（控制理论与控制工程专业论文）基于svpwm四象限变频器运行控制的研究.pdf

北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签字： 矽农仍 日期：矿fj 年弓月7 日 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 本人同意将所著硕士学位论文基于s v p w m 四象限变频器运行控制的研 究著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北京建筑工 程学院研究生处行使。上述授权的范围包括：北京建筑工程学院自己使用或委 托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问题引起的 责任。 北京建筑工程学院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本人享有的 著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期5 年。 ，和电群石七一 论文作者( 签章) ：砖太够砂( 年弓月罗日 作者联系方式： 一 地址：北京市西城区展览馆路1 号邮编：1 0 0 0 4 4 电话：传真： 手机：1 5 1 0 11 9 4 4 3 9 电子信箱：d a v e 8 6 3 2 1 2 6 g o m 摘要 l l 丫l l t l f l l t l l l 石i n t t l y l l l t l l 6 l l l i h l 9 t l l l l 9 i l l l l t 2 t l l l l l 一 能源问题已经成为目前世界上面临的一个极为重要的问题，作为能够使电 机节能的变频调速技术正在飞速发展，本文针对其中的四象限变频器进行了如 下研究。 首先，通过分析矢量算法的基本思想，提出一种利用圆内切n 边形的方法 来解释空间矢量算法的形成过程，并对其进行了详细的分析。 其次，分析传统三电平的矢量控制思想，针对传统三电平控制思想中的计 算复杂问题和目前提出的多种新式的三电平矢量控制方法，对其中一种g _ h 算 法进行分析，并提出一种新的改进型的g - b 算法。对三电平逆变器中的中点电 压偏移问题进行分析，对比前人提出的解决此问题的方法，提出一种新式的中 点电压平衡的控制方法。 本文还对四象限变频器的拓扑结构中的部分硬件进行了设计，包括所选 i g b t 型号以及部分硬件保护电路的设计，并利用p s p i c e 软件对其进行仿真。 同时完成的还有一种驱动电路的设计。 最后对两电平和三电平中的整流和逆变以及三电平中的中点电压控制方法 用m a t l a b 软件进行仿真，并在实际样机中进行验证，结果验证了所搭建模型 的正确性和所用p w m 控制方法的有效性。 关键词：四象限l ；矢量控制算法2 ；中点电压平衡3 ；整流器4 ；逆变器5 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ep r o b l e mo fe n e r g yi s s u e sh a sb e c o m ea ne x t r e m e l yi m p o r t a n t i s s u e ，b a s e do nt h i s ，t h et e c h n o l o g yo f 厅e q u e n c yc o n t r o li sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，o n e o ft h ef o u r - q u a d r a n td r i v ef o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h f i r s t , t h eb a s i ci d e ao fv e c t o ra l g o r i t h mw a sp r o p o s e db yu s i n gn g o ni n s c r i b e d c i r c l em e t h o dt oe x p l a i nt h ef o r m a t i o no fs p a c ev e c t o ra l g o r i t h m , a n di t sd e t a i l e d a n a l y s i s s e c o n d l y ，t h et r a d i t i o n a lt h r e e l e v e lo f t h es v p w mw a sa n a l y z e d ，f o rt h e t r a d i t i o n a lt h r e e - l e v e lc o n t r o lp r o b l e mo ft h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo f t h o u g h t a n ds o m en e wt h r e e l e v e lv e c t o rc o n t r o lm e t h o d s ，t h e r ei sam e t h o dc a l l e dg - h a l g o r i t h mw a sa n a l y z e d ，a n di m p r o v ei ti nt h i sp a p e rt h r o u g ht h ea l g o r i t h mo ft h e g - hm e t h o d a n dt h e nt h ep r o b l e mo f t h ev o l t a g eo f fs e ti nt h em i d p o i n tv o l t a g ew a s a n a l y z e d ，c o m p a r e dt ot h ep r e v i o u sp r o p o s e ds o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m , i nt h i s p a p e r ，an e wm i d - p o i n tv o l t a g eb a l a n c ec o n t r o lm e t h o dw a sp r o p o s e d t l l i sp a p e ra l s od e s i g n e ds o m eh a r d w a r ef o r t h et o p o l o g yo ft h ef o u rq u a d r a n t c o n v e r t e r , i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no f i g b tm o d e la n ds o m ec i r c u i td e s i g n so f h a r d w a r e p r o t e c t i o n , a n dc o m p l e t es i m u l a t i o nb yu s i n g t h ep s p i c es o f t w a r e a tt h e s a m et i m et h e r ei sa c o m p l e t ed r i v e rc i r c u i td e s i g n f i n a l l y ，t h et w ol e v e la n dt h r e e l e v e li n v e r t e ra n d t h er e c t i f i e ra n dt h em i d p o i n t i nt h et h r e e l e v e lv o l t a g ec o n t r o lm e t h o dw a ss i m u l a t e db yt h em a l l l a bs o f h , v a r e ， a n dc a r r i e do u ti nt h ea c t u a lp r o t o t y p ev a l i d a t i o n , t h er e s u l t sp r o v e st h ee f f e c t i v e n e s s o ft h em o d e ls t r u c t u r e sa n dt h eu s eo fp w mc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：f o u r - q u a d r a n ti , s v p w m2 , n e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n g3 , r e c t i f i e r 4i n v e r t e r5 ， 目录 目录 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景和意义。1 1 2 四象限变频器的分析。2 1 3 国内外研究现状及成果。4 1 4 本文研究的主要内容5 第2 章四象限变频器拓扑结构的研究7 2 1 两电平四象限拓扑结构及分析。7 2 2 三电平四象限拓扑结构及分析一8 2 3p w m 整流器控制技术9 2 3 1p w m 整流器原理概述。9 2 3 2p w m 整流器的分类1 0 2 3 3 电压型p w m 整流器s r ) 拓扑结构1 l 2 3 4 三相v s r 一般数学模型1 2 2 4 本章小结1 5 第3 章四象限变换器控制算法的研究。1 6 3 1 两电平四象限变换器的控制算法的研究。1 6 3 1 1 空间矢量控制算法基本思想1 6 3 1 2s v p w m 逆变器控制算法1 7 3 2 三电平四象限控制算法的研究2 7 3 2 1 传统三电平逆变器算法。2 7 3 2 2g - h 算法。3 3 3 2 3 三电平中点电位控制3 6 3 3 本章小结4 2 第4 章系统硬件电路设计4 3 4 1 主电路元器件选取4 3 4 2 直流母线过压、欠压保护电路4 3 4 3 控制板电压源电压保护。4 5 4 4 缺相检测电路。4 6 4 5 驱动电路的设计4 7 4 6 d s p 2 8 1 2 介绍4 9 i i i 目录 4 7 本章小结5 0 第5 章系统仿真51 5 1 两电平四象限仿真研究5 1 5 1 1 两电平逆变侧仿真5 l 5 1 2 两电平整流侧仿真5 8 5 1 3 两电平四象限仿真5 9 5 2 三电平四象限仿真研究6 3 5 2 1 传统算法三电平逆变侧仿真6 3 5 2 2g - h 算法仿真6 8 5 2 3 加中点电位控制的仿真。7 l 5 3 三电平四象限变换器的仿真研究7 5 5 4 三电平四象限变换器的实验研究7 6 5 5 本章小结7 9 结论8 0 参考文献8 2 致谢8 5 i v 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着人们生活水平的日益提高，节能低碳越来越成为人们关注的重点，为 了推动全社会节约能源，提高能源利用效率，保护和改善环境，促进经济社会 全面协调可持续发展，2 0 0 8 年4 月1 日，新节约能源法正式施行，规定节 约资源是我国的基本国策，国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源 发展战略。而通过变频调速节能就成为电力电子领域研究的重点，目前变频器 的研制和应用处于一种与良好的发展机遇。 由于电机的极对数以及电机所用材质的需求，早期的变频器主要用来产生 频率变化的正弦波用来控制电机的转速，但是随着近代变频技术的发展和不可 再生能源的利用以及目前正在飞速发展的风电利用技术，和目前社会对能源效 率要求的提高，变频器的节能水平也成为了各个企业关注的热点。如果能够将 欲消耗的能源进行充分利用，则可大大提高能源的利用率，“最绿色的能源是节 省下来的能源”，已得到世界上许多国家和相关企业的肯定，多数变频器企业将 提高变频器的效率作为企业发展的战略目标【l 】。 在我国，由于发电用能源储备与工业发展地域性质的不平衡，其表现为在 我国西部地区人口及工业区少，而能够利用的发电用资源较多，而在东部地区 人口及工业较多，用电量大，但是能够利用的发电资源较少，东部地区的用电 量不能够实现自给自足。由于我国的此种地域和能源的性质，我国的电网铺建 的政策为“西电东送，南北互供”。随着长江三峡水电站的完工，我国电力以其 中心辐射全国。我国电网总体上以多数大型发电站为核心，通过电网送达用电 负载处，输送线路长。这说明目前我国应用的民用电网存在很大的安全隐患问 题。2 0 0 8 南方几省的雪灾对我国的电网建设即为一个考验。提高我国电网的安 全性刻不容缓。这就对变频器提出了更高层次的挑战，要求电力电子电路在电 网侧应产生尽量少的谐波，并提高功率因数，同时降低无功功率，减少谐波污 染，以提高电网的稳定性。 众所周知，我国能源总体储备量较大，但是人均较低。在我国当前能源十 分紧张的情况下，能源的浪费现象却十分严重。根据国家 v d c 时，可以实现四象限的运行，即可以运行于整流 模式；电能由电网侧向直流母线侧流动，也可以运行于逆变模式，电能由直流 侧向电网侧流动。当e l t 时，则过饱和需要对t l 和t 2 进行归一化处理， 同时得到零矢量的开通时间如式( 3 1 6 ) 所示： r 五2 石焘 驴互焘( 3 - 1 6 ) r o + 乃= t 一五一互 由上式( 3 1 0 ) - - ( 3 1 5 ) 可以看到矢量作用时间为几个常量因此在此我们定义 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 x = 篑( ) y = 等c 誓1 ) p 忉 z = 篑c 一譬+ 如 则可得到如下所示矢量作用时间表 表3 4 矢量作用时间表 t a b l e3 - 4s c h e d u l eo fv e c t o r ii ii i iv t 1 zyx zyx t 2 xzyxzy 在知道各扇区内两相邻矢量作用时间后，遵循开关次数少的原则，便可采 用七段式空间矢量合成方法来发送各矢量，即：在每个扇区内，每个零矢量均 以( o o o ) 开始和结束，中间的零矢量均为( 1 1 1 ) ，其它非零矢量的发送保证每次只有 一个开关切换。 w 2 ；l q t a 历 石 i 图3 - 6i 扇区七段式空间矢量图 f i g u r e3 - 6s s e v e n - s e g m e n tt y p es p a c e v e c t o ro fs e c t o ri 如图3 - 6 所示在第一扇区内的各个矢量由于由8 个矢量中的u l 和u 2 合成 且u l 作用时间为t l ，u 2 作用时间为t 2 ，如图3 - 6 所示，当用七段式表示时将t 1 和t 2 作用时间分别分成两部分，每部分均为各个总作用时间的一半，即总共为 4 个作用时间，再加上将t o 拆分的两部分和t 7 作用的时间，即为七段式作用的 ( 1 ) 零矢量作用，作用时间即为( t t 1 t 2 ) 4 ，开关管函数即为( o o o ) 对应如图 3 - 6 所示的l 段 ( x ) o l 作用，作用时间为t l 2 ，反应到开关管上的开关函数即为( 1 0 0 ) ，对应 于如图3 - 6 所示的2 段 ( 3 ) u 2 作用，作用时间为t 2 2 ，反应到开关管上的开关函数即为( 1 1 0 ) ，对应 于如图3 - 6 所示的3 段 ( 4 ) 零矢量作用，作用时间为所有零矢量作用时间的一半，反应到开关管上 的开关函数即为( 1 1 1 ) 对应于如图3 - 6 所示的4 段 ( 5 ) u l 作用，作用时间为t 1 2 ，反应到开关管上的开关函数即为( 1 0 0 ) ，对应 于如图3 6 所示的5 段 ( 6 ) u 2 作用，作用时间为t 2 2 ，反应到开关管上的开关函数即为( 1 l o ) ，对应 于如图3 6 所示的6 段 ( 7 ) 零矢量作用，作用时间为零矢量作用时间的1 4 ，开关管函数即为( o o o ) 对 应如图3 - 6 所示的7 段 ： l i ：r 十h ： 全l li l i it - l： l ： ：t- b： i ： 一： ：卜_ _ 一t a ! i ! l 坐i 4 4 ! i ! il - - r r r 1 ：卜_ _ 广1 1 一 - c 图3 7 七段式空间矢量图 f i g u r e3 - 7s s e v e n - s e g m e n tt y p es p a c ev e c t o ro fs e c t o ri i 2 4 v r i 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 t t a 历 图3 - 8 七段式空间矢量图 f i g u r e3 - 8s s e v e n - s e g m e n tt y p es p a c ev e c t o ro fs e c t o r h i b 历 t a 图3 - 9 七段式空间矢量图 f i g u r e3 - 9s s e v e n - s e g m e n tt y p es p a c ev e c t o ro fs e c t o r l v 图3 1 0 七段式空间矢量图v f i g u r e3 1 0s s e v e n - s e g m e n tt y p es p a c ev e c t o ro fs e c t o r v 尼 t a 图3 11 七段式空间矢量图 f i g u r e3 11s s e v e n - s e g m e n tt y p es p a c ev e c t o ro fs e c t o ri u 1 ( 1 0 0 ) 图3 1 2 七段式作用顺序图 f i g u r e3 - 1 2s e v e n - s e g m e n t - a c t i n gs e q u e n c ed i a g r a m 七段式的各个矢量作用顺序图( 零矢量没有标示) 如图3 1 2 所示，由图3 1 2 可知当矢量作用一段时间后将切换到另一个矢量作用则根据图3 6 以及图3 1 2 可以得出零矢量切换到u 1 的时刻为：兰_ 二年土，u l 切换到u 2 的时刻为 4 个下 瓦= 乃+ 寻，u 2 切换到零矢量的时刻为互= 乃+ 等同理由此可得到各个扇区的 二二 矢量切换点如下表3 5 所示 - 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 表3 5 各个扇区的矢量切换时间表 t a b l e3 - 5s c h e d u l ef o rt h ev a r i o u ss e c t o r so f t h ev e c t o rs w i t c h i n g 扇区号ii i i u v l 乃乃t ct c五五 2 乃乃t b乃t c 3 t ct c磊乃乃乃 遵循上述各矢量的发送顺序和作用时间规律，便可以合成所期望的电压矢 量，从而实现磁链追踪。显然，当逆变器中开关管的开关频率越高，上文所分 析的圆形的内切n 边形边数越多，在电机中能够实现的磁链追踪精度也就越高， 但逆变器开关频率的提高必然造成电流谐波含量的增大和开关损耗的增加。需 根据实际需求，设定控制器的采样频率，确定开关管频率。 3 2 三电平四象限控制算法的研究 3 2 1 传统三电平逆变器算法 本节将对传统三电平逆变器算法【1 1 进行分析，通过对二电平空间电压矢 量p w m 逆变器调制原理的分析，本节将针对二极管钳位型三电平逆变器的拓 扑结构，分析三电平空间电压矢量p w m 控制原理，并列出三电平空间电压矢 量p w m 调制的计算公式。三电平逆变器拓扑结构如图3 1 3 所示【1 2 1 。 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 v p n 图3 1 3 三电平逆变器拓扑 f i g u r e3 - 1 3t h r e e l e v e li n v e r t e rt o p o l o g y 由图3 1 3 所示的三相三电平二极管钳位型逆变器的拓扑结构可知，图3 1 3 中逆变器的每个桥臂有四个功率开关管v t i 、v t 2 、v t 3 、v t 4 ，四个续流二极 管d l 、d 2 、d 3 、d 4 和两个钳位二极管v d l 、v 1 3 2 。钳位二极管的作用是在开关 管导通时提供电流通道而又防止电容短路。与三相桥式二电平p w m 整流器一 样，三相三电平逆变器也可以用开关变量s a 、s b 、s 。分别表示各桥臂的开关状 态，不同的是这时a 、b 、c 桥臂各有三种开关状态，分别为l 、0 、1 。 ( 1 ) 若v t t 、v t 2 导通，v t 3 、v t 4 关断，定义这种状态为k p ) ，即s a _ l ，此 种状态下o = = 去 ( 2 ) 若v t 2 、v t 3 导通，v t i 、v t 4 关断，定义这种状态为o ，即s f 0 ， 此种状态下u o = o ( 3 ) 若v t 3 、v t 4 导通，v t l 、v t 2 关断，定义这种状态为1 ( o ) ，即s a = 1 ， 此种状态下u a o = u o o = 一三u o z 则。：鲁，n 理u b o = 粤，：粤 与两电平相比较三电平逆变器中，每一个桥臂有三种状态，三相桥臂组成 的状态一共有3 3 = 2 7 种( 部分矢量作用效果相同，但所需开关管开通顺序不同) ， 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 参照两电平空间矢量图即可得三电平空间矢量图，如下图3 1 4 所示，同样将空 间矢量分六个大的扇区，每个大的扇区又分成四个小的扇区。 l 二 j 父7 7 、嗍 、 ，、， 3 ， ，、， 灏24opp释、 ， 、：1 ， i ， ； i 一j ，磬够骶4 ，7 洲l 、o o p , 帕p n n 吵、2 ，7 r 。，p n o j j j j i 一。f j j 、j ， ”7 ， v p p p p 0 0 0 n n n 图3 1 4 三电平空间矢量图 f i g u r e3 - 1 4t h r e e - l e v e ls p a c ev e c t o r q 图3 1 5 第一扇区小扇区分布图 f i g u r e3 - 1 5d i s t r i b u t i o no f t h ef i r s ts e c t o ro f t h es m a l ls e c t o r 如图3 1 5 所示为第一大扇区的小矢量划分图。以下分析均以第一扇区为例， 其余五个大的扇区均可以理解为将其顺时针转动一定角度换算到第一扇区，只 是在确定开关管的顺序的时候用其所对应的开关管的开关管所表示。 在此我们定义册= 器其中m 为拟通往电机中三相正弦电经过c l 破变换 之后的空间矢量模值，为直流侧电压，首先需明确经过c l a r k 变换转化到a b 直角坐标系的空间矢量应为一个空间上的圆形且其半径为空间矢量的模值。通 过分析三电平拓扑结构可知直流输出仅有三个值即叻、粤和0 。因为正常情况 下州也一定即可知m 一定，即可以确定几个m 的取值范围 1 3 】，设正三角形边 长为1 ( 标幺化后) 即可计算m 的几个临界值，o 、鱼4 、互1 、鱼2 、l ，当m 取不 同值时如图3 1 6 所示，由图3 1 6 可以看到三电平空间矢量的运行范围：最大 即外围大六边形的内切圆，同时最小的m 值也可以确定，i l p 应大于图中最小的 圆弧所对应的m 值，当m 值小于其最小圆弧所对应的值时，三电平逆变器工作 于两电平状态。 m m m 图3 1 6 m 取值 f i g u r e3 - 1 6t h ev a l u eo f m 由两电平中对于任一空间矢量v 的合成方法，确定三电平中任一矢量v 的 合成。对于任一空间矢量v ，将由三个空间矢量对其进行合成，首先确定在每 个扇区中所需矢量。以第一大扇区为例： 当v 在1 时，作用矢量为p p p ( 0 0 0 、n n n ) 、p o o ( o n n ) 、p p o ( o o n ) 当v 在2 时，作用矢量为p o n 、p 0 0 ( o n f 0 、p p o ( o o n ) 当v 在3 时，作用矢量为p n n 、p 0 0 ( 0 n n ) 、p p 0 ( o o n ) 当v 在3 时，作用矢量为p p n 、p p 0 ( 0 0 n ) 、p 0 0 ( o n n ) 其中作用矢量在此不分先后( 为了减少逆变器输出电压的谐波，合成矢量时 候一般都要尽量选用参考矢量所在区域的最小三角形上的三个顶点上的矢量) 第3 苹四象限燹频器拓扑结构的研究 矢量作用时间计算 以第一扇区为例 1 1 扇区：根据七段式的作用顺序，在此确定第一个作用矢量为p o o ，第 二个作用矢量为o o o ( 不是p p p 和n n n ) ，第三个作用矢量为o o n ，第四个作 用矢量为o n n ( 作用效果与p o o 等同) ，第五个作用适量为o o n ，第六个作用 矢量为o o o ，第七个作用矢量为p o o 2 2 扇区：矢量作用先后顺序为p o o 、p o n 、o o n 、o n n 、o o n 、p o n 、 p o o 3 3 扇区：矢量作用先后顺序为p o o 、p o n 、p n n 、o n n 、p n n 、p o n 、 p o o 4 4 扇区：矢量作用先后顺序为p p o 、p p n 、p o n 、o o n 、p o n 、p p n 、p p o 第1 扇区中第一和第四、第七个矢量为同一矢量作用，作用时间为t x ，第 二和第六个为同一作用矢量，作用时间为t y ，第三和第五个为同一作用矢量， 作用时间为t z 。通过两电平中所用正弦定理可以求出两电平矢量作用时间，在 此应用另外一种方法求出作用时间。将空间矢量投影到a 、p 轴上，如图3 1 5 第3 小扇区所示，同时将合成作用的矢量亦投影到a 、p 上在两个坐标轴上建立 等效方程，同时t ) 【+ t y + t z ：t ，可以得到方程组： i t = 。t y + 口t z + 口t x k t = v 南t x ( 3 - 1 8 ) f 】：+ 弓+ 互= ， 由于其中的直流电压与m ( m 【0 ，1 】) 的关系，上述方程组方程两边消去 v d c ( 直流母线电压) ，可表示为 朋c o s 们= 弓+ 三正+ 譬宰孚巧 聊s i n 0 * t = 了4 3 宰丢& ( 3 - 1 9 ) 瓦+ z + z = t 即t x 、t y 、t z 可用t 和m 、0 的函数关系表示。 t x ；4 m s h i n 0 t t y ： 2 m ( c o s 一书一1 t ( 3 - 2 0 ) 互= r 一互一互 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 同理可求出第一扇区中四个小扇区的不同的矢量作用时间： 1 扇区：o o n ( t x ) 、0 0 0 ( t y ) 、p o o ( t z ) l = 4 警秒t t y = t 。t x t y ( 3 - 2 1 ) t 2 _ 2 m ( c o s 9 警) t 2 扇x e - p o n ( t x ) 、p o o ( t y ) 、o o n ( t z ) t x = t 。t y t z t y ：( 14 m 警0 ) t ( 3 - 2 2 ) 、j t z ：【l - 2 m ( c 。s 口s 警) 】t v j 4 扇x e p o n ( t x ) 、p p n ( t y ) 、p p o ( t z ) t x - 2 m ( c o s 0 - 警) t t y ：( 4 m 害口1 ) t ( 3 - 2 3 ) v j t = z 一正一t y 观察式( 3 2 0 ) ( 3 2 3 ) 可知其中含有两个时间常数。即2 m 2 挚0t 、2 m t c o s 0 v j 当矢量处于其余五大扇区的时候可以将其顺时针旋转，令其与第扇l 又：重 合，即第一扇区计算的矢量作用时间可以延伸到其余五大扇区，只要在控制开 关管开通与关断时控制相应的开关管使其动作即可。 由七段式原理我们可以得出在扇区切换时，也需保证开关顺序保持最少， 即当m 取不同值时，从第一扇区中可以得出第二扇区中小扇区的首先作用矢量， 以此类推，即可得出总共六个大的扇反，即2 4 个小的扇区中所有的作用矢量的 先后顺序，如上表3 - 6 所示( 开关顺序与本文后面的中点电压平衡也有关) 。 表3 - 6 各个扇区的开关顺序 t a b l e3 6s w i t c h i n gt h eo r d e ro f t h ev a r i o u ss e d o r s n = i 。i f = ln = l , n - - 2n = i ，n = 3n = l , n = 4 z y xz x y z y xz y z x y zxy z yx z z y x z x y z po o o o oppp0 0 opppppop ppppp0ppp ooon 0 o o o o ono o o o0 n n no oppo o op p o 0 n n n 0 o o n n n n n o o n n n n n o 0 n n n n n o 3 2 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 3 2 2 9 - h 算法 从传统的三电平算法可以看到，当判断扇区时需计算角度，以及计算各个 矢量的作用时间时，需要大量的三角函数以及角度计算，同时还需要定量的计算 出开关管的作用顺序，需很大的计算量，目前针对此类情况，国内外提出了多 种不同的三电平算法。造成传统的三电平s v p w m 控制算法复杂性的原因在于， 传统的算法以两电平算法为依据，利用a 1 3 坐标系，来进行空间矢量的转化。 观察空间矢量的构成可以发现，三电平空间矢量之间的夹角均为3 0 0 的倍数， 针对这一几何特征，文献【1 4 】中用一种新的6 0 0 坐标系算法，即g - h 坐标系算法， 这种算法是多电平s v p w m 的通解，计算简单，容易实现。 2 4 0 。 ( 1 - 2 ) 3 0 0 。 图3 - 1 7 g - h 坐标系 f i g u r e3 1 7g - hc o o r d i n a t es y s t e m 首先将a b - c 下的基本矢量变换到g - h 坐标系下，并且变化后统一为整数( 标 幺化) 如图3 1 7 所示，即构成了g - h 坐标系。将开关构成矢量转化为图3 1 7 所 示坐标系。将传统算法中各个开关管的矢量用坐标表示，如p o o ( o n n ) 的坐标 表示为( 1 ，0 ) 。其余开关管的矢量对应的坐标可参见图3 1 4 和图3 1 7 一一对应。 按照传统三电平分析方法接下来应该是根据角度判断扇区，而对于g - h 算法来 说，由于其构成g - h 坐标系的构成，对任意的空间矢量，将其放到g - h 坐标系 中，都会有其对应的一个坐标( x ，y ) ，由此变可确定其所处扇区。同时由于此 方法的独特性，g - h 算法，没有判断扇区，而是对空间任一矢量所确定的坐标， 分别对上对下取整，组合后即可得到4 个不同的矢量坐标，完成对空间整体的 矢量变换，而如传统算法中提到的，我们只需应用其中构成小三角形的三个顶 点的矢量坐标即可。即对空间任意一个矢量经过取整变换之后都会得到四个矢 量坐标，选择其中三个即可，而这三个矢量坐标又会对应不同的开关管顺序， 即可得到开关管合成矢量。 以图3 1 8 为例，假设空间矢量坐标转换到g - h 坐标系之后的矢量坐标为 ( 1 5 ，o 6 ) 分别进行上下取整即可得到四个矢量坐标点分别为( 2 ，1 ) 、( 2 ，0 ) 、( 1 ，0 ) 、 ( 1 ，1 ) ，其中由于( 2 ，1 ) 不对应于任何矢量合成顺序，故采用其余三个矢量坐标即 ( 2 ，0 ) 、( 1 ，o ) 、( 1 ，1 ) ，分别为小三角形的三个顶点。对于其余扇区来说，在取整 之后得到的四个坐标中，可将其g - h 坐标绝对值相加最大的坐标点舍去。一般 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 情况下，我们通常分析的为直角坐标系，所以对于g - h 坐标系来说可能不是很 容易理解，故可将g - h 坐标系，还原到类似直角坐标系中只是夹角为6 0 。，在此 定义其为6 0 0 直角坐标系，如图3 1 9 所示。 图3 1 8 空间矢量坐标的逻辑判断 f i g u r e3 - 1 8l o g i cs p a c ev e c t o rc o o r d i n a t e s 图3 1 96 0 0 直角坐标系 f i g u r e3 1 96 0 o c a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e m 在确定三个合成矢量作用之后，需要计算三个矢量的具体作用时间来具体 合成空间中任意一个矢量。 针对空间中任一矢量确定三个矢量坐标点之后的坐标为( a ，d ) 、( b ，e ) 、 ( c ，f ) ，任一空间矢量转换到g - h 坐标系之后的矢量坐标为( g ，h ) 依据传统三电 平中计算矢量作用时间公式可以得到 3 5 第3 苹四象限燹频器拓扑结构的研究 f a 毒i + b 幸t 2 + c 幸t 3 = g 幸t d 奉i + e 幸t 2 + f 奎t 3 = h t ( 3 - 2 4 ) 【t l + t 2 + t 3 = t 解方程组即可得到t l 、t 2 、t 3 三个作用时间。因为不同的空间矢量坐标对 应不同的a 、b 、c 、d 、e 、f ，即只需要一个时间计算公式即可完成空间中任 一矢量作用时间的计算。 在确定矢量作用时间之后，根据传统三电平计算方法，接下来需要确定开 关管的开通，观察图1 可以发现，与传统的三电平空间矢量中开关管的开通函 数s k 相比较有一一对应关系，对于任一开关矢量坐标( g ，h ) 其中g 和h 均为整 数，对应的开关管的开关函数为 | - k & = ik - gl ( 3 - 2 5 ) lk - g - hi 其中k 、k - g 、k - h 均为整数( 包括0 ) ，即由矢量坐标就可以确定开关管的作 用，而对于其中的部分矢量作用效果一样的矢量，例如p o o 与o n n 的选择， 可根据当前母线上电容直流电压值的大小确定选取哪一个矢量作用。与传统三 电平计算方法需要根据具体扇区，来判断由哪个开关管来作用相比，g h 坐标系 的方法节省了大量的计算量。 3 2 3 三电平中点电位控制 由于逆变器中的直流侧是由整流器整流过来的直流电压，在三电平中多数 应用电容来进行分压，则由于算法的特性，三电平直流侧两个电容的电压值不 是固定不变的( 两电压之和一定) ，即中点电压不平衡。下面分析直流侧电容电 压不平衡的原因。 从三电平矢量原理来说，将矢量分成四种即大矢量、中矢量、小矢量和零 矢量。以第一大扇区为例分别如图3 - 2 0 3 2 4 中p n n 、p o n 和p o o ( o n n ) 。 而对于小矢量和零矢量来说，由于构成该矢量的开关顺序的多样性，由此可以 确定多种开关顺序，合理选择开关顺序可以使矢量控制有更好的效果。 各矢量对中点电压的影响 下面分析几种矢量对中点电压的影响。在三电平逆变器2 7 个矢量中，大矢 量对应的开关状态为，三相输出和直流母线的正负极相连，不会影响中点电压， 零矢量作用时，负载三相短路，并接在直流母线的正极、负极或o 的其中一点 之上，也不会影响中点电压的波动。而中矢量和短矢量对应的开关状态中，至 图3 2 1p o n 状态 f i g u r e3 - 2 1to ns t a t u s p n 图3 2 2p o o 状态 f i g u r e3 2 2p o o s t a t u s 3 7 第3 章四象限变频器拓扑结构的研究 图3 2 3o n n 状态 f i g u r e3 - 2 3o n n s t a t u s p c 1 = = 上o i o 1 上 = 图3 - 2 4o o o 状态 f i g u r e3 - 2 4o o o s t a t u s 以第一大扇区为例。其中用到的开关管的状态分别如图3 - 2 0 - 3 2 4 所示。 通过分析图3 2 0 和图3 2 4 可知在三电平逆变器的基本相量中，大矢量对 应的开关状态使三相输出和直流电源的正负极相连，不会影响中点电压，零矢 量使负载三相短路，并接在直流电源的正极、负极或o 点之一上，也不会影响 中点电压的波动，而中矢量和小矢量对应的开关状态中，至少有一相输出和。 点相连，并和直流电源正、负极形成电流回路，从而导致直流电压分压电容c l 和c 2 的充放电使中点电压波动。对于小矢量由于其作用效果可以由两种不同的 开关管的状态构成，而两种不同的状态，作用效果相反。一种使中点电流流入， 一种使中点电流流出。如图3 2 2 和图3 2 3 所示。同时，由于算法的原因，中 矢量和小矢量的选择的必然性，中矢量引起的中点电压的偏移在其所处的扇区 中无法自己克服。由于小矢量可以由两个作用效果相反的两种状态构成，可以 分配矢量作用时间为两个相等的作用时间分别给小矢量的两种状态，来抵消作 用效果，从而平衡中点电压。同时考虑电压变换过程中开关次数最少的原则以 及电压电流的对称性，于此构成七段式的开关管的开关方法。以能平衡中点电 3 8 压为目的，在每个扇区构成七段式方法的矢量，均以小矢量首发和结束，且第 四个作用矢量为与首发小矢量的作用效果相反的小矢量。以第一大扇区的第三 小扇区为例，开关管开通顺序如下p o o 、p o n 、p n n 、o n n 、聊州、p o n 、p o o 。 如图3 2 5 所示。 a 卜卜t 1：r t 叫 ： i ： ：l： bi 广_ + 叫：i 广_ 一 t i - iiiiii iiii ii i ii -l 卜1 叫i c h ：一 i 1 i2 ；3 4 ；4j 5 j6 i7 ； 1 。i 1 j l - - - - j i p o o p o n ；p n n o n n ! o n n ；p n n ；p o n p o o ： ： 图3 - 2 5 七段式时序图 f i g u r e3 - 2 5t u n i n gd i a g r a ms e v e ns e g m e n tt y p e 通过计算出每个矢量作用时间，设p o o 作用时间为t x ，p o n 作用时间为 t y ，p n n 作用时间为t z ，则七段式中作用时间分别为l i 4 、l 陀、t z 2 、t x 2 、 t 以、t y 2 、t x 4 。此种方法解决了小矢量对中点电压的影响，由于中矢量对中 点电压的不可控【1 7 以引，保