脉宽调制的磁链跟踪控制

    经典的SPWM控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，或者说希望输出PWM电压波形的基波成分尽量大，谐波成分尽量小。至于电流波形，则还会受负载电路参数的影响，控制上就不再过问了。电流跟踪控制则直接着眼于输出电流是否按正弦变化，这比只考查输出电压波形是进了一步。然而异步电机需要输入三相正弦电流的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果对准这一目标，把逆变器和异步电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压，效果一定会更好。这样的控制方法就叫做“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以又称为“电压空间矢量控制”。

    所谓电压空间矢量，它是按照电压所加绕组的空间位置来定义的，在图2-27中A、B、C分别表示空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120°，三相定子电压UAO、UBO、UCO分别加在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量UAO、UBO和UCO，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律作脉动式变化，时间相位互差120°。与电机原理中三相脉动磁动势相加产生合成的旋转磁动势相仿，可以证明，三相电压空间矢量相加的合成空间矢量是一个旋转的空间矢量，它们幅值不变，是每相电压值的3/2倍；当频率不变时，它以电源角频率ω1为电气角速度作恒速同步旋转。合成电压矢量与各相电压空间矢量的关系为

   (2-6)

    图2-27    电压空间矢量

    同理，定义电流和磁链的空间矢量I和ψ。

    异步电机的三相对称绕组由三相平衡正弦电压供电时，用合成空间矢量表示定子的电压方程式为

   (2-7)

式中 -定子三相电压合成空间矢量；

    -定子三相电流合成空间矢量；

    -定子三相磁链合成空间矢量。

    当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，则定子电压与磁链的近似关系为

   (2-8)

    上式表明，电压空间矢量的大小等于的变化率，而其方向则与的运动方向一致。

    在由三相平衡正弦电压供电时，电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形成圆形的空间旋转磁场，简称为磁链圆。当磁链幅值一定时，电压空间矢量u1的大小与ω1（或供电电压频率f1）成正比，其方向为磁链圆形轨迹的切线方向。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2π弧度，其轨迹与磁链圆重合，如图2-28所示。这样，电机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题。

    图2-28    旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系

    在变频调速系统中，异步电机由三相PWM逆变器供电，这时供电电压和三相平衡正弦电压有所不同，由于变频器输出的是脉冲波，其电压空间矢量的运动轨迹是由一段一段直线连接成的多边形而不是圆形。例如异步电机在六拍阶梯波逆变器供电时，所产生的是正六边形旋转磁场，而不是圆形旋转磁场。如果想获得更多边形或逼近圆形旋转磁场，就必须增加逆变器的开关状态，以形成更多的电压空间矢量，最终构成一组等幅不同相的电压空间矢量，从而形成尽可能逼近圆形的旋转磁场。增加逆变器的开关状态，使之输出一系列等幅不等宽的脉冲波，这就形成了电压空间控制的PWM逆变器。由于它间接控制了电机的旋转磁场，所以也可称做磁链跟踪（或磁链轨迹）控制的PWM逆变器。