三相矢量控制详解：空间矢量SVPWM与异步电机转矩简化

空间矢量SVPWM调制及控制是一种先进的电力电子技术，用于三相逆变器中，特别是在永磁同步电机（PMSM）和交流感应电机（ACIM）的驱动系统中。该技术的核心思想是通过将复杂的交流电机动态模型转换为更易于控制的直流电机模型，实现高效、精确的转矩控制。 1.1 矢量变换控制基础 矢量变换控制源于1971年的德国学者工作，它将交流电机的定子坐标系（通常为abc坐标系）通过坐标变换转换到一个直轴（M）和交轴（T）的旋转参考系，其中直轴与转子磁场重合，从而使得交轴电流对电磁转矩的影响显著，实现了转矩和磁通的分离控制。这种方法被称为转子磁场定向控制，因为它使控制焦点集中在了与机械特性密切相关的交轴电流上。 1.1.1 控制构想 在直流电动机中，转矩与电枢电流和磁通的关系是线性的，这两个参数可以通过独立的控制电路调整。然而，三相异步电机的转矩则受到转子功率因数的影响，这使得控制变得更加复杂。矢量变换的目的是消除这种复杂性，通过变换将异步电机的模型转换为直流电动机的形式，便于分析和设计控制策略。 矢量变换控制的三个基本原则包括： 1. 模型等效：无论在哪个坐标系下，电机产生的磁动势保持一致，确保控制的有效性。 2. 功率守恒：变换前后电机的电磁功率不变，保证能量转换效率。 3. 电流与电压矩阵一致性：变换过程中的电流和电压关系要保持一致，便于逆变器的设计。 图1-1展示了三种不同的绕组结构：三相交流绕组、两相交流绕组以及旋转的直流绕组。这些绕组在进行坐标变换时，能够模拟直流电动机的工作原理，使得逆变器的控制算法可以简化为针对直流电机的控制算法，如SPWM（Space Vector PWM）。 SVPWM是一种高级的调制技术，它通过精心设计的脉冲宽度调制方式，减少逆变器开关器件的开关次数，降低损耗，同时保持良好的电磁兼容性和高精度的转矩跟踪。通过对空间矢量的计算和选择，SVPWM能够在有限的开关状态中逼近理想正弦波，提高电机的动态性能和效率。 空间矢量SVPWM调制及控制技术通过巧妙的坐标变换，将三相异步电机的复杂控制问题简化，实现了对电机的精确转矩控制，广泛应用于各种工业应用，如电动汽车、可再生能源发电、工业自动化等领域。