（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相四桥臂3d+svm逆变器的研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t sf o rb e t t e r p o w e rs y s t e mf i r e e n h a n c e d i n v e r t e rp o w e rs y s t e mi s d e v e l o p e dt oa c h i e v e h i g h e re f f i c i e n c y , h i g h e rp o w e rd e n s i t y , h i g h e rd e p e n d a b i l i t y , o n l i n e c o m m u n i c a t i o na n dw a t c h i n g t h r e e p h a s e f o u r - l e g g e di n v e r t e r sa r eb r i n g f o t w o r dt oi o o w e tu n b a l a n c e dt h r e e p h a s e l o a d s n 豫t o p o l o g yi s k n o w nt o p r o d u c e b a l a n c e d v o l t a g e s e v e nu n d e ru n b a l a n c e dl o a dc o n d i t i o n s a n d c o m p a r e d t oo t h e r t h r e e p h a s ef o u r - w i r ei n v e r t e r s ，i t ss i z ea n dw e i g h ti ss m a l l t h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( 3 - ds v m ) s c h e m ei s p r o p o s e d ， w h i c hi sa r te f f e c t i v es o l u t i o nt qp r o v i d et h en e u t r a ld o 硫f o rat h r e e - p h a s e f 0 1 1 1 - w i r es y s t e ma n dt oh a n d l et h en e u t r a lc u r r e n td u et ou n b a l a n c e dl o a d i t m a k e st h ef o u r - l e g g e dp o w e ri n v e r t e r sh a v eab e t t e rd cl i n kv o l t a g eu t i l i z a t i o n a n dr e s u l ti nal o wd i s t o r t i o n a tt h eb e g i n n i n g ，s e v e r a lt h r e e p h a s ef o u r - w i r ei n v e r t e r si nt h ew o r l da r e r e v i e w e d ，t h es t r u c t u r eo f t h et h r e e - p h a s ei n v e r t e rw i t ht h ef o r t hb r i d g e1 e g si s a d o p t e d 。皿e nt h e t h r e ed i m e n s i o n s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n s t r a t e g y i s d i s c u s s e d t h e p r i n c i p l eo f 3 - ds v mi sd i s c u s s e di nd e t a i la n dt h ee x p r e s s i o n s o f3 - ds v m s t r a f e g ya r ed e d u c e d s e c o n d l y , t h es i m u l a t i o no fs y s t e mc o n t r o la n ds w i t c hs t r a t e g yv a l i d a t e d c o n s i s t e n c y w i t h t h e o r ya n a l y s i su s i n gn a t l a b d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ) i su s e dt oc o n t r o lt h e i n v e r t e r b a s e do nt h e3 - ds v m m o d u l a t i o mt h ec l a n g u a g ei sw o r k o u t a t l a s t ，e x p e r i m e n t s a r e c o m p l e t e d u n d e rt h e d i g i t a lc o n t r o l ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si sv e r i f l e d a si l l u s t r a t e di nt h e e x p e r i m e n tf i g u r e s ，t h e t 1 1 r e e - p h a s ef o u r - l e g g e di n v e r t e r w i t h3 - ds v mc a l l o u t p u t t h ee x c e l l e n t t h r e e - p h a s ea cv o l t a g eu n d e r t h ev a t i o u si o a dc o n d i t i o n i tv e r i f i e df e a s i b i l i t y a n da d v a n t a g eo f t h ec o n t r o ls c h e h 硷 k e y w o r d st h r e e - p h a s ef o u r - l e g g e d ；i n v e r t e r ；3 - ds v m ；u n b a l a n c e dl o a d ； d s p t h i sw o r kw s u p p o r t e d b yag r a n tf r o mt h ek e yp r o g r m a t so f t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n a 州0 5 0 2 3 7 0 2 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题背景 逆变电源具有极为广阔的用途和市场前景，与国民经济的高速发展密 切相关。高频逆变技术是高效利用能源，新能源开发、环境保护和新建高 技术产业中的关键技术。在生产实践中常要求把工频交流电能或直流电能 变成频率和电压固定的或者可调节的交流电能，供给负载，以便实现交流 电动机的变频调速，或者为感应电热炉提供中频电源，为电子计算机、医 用设备等重要装置提供不停电的工作电源。逆变技术在新能源的开发和利 用、新兴高新技术产业以及国防科技等各个领域都起着重大的作用，并占 有至关重要的地位。 d c a c 逆变器是将直流电能变换成交流电能的变流装置，供交流负载 用电或与交流电网并网发电。逆变器的原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到， 而且早在1 9 4 8 年，美国西屋( w e s t i n gh o u s e ) 电气公司用汞弧整流器制成了 3 0 0 0 - z 的感应加热用逆变器。1 9 4 7 年，晶体管的诞生，标志着固态电力 电子学的起源；1 9 5 6 年，晶闸管的问世，标志着电力电子学的诞生，并进 入传统的发展阶段；2 0 世纪7 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 、电力晶体 管g t r 等相继实用化：8 0 年代以来各种高频化的全控型器件的产生和应 用把电力电子技术带入高频化时代【l 】。在这个时代，具有小型化和高性能 特点的新技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。 现在的逆变器电源中变换器主要有阶梯波合成型和脉宽调制型两种控 制方式。阶梯波合成型电源是由几个输出电压为方波的逆变器，按照定 规律，通过综合变压器将这些输出电压进行叠加，使每一间隔内阶梯波的 阶高按正弦规律变化。这种逆变器理论上所含谐波为2 k n + _ l 。脉宽调制技 术是当前国际上电力电子装置广泛采用的控制方式，脉宽调制技术的发展 与进步体现在如下三个方面：一是功率电路拓扑不断优化和革新：二是脉 宽调制的控制策略不断丰富和成熟；三是实现脉宽调制控制技术的手段也 不断发展，从最初模拟电路控制发展到现代利用各种数字技术、微型计算 1 燕山大学工学硕士学位论文 机技术等数字控制技术。脉宽调制型交直交逆变电源由于其电路简单、输 出电能质量高等优点成为逆变电源发展的主流。 交流负载用电量大或需要三相四线制供电的场合必须采用三相逆变 器，因此，三相逆变技术是逆变器的重要内容之一，而由于在大部分情况 下，系统的负载为不对称负载，这就要求电源的输出为三相四线输出。三 相逆变其关键技术在于解决三相逆变器输出电压的对称性( 幅值对称和相 位对称) 及其带不平衡负载的能力。如果采用在传统的三相桥式逆变器的基 础上增加一个桥臂用来形成中点的四桥臂电路拓扑，变换器系统可以方便 地实现具有调压功能的三相四线输出，并且具有较高的直流利用率，且这 种控制方法可以比较容易地移植到现有的数字变换器平台上，具有较好的 发展前景。 空间矢量调制方案的最初应用是为了使电机获得圆形的旋转磁通而提 出的，现在空间矢量调制已经发展成为一种和s p w m 并行的p w m 调制技 术。三维空间矢量调制将二维空间矢量调制方案进行拓展，成功的解决了 当在负载为不对称负载时，空间旋转矢量是一个位于三维空间的椭圆的问 题。并且，由于三维空间矢量调制方案具有控制灵活、动态性能好及开关 损耗低等优点，将成为逆变器控制理论研究的一个热点。 1 2 应用前景 我国在通信电源、太阳能、风能发电、环保车辆、铁路、电力及军事 上对逆变电源有极大需求，年市场前景达数百亿元。全国先后出现了一批 年产值超十亿元的电源企业，而目前我国逆变电源多为进口或采用常规逆 变电路技术，体积大、效率低、性能差。因此本项目的研究在推动我国的 科技进步和发展高科技产业方面有十分广阔的应用前景和重大的现实意 义，其典型应用有： ( 1 ) 分布式发电系统，例如风力发电和基于燃料电池的电能装置，这些 装置可以在独立方式或者并网模式下运行，这些分布式电能发生装置一般 采用带中线连接的四桥臂逆变器来提供三相输出。由于效率革命的刺激这 类装置将会有很大的市场。 2 第1 章绪论 ( 2 ) 应用有源电力滤波器的四桥臂变换，通过中性点控制来补偿谐波电 流。 ( 3 ) - - ：相p w m 逆变器，利用第四桥臂来处理线性畸变和不平衡。 1 3 三相逆变器的拓扑形式 目前三相逆变器的主电路拓扑主要有以下几种形式： ( 1 ) 应用中点形成变压器的三相逆变器一自耦变压器结构三相桥式 逆变器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线电压。但是为了 得到三相四线制的输出电压来提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输 出端增加中点形成变压器( n e u t r a lf o r m e dt r a n s f o r m e r , 简称为n f t ) ，构成 了应用中点形成变压器n f t 的三相逆变器一自耦变压器结构，如图1 1 所 示。其铁心为三相芯式铁心，以减小零序阻抗，变压器绕组采用曲折接法。 z 圈1 - 1 应用中点形成变压器的三相逆变器一自耦变压器结构 f i g 1 1t h r e e p h a s ei n v e r t e r w i t h n f t - 一a u t o t r a n s f o r m e r 这种三相逆变器结构具有很明显的缺点：中点变压器的体积、重量随 系统容量和负载不对称程度的增加而增加，并且为了达到较好的耦合，绕 制工艺和接线复杂，自身功耗也降低了整机效率1 2 。 ( 2 ) 应用中点形成变压器的三相逆变器一双绕组结构为了消除零序 输出电压，可以采用d r y 或d y 0 接法的中点形成变压器，如图1 2 所示， d y 连接变压器没有零序电压输出，d y 0 在负载不平衡情况下，存在零序 电压输出。 3 燕山大学工学硕士学位论文 z 图l - 2 应用中点形成变压器n f t 的三相逆变器一双绕组结构 f i g 1 - 2 t h i n e - p h a s e i n v e r t e r w i t h n f t - - t w o - w i n d i n g t r a n s f o r m e r 相应的控制方案：同步旋转坐标系下单p i 调节器，它不能消除负序电 压静差。也可以采用同步旋转坐标系下双p i 调节器，它可以消除负序电压 静差。采用此种电路拓扑的缺点是零序电压不可控。 ( 3 ) 应用分裂电容的三相四线制逆变器它有结构简单、功率器件较少 等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点，作为三相输出的共地端， 可构成三相四线制的输出，如图1 3 所示。 z 图1 - 3 应用分裂电容的三相四线制逆变器 f i g 1 3t h r e e - p h a s ef o t - l e gi n v e r t e rw i t hs p i l td cc a p a c i t o r 这时，为了防止中点电位的偏移，串联电容的容值必须很大，使逆变 器的体积和重量增加，而且当功率较大时或者缺相情况下，电容存在偏压 的问题。而且其直流利用率明显偏低，输出相电压峰值最高也只有直流母 线电压的一半。 ( 4 ) 组合式三相逆变器组合式三相逆变器电路结构如图1 - 4 所示，它 是由三个单相逆变器组合而成，通过三个单相变压器耦合成三相电路。每 相逆变器相互独立，只要控制三相基准正弦波互差1 2 0 。，将三台输出的地 4 第1 章绪论 连接在一起作为中线，就可以实现三相四线制的输出，它不但具有极强的 带不平衡负载能力，且每相还可以分别控制，具有控制简单、易实现模块 化结构、在线热更换和n + 1 个模块冗余技术等特点，提高了系统可靠性3 1 。 图l - 4 组合式三相逆变器电路结构 f i g 1 - 4c o m p o s i t et h r e e p h a s ei n v e r t e r 这种方法比较适合于大功率输出场合，缺点是采用的开关管太多，而 且输出需要三个单相变压器。 ( 5 ) - - 相四桥臂逆变器三相四桥臂逆变器是在传统的三相桥式逆变 器的基础上增加了一个桥臂，该桥臂的作用是形成中点，这样通过增加 个桥臂来直接控制中性点电压，并且产生中性点电流流入负载，这就增加 了一个自由度，使三相四桥臂对逆变电源可以产生三个独立的电压，从而 使其有能力在不平衡负载下维持三相电压的对称输出。其结构如图1 5 所 示。 这种电路拓扑具有较高的直流利用率，并且直流输入电容较小；减小 不平衡负载时三相输出的不对称度；逆变器的输入端采用谐振直流环节时， 四个桥臂的功率管均可实现零电压开关1 2 。虽然该逆变器的控制比较复杂， 但仍是目前研究的一个热点。本课题最后选定三相四桥臂逆变器的拓扑结 构。 1 4 三相四桥臂逆变器的控制方法 由于四桥臂逆变器增加了一个桥臂，因此，在控制方案上比三桥臂逆 5 燕山大学工学硕士学位论文 图1 - 5 增加第四个桥臂形成的三相四桥臂逆变器 f i g 1 5t h r e e - p h a s ef o u r - l e g g e dv o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 变器要复杂，对其控制方案的研究就显得十分重要。对于四桥臂的控制方 式也曾有一些文章做过一些介绍n - - 6 j ，常用的控制方法有以下几种： ( 1 ) 中性点控制它的基本控制原理是控制交流输出中性点n 和直流母 线电压的中点0 等电位，则桥臂输出电压仅决定于本桥臂的控制，三相完 全解耦。如图1 - 6 所示。 z 图1 - 6 中性点控制方案 f i g 1 - 6s c h e m e o f n e u t r a lp o i n tc o n t r o l 它的控制比较简单，但是电压利用率较低，开关损耗也较大。 ( 2 ) 最大误差电流调节方案这种控制的方案是利用双环控制，即：外 环为电压环，内环为电流滞环来控制开关管。它具体采用的是最大误差电 6 z 第1 章绪论 流调节，即在采样点上，计算出各相滤波电感电流与对应相的电流给定信 号的误差绝对值，以电流误差绝对值最大的那相开关模态为基准，其他相 的开关模态如果与基准相的一样，就取该开关的模态，如果不一样，就让 它选择自然续流的状态，并以此来确定第四桥臂以及其他三个桥臂的导通 信号。其原理结构图如图1 7 所示。 这种方法的缺点是要用微处理器实时的比较误差信号的绝对值大小， 这就增加了控制电路的复杂程度，并且微处理器的运行时间也限制了系统 的开关频率【4 】。 m m 2 m 3 图l - 7 最大误差电流调节器的原理框 f i g 1 7b l o c kd i a g r a mo f t h e m a ) i m u me p r o rc u r r e n tr 键柚a t o r ( 3 ) - - 次谐波注入控制这种方案的指导思想是利用中点电压这个关 键量，在三相逆变器的调制信号与输入直流电压的关系基础上，通过在调 制信号中注入三次谐波，可以输出幅值更高的基波，同时谐波不会影响输 7 燕山大学工学硕士学位论文 出电流，解决了前述方案电压利用率不高的缺点”。此时三个桥臂的中间 电压v ，v 2 ，v 。和输出中点电压v 。的表达式如下： f v l = ( s 姒o g o t + 1 2 0 。) + k s i n 3 c o o t ) j f v 2 = ( s i n ( c o o ，+ 2 4 0 。) + k s i n 3 a o t ) j f v 3 = s i n ( w o + k s i n 3 w o f ) v ) f h = 名k s m 3 w o f j 这种控制方案的特点是：电压利用率高，但是开关损耗大。 ( 4 ) 三维空间矢量调制( 3 - ds v m ) 策略3 - ds v m 控制方案是在三桥臂 逆变器常用的二维空间矢量调n ( 2 ，ds v m ) 技术基础上演变、拓宽而来。 它是针对三相四桥臂逆变器，将四个桥臂的开关控制用一个电压综合矢量 来拟合，在控制思想上比较直观：在实验途径上，这种控制方法可以比较 容易的移植到现有的数字变换器平台；在系统要求上，逆变器可以方便的 实现具有调压功能的三相四线输出，并且具有较高的直流利用率，因此具 有较好的发展前景。 因此，针对我们选择的三相四桥臂逆变器的拓扑结构，本课题采用了 3 ds v m 的控制策略。 1 5 本文的主要研究内容 本文主要研究“三相四桥臂3 ds v m 逆变器数字控制”，题目来源于 国家自然科学基金重点项目“新型高频中小功率逆变电源的控制技术和拓 扑技术研究”，项目编号为5 0 2 3 7 0 2 0 。通过查阅大量文献，确定了研究拓 扑，对所选拓扑和所采用的开关调制方式作了较为详细的理论分析，并通 过仿真验证，引入数字控制，制作了原理样机，并对实验结果做了总结。 本课题主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 简单概述了三相逆变器的发展和现状，叙述了一些主要的主电路拓 g 第1 章绪论 扑形式，分析了常见的控制方式，确定了本文的主电路拓扑和相应的脉宽 调制方式； ( 2 ) 详细分析了三维空糊矢量的调制策略和实现方法，根据三相四桥臂 逆变器的结构，建立了逆变器的m a t l a b 仿真模型，针对各种负载情况， 对三维空间矢量调制控制方案进行了仿真，并对系统进行了开环和闭环的 仿真； ( 3 ) 采用德州仪器公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p ( 数字信号处理器) 作为主控芯片，根据控制需要，编制了三相逆变主控程序、s v p w m 开关 控制方式、坐标变换等程序，完成了c 语言程序设计，并调试了整个系统 的控制程序： ( 4 ) 在系统仿真的基础上，对三相四桥臂逆变器进行了实验调试，给出 了实验波形，对实验数据进行了分析讨论，指出了下一步的工作方向。 9 燕山丈学工学硕士学位论文 第2 章三维空间矢量调制控制 2 1引言 脉宽调匍j ( p w m ) 技术是电力电子技术中的非常重要的组成韶分，对提 高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用。在众多 p w m 调制方式中，空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术和正弦脉宽调制 f s p w m ) 技术最具有代表性邮】。s p w m 的基本原理是利用三角载波与正弦 调制波进行比较而得到，适合于模拟电路实现。相比, s p w m 而言，s v p w m 是一种使输出电压的合成矢量沿预定轨迹旋转的控制方法，具有更低的高 次谐波、容易实现变换器的在线调压、电压利用率高等优点，同时这种控 制思想也便于数字化实现1 1 0 , 1 1 】，所以越来越受到人们的重视。因此，本课 题的开关控制方式选为s v p w m 方式。 空间矢量调s e j ( s v m ) 的最初目的是使电机获得圆形的旋转磁链【1 2 】，实 际上s v m 是基于空间旋转矢量的等效，已经发展成为一种和s p w m 并行的 p w m 调制技术。s v m 的思想是：在矢量空间用有限的静止矢量去合成和 跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息。 在三桥臂逆变器中，由于负载为三相对称负载，所以有 x 。+ z 。+ x 。= 0 。由于输出三相电压是对称的正弦电压，所以可以将它进 行由时间坐标轴到空间坐标的变化，所形成的合成矢量是一个圆。而三相 三桥臂变换器中总共有8 种开关状态，如图2 1 所示。转换到空间坐标上对 应为8 个开关矢量，其中有六个非零矢量及两个零矢量。6 个离散的电压矢 量在空间上两两互差6 0 。，六个电压空间矢量的顶点构成正六边形的顶点。 合成矢量是位于这个六边形中的圆。p w m 变换器的8 个静止矢量按一定的 规律切换。可以在矢量空间合成旋转的电压空间矢量来逼近电压矢量圆， 从而形成s v p w m 波形【1 3 】。这就是三相s v p w m 变换器的工作原理。 运用在四桥臂上的三维空间矢量调制是上述二维空间矢量调制的拓 展，两者的基本方法是一致的，但是更为复杂。下面我们就详细研究以下 三维空间矢量调制的具体策略。 1 0 第2 章三维空间矢量调制控制 jl l m v 3 ( 0 1 0 ) v 2 f 1 1 0 ) 八 入 zfv o f 0 0 0 h勿 一面 v 5 ( 0 0 1 ) v 6 ( 1 0 1 ) 图2 - 1基本空间矢量和开关组合模式 f i g 2 - lt h e b a s i cs d a c e v t o ra n d s w i t c h c o m b i n a t i o n m o d e 2 2 三维空间开关矢量 x 。+ 五十x o = 0 ，因此我们需将a _ b - c 坐标系转换到“一卢- y 三维空间坐标 阱2 雕- 1 1 7 2 讲- 1 2 斟 陪z ， z 。兄j i 置，即x 从前至后依次表示a 、b 、c 、1 1 相桥臂开关情况。此外 燕山犬学工学硕士学位论文 桥臂下管导通上管断开。 c j n b ，f 二二一一一一一一二 - 图2 - 2 a - b c 和“一b y 坐标关系图 f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ea - b cc o o r d i n a t ea n dt h eq b yc o o r d i n a t e 表2 - 1 四桥臂开关状态表 t a b l e 2 1s w i t c hc o m b i n a t i o ma n di n d e p e n d e n tb r i d g ev o l t a g e s p p p pp p n pp n p pn p p pp 帅n p n pn n p pn n n p v , f00 0 。v g 0 。v g- v g- v g 0 0 。k 0 、 0 - k- v g v c f0 、 00 k- k 0 v g n n n nn n p n n p n np l a i nn p p np n p n p p n np p p n v 毒fo o0 v g o 、k v b f00 、 0 、 0 kv g 0v g00k、0k 图2 3 则显示了这1 6 种开关形式的组合情况。根据表2 1 ，可知十六 种开关状态对应到各相桥臂的输出电压幅值，利用式2 - 2 ，将其转换至三 维空间坐标系中，即可得到十六组空间开关矢量。以p n o 为例，、k ，、 分别为0 、0 、- k ，则可以得出其在a - 卢y 坐标上对应的矢量圪、 ： 1 2 笙! 兰三堂皇塑釜茎塑型垄童l 一 舱卜勘- 1 2 l 。l l 2 “2 ( 2 - 3 ) 磷r - - - p - i 掰r - - - p - i 磷碍- _ 4 j _ _ i _ i _ j i 群r - - - p - i 端磷l - - - - pi 搿i p i 酵r-p-ilv 努r - - - p - i 蜒r - - 乎- p - i 蕊坦r - - - 攀p - i n p n p n p p pp n p p 掣r - - - p - i 弹r - - - p - i 酵r - - - e - i 掣r - - - p - i n p 州 n p 州 n n p n p n 科 图2 - 31 6 种开关形式状态图 同理，我们将其他丌关状念转化为三维空间丌关矢量，如表2 2 所示。 并将所有十六组开关矢量在三维空涮坐标系中描绘出来，如图2 _ 4 。从图 中可以看出：这1 6 个空间矢量中包含两个零矢量( p p p p 和n n n n ) ，其余 十四个非零空间矢量都位于一个空阊六棱柱内m 引。 匕以派 h 二二陌u = _l_tf_e_-_t_j 咖吩 一 2 2 訾埘m 一 一 燕山大学工学硕士学位论文 表2 - 2 转化至a 一0 一y 空间的四桥臂开芙状态表 t a b l e 2 2s w i t c hc o m b i n a t i o n sa n di n v e r t e rv o l t a g e si nd b v p p p pp p n pp n p pn p p pp n n pn p n pn n p pn n n p 唁 0 v g 3v g 3。2 v g 32 v g 3 一v g 3。v g 3 0 v bo n ；| 五- n ；| 囊 0o g - 。i 再 0 u0 。v g 3- v s 3v b 32 v g 3- 2 v g 3- 2 v 9 1 3 n n n nn n p nn p n np n n nn p p np n p np p n np p p n 蝠 0 。v g 3一v b ，32 k 32 、3 v g 3、，g 3 0 0 一y g 埔v ； 小 0o 一。 小y ； 小 o u o 、3k 3 v g 3 2v g 3 2 k 3 2v g 3 v g 呼2 嘻 v r = h 印叩 v r = 扛 v r ：o v r = 一；v g。p p p v r 亏、 呼= 一嘻 图2 - 4四桥臂逆变器开关矢量图 p r m p f i g 2 4s w i t c h i n gv e c t o r sj n a o yc o o r d i n a t e 1 4 第2 牵三维空间矢量调制控制 从这1 6 个空间矢量所在的空间六棱柱看出，我们可以按照一定规律将 其划分成若干层。其中两个零矢量( p p p p 和n n n n ) 位于a 一芦一y 三维空间 坐标系的原点。其余十四个零矢量，按照以下的规律分布：在圪= 3 层， 有三个空间矢量p n n n ，n p n n 和n n p n ；在k = 2 3 层，分布着三个 空间矢量p p n n ，n p p n 和p n p n ；在吒= 层，有一个矢量p p p n ：而在 = 一以3 层，分布着三个矢量p n p p ，p p n p 和n p p p ；在= 一2 3 层， 有三个矢量p n n p ，n p n p 和n n p p ：在= 一k 层仅有一个矢量是n n n p 。 现在将图2 4 投影在a 一口平面上，可以得到如图2 5 所示的开关矢量 图，在图中开关矢量说明中，x 表示第四桥臂开关状态，代表了p 、n 两 种状态，如p n n x 代表了孙小n 和p n n p 两个开关矢量。 v 4 ( n p p x ) 图2 - 5 三维空间矢量在f t 一1 3 平面山投影图 f i g , 2 - 5p r o j e c t i m ao f t a b p l a n e 将图2 。5 与图2 1 进行比较，可以看出1 6 个开关投影在0 t 一3 平面内， 共有六种非零矢量和两种零矢量，其中六种非零矢量构成一正六边形，这 与二维空间矢量调制的开关矢量一致，说明运用三维空间矢量调制的三相 四桥臂逆变器实际是运用二维空间矢量调制的三相三桥臂逆变器的拓展。 2 3 参考矢量在口一3 一，坐标系下的合成 三维空间矢量调制就是运用瑾一口一7 坐标系下的开关矢量来合成参 考矢量，在原理上和二维空间矢量调制相类似。在a b - c 时间坐标系下 的参考电压 p 说可可蛳7 经过式( 2 2 ) 进行坐标变换，我们可以得到 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 a 一卢一，三维空间坐标系下的参考矢量：眈一一叫一哪】7 。这 里，由于四桥臂逆变器的空间合成矢量是在三维空间内运动，所以，它的 控制更为复杂。参考矢量在三维空间坐标系下的合成主要有以下步骤 1 7 , 1 8 】： 选择合适的相邻开关矢量进行合成，并计算出各自开关状态对应的占空比， 最后对选取的系列开关矢量按照一定顺序进行组合，即可生成对应矢量调 制的控制波形。 2 3 1选择合适的相邻开关矢量 三维空间矢量调制是用空间合成矢量相邻的三个非零的开关矢量和两 个零矢量来合成。所以必须要判断空间合成矢量的三个相邻的非零开关矢 量。 对于三维空间矢量调制，我们采用两个步骤选择合适的开关矢量【”i 。 首先，我们可以将开关矢量构成的六棱柱分解为六个空间三棱柱，每个三 棱柱在a 一口平面上的投影为夹角为6 0 。的等腰三角形，这和二维空间矢量 调制相类似。这时我们可以将相应的三棱柱标记为三棱柱1 ，2 ，3 ，4 ，5 ， 6 ，如图2 - 6 所示。然后，用六个非零开关矢量和两个零矢量构成四个空间 四面体。这样，我们只需先确定开关合成矢量所处的三棱柱，然后再确定 其所处的空间四面体，就可以得到用来合成空间合成矢量的三个非零开关 矢量。 2 3 1 1 判断空间矢量所处的三棱柱由于六棱柱投影在a 一口平面上为 一个正六边形，这和二维空问矢量调制相类似，所以我们也可将六棱柱分 解为空间六个三棱柱，投影在二维平面上，就可将该平面的正六边形分成 六个相邻的扇区，利用空间矢量投影所在的扇区我们就可以判定其所在的 空间三棱柱【2 0 1 。假设合成矢量吒，落在3 扇区，我们将参考电压矢量，用 它的( a ，卢，y ) 轴分量圪，和来表示。此时在投影面上，有= o 。则 有下式成立： 0 。a r c t a n ( 圪) 6 0 。 ( 2 - 4 ) 1 6 第2 章三维空间矢量调制控制 ( a ) 空间三棱柱1 ( a ) p r i s m l ( d ) 空间三棱柱4 ( d ) p r i s m 4 p n p p ( b ) 空间三棱柱2 ( b ) p r i s m 2 ( e ) 空间三棱柱5 ( e ) p r i s m5 图2 - 6 划分的空间三棱柱 f i g 2 - 6p r i s mi d e n t i f i c a t i o n n n n p ( f ) 空间三棱柱6 ( f ) p r i s m 6 同理也可以得到其他扇区的不等式条件，综合后可得判断合成矢量所 在棱柱的方法【2 ”。定义下面的变量： 。= ( 2 - 5 ) ：= 圭【慨一) ( 2 - 6 ) 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 ，= ( 一3 圪一) ( 2 7 ) 二 然后执行步骤( 1 ) 一步骤( 3 ) ： ( 1 ) 如果p 1 0 ，贝q a = l ；否贝q a = o ( 2 ) 如果2 0 ，则b = 1 ；否, i j b = 0 ( 3 )