两电平电压源逆变器空间矢量调制方案

任务任务 2 两电平电压源逆变器空间矢量调制方案两电平电压源逆变器空间矢量调制方案 周乐明周乐明 学号 学号 S 电气电气 2 班班 摘要摘要 提出了三相两电平逆变器的空间矢量调制方法 详细讨论了两 电平逆变器的工作原 理及空间矢量调制的基本原理 并给出一个具体的仿真实例 通过仿真 可以得出实际运 行中的电压 电流的波形 而且在文中给出了实例的电路原理图 使得对 于空间矢量调制 的原理得以更加清楚的认识 1 两电平电压源逆变器空间矢量调制两电平电压源逆变器空间矢量调制 1 1 结构试图结构试图 三相电压型逆变器电路原理图如图2 1所示 定义开关量a b c和a b c 表示6个功 率开关管的开关状态 当a b或c为1时 逆变桥的上桥臂开关管开通 其下桥臂开关管关 断 即a b 或c 为0 反之 当a b或c为0时 上桥臂开关管关断而下桥臂开关管开通 即 a b 或c 为1 由于同一桥臂上下开关管不能同时导通 则上述的逆变器三路逆变桥的组 态一共有8种 对于不同的开关状态组合 abc 可以得到8个基本电压空间矢量 各矢量为 2 1 22 jj dc 33 out 2 3 U Uabece 则相电压Van Vbn Vcn 线电压Vab Vbc Vca以及的值如下表2 1所示 其中 out Uabc Udc为直流母线电压 a c b a bc Udc 图2 1 三相电压型逆变器原理图 表 2 1 开关组态与电压的关系 abcVanVbnVcnVabVbcVca out U 0000000000 1002Udc 3 Udc 3 Udc 3Udc0 Udc dc 2 3 U 010 Udc 32Udc 3 Udc 3 UdcUdc0 2 3 2 3 j dc U e 110Udc 3Udc 3 2Udc 30Udc Udc 3 2 3 j dc U e 001 Udc 3 Udc 32Udc 30 UdcUdc 4 3 2 3 j dc U e 101Udc 3 2Udc 3Udc 3Udc Udc0 5 3 2 3 j dc U e 011 2Udc 3Udc 3Udc 3 Udc0Udc 2 3 j dc U e 1110000000 可以看出 在 8 种组合电压空间矢量中 有 2 个零电压空间矢量 6 个非零电压空间 矢量 将 8 种组合的基本空间电压矢量映射至图 2 11 所示的复平面 即可以得到如图 2 13 所示的电压空间矢量图 它们将复平面分成了 6 个区 称之为扇区 3 1 5 4 6 2 000 U 111 U 60 110 U 0 100 U 120 010 U 180 011 U 240 001 U 300 101 U 图 2 2 电压空间矢量与对应的 abc 示意图 1 2SVPWM 算法实现算法实现 SVPWM 的理论基础是平均值等效原理 即在一个开关周期 TPWM内通过对基本电压 矢量加以组合 使其平均值与给定电压矢量相等 本文采用电压矢量合成法实现 SVPWM 如上图 2 2 所示 在某个时刻 电压空间矢量旋转到某个区域中 可由组成 out U 这个区域的两个相邻的非零矢量 和 和零矢量 0 U 在时间上的不同组合来得到 K U K 1 U 先作用的称为主矢量 后作用的称为辅矢量 作用的时间分别为 TK和 TK 1 K U K 1 U 作用时间为 To 以扇区 I 为例 空间矢量合成示意图如图 2 3 所示 根据平衡等效原 000 U 则可以得到下式 2 2 PWMout102600000111 TUTUTUT UU 或 2 3 120PWM TTTT 2 4 1 1 PWM 2 260 PWM o T UU T T UU T 式中 T1 T2 T0分别为 0 U 60 U 和零矢量 000 U 和 111 U 的作用时间 为合成矢量与 主矢量的夹角 图 2 3 电压空间矢量合成示意图 要合成所需的电压空间矢量 需要计算 T1 T2 T0 由图 2 14 可以得到 2 5 out12 sin2 3sin 3 sin UUU 将式 2 29 及 2Udc 3 和 Um代入式 2 30 中 可以得到 0 U 60 U out U 2 6 m 1PWM dc m 2PWM dc m oPWM dc 3sin 3 3sin 13cos 6 U TT U U TT U U TT U 取 SVPWM 调制深度 mdc 3 MUU 在 SVPWM 调制中 要使得合成矢量在线性 区域内调制 则要满足 即 max 2 31 15471M 由此可知 outmdc 2 3UUU 在 SVPWM 调制中 调制深度最大值可以达到 1 1547 比 SPWM 调制最高所能达到的调 制深度 1 高出 0 1547 这使其直流母线电压利用率更高 也是 SVPWM 控制算法的一个主 outU 0U 60U 1 T 2 T 3 s T 1U 2U u u 要优点 1 判断电压空间矢量 Uout所在的扇区 判断电压空间矢量 Uout所在扇区的目的是确定本开关周期所使用的基本电压空间矢量 用 U 和 U 表示参考电压矢量 Uout在 轴上的分量 定义 Uref1 Uref2 Uref3三个变量 令 2 7 ref1 ref2 ref3 3 3 Uu Uuu Uuu 再定义三个变量 A B C 通过分析可以得出 若 Uref1 0 则 A 1 否则 A 0 若 Uref2 0 则 B 1 否则 B 0 若 Uref3 0 则 C 1 否则 C 0 令 N 4 C 2 B A 则可以得到 N 与扇区的关系 通过下表 2 2 得出 Uout所在的扇区 如图 2 2 表 2 2 N 与扇区的对应关系 Table2 2 The corresponding relationship between N and sector N315462 扇区 2 确定各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间 由图 2 14 可以得出 2 8 12 060 PWMPWM 2 60 PWM cos 3 sin 3 TT uUU TT T uU T 则上式可以得出 2 9 PWM 1 dc PWM 2 dc 3 3 2 3 T Tuu U T Tu U 同理 以此类推可以得出其它扇区各矢量的作用时间 可以令 2 10 PWM dc PWM dc PWM dc 3 33 2 33 2 Tu X U T Yuu U T Zuu U 可以得到各个扇区 T1 T2 T0作用的时间如下表 2 3 所示 表2 3 各扇区T1 T2 T0作用时间 Table2 3 The effect time of T1 T2 T0 every sector N123456 T1ZY Z XX Y T2Y XXZ Y Z T0TPWM Ts T1 T2 如果当T1 T2 TPWM 必须进行过调制处理 则令 2 11 1 1PWM 12 2 2PWM 12 T TT TT T TT TT 3 确定各扇区矢量切换点 定义 2 12 aPWM12 ba1 cb2 4 2 2 TTTT TTT TTT 三相电压开关时间切换点Tcmp1 Tcmp2 Tcmp3与各扇区的关系如下表2 4所示 表2 4 各扇区时间切换点Tcmp1 Tcmp2 Tcmp3 Table2 4 The switching time of Tcmp1 Tcmp2 Tcmp3 every sector N123456 Tcmp 1 TbTaTaTcTcTb Tcmp 2 TaTcTbTbTaTc Tcmp 3 TcTbTcTaTbTa 为了限制开关频率 减少开关损耗 必须合理选择零矢量000和零矢量111 使变流器 开关状态每次只变化一次 假设零矢量000和零矢量111在一个开关周期中作用时间相同 生成的是对称PWM波形 再把每个基本空间电压矢量作用时间一分为二 例如图1 4所示 的扇区I 逆变器开关状态编码序列为000 100 110 111 110 100 000 将三角波周 期TPWM作为定时周期 与切换点Tcmp1 Tcmp2 Tcmp3比较 从而调制出SVPWM波 其输出 波形如图2 15所示 同理 可以得到其它扇区的波形图 000 U 0 U 60 U 111 U 60 U 0 U 000 U PWMA PWM PWM t 1 T 2 0 T 4 2 T 2 0 T 4 2 T 2 1 T 2 0 T 4 0 T 4 111 U 000 100 110 111 110 100 000 TaTbTc 111 图 2 4 扇区 I 内三相 PWM 调制方式 1 3 参数计算参数计算 基准相电压V4160 32401 7 3 R B V VV 基准电流 6 10 3 4160 3 138 8 3 R B B S IA V 基准阻抗V A4160 3 240 3 17 3 B B B V Z I 又功率因素为 0 95 有 设基准电阻为 X 基准电抗为 Y 则有 2 2 17 3 0 90 31 xY 22 0 95 X XY 因此线路总漏电感 其中 5883V 3 dcaref VmV 2 simulink 仿真得到的波形仿真得到的波形 其中 a 为 VAB的波形 b 为 iA的波形 c 为 VAB的 THD d 为 iA的 THD a b c d 图图 A ma 0 4 f 30HZ a b c d 图图 B ma 0 4 f 60HZ a b c d 图图 C ma 0 8 f 60HZ a b c d 图图 D ma 0 8 f 30HZ 3 结论结论 1 VAB的波形并非半波对称 它包含有奇次谐波和偶次谐波 2 由于负载电感的滤波效果 iA的 THD 远小于 VAB的 THD 这是 由于收到了负载电感滤波的影响 3 电压和电流的谐波以边带形式出现 采样频率及倍频为中心分布 在两边 4 几波电压与调制因素成正比 5 VAB的 THD 睡着 ma的增加而减小 6 每半个基波周期中的脉冲个数 Np对 THD 的影响不大 附图二 附