允许有两个或三个桥臂动作，则在线电压的半周期内会出现反极性的电压脉冲，产生反向转矩，引起转矩脉动和电磁噪声。 由此可以得出，随着合成电压矢量vr的幅值增加，t4和t6的值不断增加，t0逐渐减少