三电平逆变器SVPWM控制算法研究
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目前，三电平逆变器是实现中高压、大容量电机调速的主要方式之一，与传统的两电平逆变器相比，其优点是能承受高电压、电压电流上升率低等。但是，由于其逆变状态比传统两电平多，加上前端三线整流所带来的中点电压波动，其控制算法的复杂程度也随之增大。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)本质上依赖于开关矢量的选择和开关矢量作用时间的计算，通过优化开关矢量，降低开关频率，从而减少了交流侧电流的总谐波畸变率，提高了母线
　　目前，三电平逆变器是实现中高压、大容量电机调速的主要方式之一，与传统的两电平逆变器相比，其优点是能承受高电压、电压电流上升率低等。但是，由于其逆变状态比传统两电平多，加上前端三线整流所带来的中点电压波动，其控制算法的复杂程度也随之增大。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)本质上依赖于开关矢量的选择和开关矢量作用时间的计算，通过优化开关矢量，降低开关频率，从而减少了交流侧电流的总谐波畸变率，提高了母线电压利用率。
　　1 三电平逆变器主电路结构
　　三电平逆变器主电路结构主要是二极管中点箝位(NPC)式，如图1所示。
　　以电源中点为参考，每一相可以输出1、0和-1三种电平。以U相为例，其输出规律为：当S1、S2开通。S3、S4关断时，输出电压为1;当S2、S3开通，S1、S4关断时，输出电压为0;当S1、S2关断，S3、S4开通时，输出电压为-1。
　　对三相三电平逆变器而言，每相都有3种(1、0、-1)电平输出，所以三相共有33=27个电平状态输出，对应着空间矢量的27个矢量状态，如图2所示。
　　2 三电平SVPWM算法的实现
　　2.1 参考电压矢量位置和输出电压矢量的确定
　　SVPWM算法的首要任务就是判断参考电压矢量位于哪个区域及该区域中的哪个小三角形，然后依此确定相应的输出电压矢量。为了防止输出电压产生很高的dv/dt，每次输出状态切换时，开关状态只切换一个电平。第I象限正三角形中矢量分区如图3所示，其它象限矢量的分析可参照第I象限。先根据参考矢量的角度确定出该矢量位于图2所示的6个正三角形区域中的哪一个，然后可以依据如下3条规则进一步判断位于哪个小三角形。参考电压矢量所在小三角形的3个顶点所对应的电压矢量就作为参考电压矢量的基本矢量。
　　参考电压矢量为：
　　2.2 输出电压矢量作用时间的计算
　　在采样周期内，对于给定的参考电压矢量Vref可以由3个基本电压矢量来合成，根据伏秒平衡原理，满足方程组：
　　式中：T1，T2，T3分别为矢量V1，V2，V3对应的作用时间;TS为采样周期。由此方程组得到各基本矢量的作用时间，再根据基本矢量与开关状态的对应关系，就可以确定开关状态及其输出形式。
　　(1)当参考矢量在A区时，Vref由V0，V1，V3合成，作用时间分别为T0，T1，T3可得计算公式如下：
　　依此类推，当参考矢量在B、C、D区时，也可得到相应的计算公式，不再累述。
　　2.3 输出电压矢量的作用顺序
　　在每个SVPWM控制周期中，需合理安排输出电压矢量的作用顺序，输出电压矢量作用顺序的原则：
　　(1)为了减少逆变器开关损耗，任一时刻逆变器仅有一条支路产生通断动作，并且每条支路状态只能由-1变到0，或由1变到0，或反之，不允许-1与1之间直接互变;
　　(2)尽可能选择到每个区域内所有空间电压矢量，另外考虑到区域和扇区之间矢量过渡的平滑性，每个区域内应该先选择小矢量。由此原则可得到图3中各区域输出电压矢量的作用顺序如表1所示。
　　3 结束语
　　仿真结果证明SVPWM控制三电平逆变器是可行的。而且可以看出三电平逆变器主要特点是由多个电平台阶合成的输出电压正弦波形，因此，在相同开关频率条件下，与传统的两电平逆变器相比，电压上升率及谐波含量都大大减少，改善了输出电压波形。线电流波形接近正弦，谐波含量少，并且能很快趋于稳定。另外，逆变电路中开关管上电压额定值为直流母线上电压的一半，使低压开关器件可以应用于高压变换器中。
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第二章阐述五电平逆变器的SVPWM控制
第二章阐述五电平逆变器的SVPWM控制。介绍五电平逆变器的电路图及工作原理，并将SVPWM控制原理引入，实现SVPWM控制五电平逆变器。针对五电平逆变器输出的同一个空间电压矢量存在多种开关状态，采用循边原则确定开关状态。通过MATLAB仿真软件针对第三章阐述三相异步电机在各种坐标系下的状态空间方程以及矢量控制系统的基本原理，建立三相异步电机的矢量控制系统仿真模型。第四章在介绍滑模变结构控制的设计及应用，包括滑模变结构控制的设计目标和设计方法、滑模变结构控制系统的不变性和抖振等问题基础上，讨论了交流异步电机矢量控制系统滑模变结构控制策略。通过MATLAB仿真软件对
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基于Markov链的三电平逆变器随机SVPWM控制方法
【摘要】：针对SVPWM调制中固定开关频率所引起的电磁污染问题,提出一种基于Markov链的随机SVPWM控制技术.通过Markov链得到逆变器的随机调制频率,与其他随机SVPWM调制方法相比,该调制频率在期望中心频率周围能够更加均匀地分布,输出电压频谱更加均匀且谐波畸变率有所减小,因此减小了系统的电磁干扰,改善了系统的电磁兼容性.基于SIMULINK的仿真实验验证了基于Markov链的随机SVPWM调制方法具有优越性.
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TM464【正文快照】：
目前,脉宽调制型电力电子装置已经被广泛应用于各种电力传动系统中.在定频率调制的情况下,其工作波形是周期性脉冲序列,输出信号频谱含有丰富特定的高次谐波,因此成为一个较强的宽带电磁发射源.大多数三相PWM逆变器采用定频率调制,因此输出电压以调制频率为基波频率产生了幅值
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SVPWM逆变器的控制分析与仿真研究
2013年31期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　【摘 要】本文分析了电压空间矢量调制（SVPWM）控制的基本原理，在此基础上将SVPWM和常规SPWM进行了对照和分析。利用 MATLAB的 Simulink 工具箱，建立了 SVPWM 逆变器的仿真模型，通过与SPWM控制的仿真波形比较结果可知，SVPWM控制算法具有高次谐波次数少和电压利用率高等优点。 中国论文网 /8/view-6694076.htm　　【关键词】逆变器；SVPWM； MATLAB；仿真 　　0 引言 　　电压空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）的思想源于交流异步电机变频调速，实现了定子电流的励磁分量与转矩分量之间的解耦，使得矢量控制的交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。电压空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM，SVPWM）控制技术，也称为磁链跟踪控制技术，相比正弦脉宽调制（SPWM）而言，SVPWM具有高次谐波少、电压利用率高、线性范围宽和易于数字实现等优点，所以越来越受到人们的重视。借助MATLAB强大的仿真建模能力，在Simulink工具箱中建立了基于SVPWM控制的三相逆变器仿真模型，并进行了仿真实验，通过与SPWM控制的三相逆变器仿真波形比较可知，SVPWM控制方法相比SPWM控制方法的优点是正确的。 　　1 SVPWM逆变器的原理 　　1.1 电压空间矢量 　　电压空间矢量是研究交流电动机三相电压与电动机旋转磁场关系而提出的虚构物理量。图1中，A，B，C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120°。三相定子正弦波相电压UA0、UB0、UC0分别加在三相绕组上。可以定义三个定子电压空间矢量uA0、uB0、uC0，使它们的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随着时间按正弦规律脉动。 　　电压和电流是时间变量，并没有空间的概念，但是电动机三相绕组产生的旋转磁场是空间和时间的变量，它的大小和空间位置是随时间变化的，一般以矢量表示。与电机原理中三相脉动磁动势相加后产生旋转磁动势的情况相仿，三相定子电压空间矢量相加的合成空间矢量us是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的2/3倍。电压空间矢量反映了三相电压综合作用的效果，三相电压与电压空间矢量的关系由 Park 变换来表示： 　　式中，γ=120°，2/3为变换系数。指数项表示了三相绕组的空间位置。按（2）式定义得到的合成矢量us是模长等于交流相电压峰值，以w为角速度匀速旋转的电压矢量。 　　1.2 逆变器开关状态与电压空间矢量 　　定义三相上下桥臂的开关函数以SA、SB、SC表示，且令该相上桥臂开关接通时，SA、SB、SC= 1； 该相下桥臂开关开通时SA、SB、SC=0。三相逆变器共有8种可能的开关状态，分别是（SA，SB，SC）=（0，1，1），（0，0，1），（1，0，1），（1，0，0），（1，1，0），（0，1，0），（0，0，0）和（1，1，1）。将不同状态下的逆变桥的输出电压的瞬时值uA0、uB0、uC0代入（2）式的Park变换式中，可以得到如图3所示的8个空间矢量V1～V8，其中V1～V6称为有效矢量，它们模长相同，空间上依次相差60°。开关状态000和111，即下桥臂开关VT4、VT6、VT2或上桥臂VT1、VT3、VT5同时导通，它们的模长为零，称为零矢量。 　　如图3所示，旋转矢量us在A、B、C三向轴上的瞬时投影就是uA0、uB0、uC0。 　　1.3 SVPWM调制原理 　　SVPWM的基本原理：在每一个采样周期内利用若干个基本电压矢量合成任意给定的参考电压矢量。如图3，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每个扇区对应时间均为π/3。按平行四边形原则，利用这8个基本向量可以合成任意角度和模长的等效合成矢量，如图4所示。 　　图4 电压空间矢量的线性组合 　　零矢量虽然不产生输出电压，但可以填补有效矢量作用时间得不足部分。实际上每一个状态相当于SVPWM电压波形中的一个脉冲波。为使波形对称，把每个状态的作用时间一分为二，这样可以在调控输出电压基波大小的同时减少输出电压中的谐波。us可由V1、V2和零矢量合成得到，作用时间为T0/2（为采样时间）。合成满足： 　　式中t1，t2为矢量V1，V2在开关周期中的持续时间，t0/7为零矢量V0/7的持续时间，T0为PWM开关周期，则 　　令V1与V2间的夹角为θ，由正弦定理计算得： 　　线性约束调制时的约束条件为： 　　2 SVPWM逆变器的控制仿真 　　2.1 三相PWM信号的生成 　　原理上讲，合成矢量满足（3）式，输出电压基波都是相同的。一般来讲，通过合理安排矢量排序，可使在一次矢量合成过程中，各桥臂仅动作一次。该文中采用周期和幅值均为T0的三角波为载波，零矢量的作用时间由V0和V7均分，可得出三相PWM波，即为IGBT的PWM波，如图5所示，并显示了扇区Ⅵ里，合成时有效矢量和零矢量的作用顺序。 　　图5 扇区矢量切换点的示意图 　　2.2 SVPWM 逆变器仿真模型及运行结果 　　用MATLAB建立SVPWM逆变器仿真模型如图6、图7所示。 　　图6中Subsystem 通过对输入的三相电压信号应用上面介绍的控制方法进行计算，生成驱动IGBT 桥的六路 SVPWM 信号，如图 7 所示。 　　仿真结果如图 8、图 9所示，两幅运行结果图符合一般 PWM 三相逆变器交流侧的电压与电流。这些仿真结果与理论分析结果一致，证明本文使用的SVPWM 控制算法具有高次谐波少、电压利用率高等优点是正确的。 　　3 结论 　　本文首先介绍了 SVPWM控制的基本原理，并根据其原理进行了必要的公式推导。在此基础上对SVPWM和常规SPWM进行了分析和比较，并应用MATLAB 仿真软件对 SVPWM 逆变器进行建模。由输出波形可知，SVPWM 逆变器控制算法优于SPWM逆变器控制算法。 　　【参考文献】 　　[1]郭伽.基于MATLAB的SVPWM逆变器的仿真研究[J].仪器仪表与分析检测，2010（4）. 　　[2]刑绍邦，赵克友.电压型SVPWM 算法及其仿真[J].微特电机，2007（5）. 　　[责任编辑：杨玉洁]
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SVPWM Control of Three Level Inverter for Traction Drive in EMUs
提出了适用于高速动车组牵引传动中三电平逆变器控制的空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制策略.动车组起动和低速阶段要求转矩脉动小,采用恒定最大开关频率控制的三电平异步调制策略;高速时,要求逆变器在低开关频率下的良好谐波性能,在中高速和高速分别采用4脉冲和2脉冲同步调制策略.仿真结果与实测动车组牵引电机电压波形进行了对比,证实了SVPWM控制策略的有效性.
GE Xinglai
FENG Xiaoyun
西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031
& ISTICEIPKU
年，卷(期)
机标分类号
西南交通大学校博士研究生创新基金
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