空间矢量PWM控制的三相逆变器的仿真模型

空间矢量PWM控制的三相逆变器的仿真模型.空间矢量PWM控制的三相逆变器的仿真模型.15/15空间矢量PWM控制的三相逆变器的仿真模型.第28卷第2期2006年4月三峡大学学报(自然科学版JofChinaThreeGorgesUniv.(NaturalSciencesVol128No.2Apr12006收稿日期:2005-12-07作者简介:黄凯(1980-,男,硕士研究生,主要研究方向为电力传动与控制.空间矢量PWM控制的三相逆变器的仿真模型黄凯王斌(三峡大学电气信息学院,湖北宜昌443002大纲:基于空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM的基根源理,在Matlab/Simulink环境下成立了3种SVPWM方法的仿真模型,经过与正弦脉冲宽度调制(SPWM的比较表示基于SVPWM的三相逆变器拥有较高的直流电压利用率,较少的输出线电压谐波和相电流谐波.该仿真模型建模方法简单,调用方便,适合于变频变压电源的仿真解析,为交流励磁发电系统的进一步研究和设计打下了基础.要点词:空间矢量;脉冲宽度调制;仿真模型;Matlab/Simulink中图分类号:TM301.2文件表记码:A文章编号:1672-948X(200602-0112-04SimulationModelofSpace-vectorPWMControlledThree-phaseInverterHuangKaiWangBin(CollegeofElectricalEngineering&InformationScience,ChinaThreeGorgesUniv.,Yichang443002,ChinaAbstractThispaperbuildssimulationmodelofthreetypesofSVPWMmethodsbasedonthebasicprinciplesofthespace-vectorpulsewidthmodulation(SVPWMunderMatlab/Simulink;andthroughcomparingwithsinepulsewidthmodulation(SPWM,itisindicatedthattheSVPWMcontrolledthree-phaseinverterhashigherutilizationefficiencyofDCvoltage,loweroutputlinevoltageharmonicsandphasecurrentharmonics.Themodelingmethodofthesimulationmodelissimple,andtheprocessoftransferisconvenient.Themodelissuitableforsimulationanalysisofvariablefrequency-variablevoltageelectricalsource;anditoffersthegroundsforthefurtherresearchanddesignoftheACexcitationgeneratingsystem.Keywordsspacevector;pulsewidthmodulation;simulationmodel;Matlab/Simulink空间矢量PWM(SVPWM控制策略是依据变流器空间电压(电流矢量切换来控制变流器.空间矢量PWM控制策略早期由日本学者在20世纪80年代初针对交流电动机变频驱动而提出的,其主要思路在于抛弃原有的正弦波脉宽调制(SPWM,而是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场,从而在不高的开关频率条件下,使交流电动机获得较SPWM控制更好的性能,主要表现在:SVPWM提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动向响应性能,同时还减小了电动机的转矩脉动等[1].Simulink是为Matlab开发的一种优秀的控制系统仿真工具软件,它拥有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点,可大大提高系统仿真的效率和可靠性,其优秀的人机界面和周密的帮助功能使得它广为科技界和工程界的研究人员所应用[2].将基于空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM的基根源理,在Matlab/Simulink环境下搭建3种SVP-WM方法的仿真模型,最后经过与正弦脉冲宽度调制(SPWM的比较以显示SVPWM方法的优越性.1SVPWM的基根源理如图1,在一个调制周期Ts_i中,若设V*所在三角形地域的两相邻空间电压矢量Vk、Vk+1施加时间分别为Tk、Tk+1(k是扇区的区号,k=1~6,零矢量(V0、V7的总施加时间为T0,则Tk+Tk+1+T0=Ts_i.图1空间电压矢量分区及合成对于零矢量的选择,主要考虑选择V0或V7使开关状态变化尽可能少,以降低开关耗费.任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂开关动作生的反极性电压脉冲和反向转矩造成转矩脉动和电磁噪声k间的夹角为H,由正弦定律得:

,以防备线电压半周期内产[3].对于扇区I,令V*与

V|V*Ts_i|sin2P/3=|VkTk|sin(P/3-H=|Vk+1Tk+1|sinH(1将式(1化简,并考虑到|Vk|=|Vk+1|=2Vdc/3,ma=3|V*|/Vdc(/ma为SVPWM幅度调制系数,则:Tk=maTs_isin(P/3-HTk+1=maTs_isinHT0、7=Ts_i-Tk-Tk+1(2若是参照电压矢量进入其他扇区,依旧能用公式(2计算矢量作用时间,但此时的辐角应该更新以下:Hupdate=H-(k-1P/3(31.1SVPWM方法1双三角形合成SVPWM方法对于扇区I,双三角形合成SVPWM方法考虑零矢量(V0、V7分布的对称性,即在V*中心点施加矢量V7,且作用时间为T0/2;而在V*两端施加矢量V0,且作用时间各为T0/4.双三角形合成SVPWM方法的脉冲波形如图2.图2SVPWM方法1的脉冲波形从该图解析得出:Ta=T0/4Tb=T0/4+Tk/2Tc=T0/4+Tk/2+Tk+1/2在图2~4中,3种SVPWM方法的脉冲P1,P2和P3分别送往上桥臂开关S1、S3、S5.1.2SVPWM方法2对于扇区I,SVPWM方法2的零矢量起点和终点,先走矢量V1,尔后再走矢量

V0被平均地分布在参照电压矢量V2[4].

V*的SVPWM方法2的脉冲波形如图3.图3SVPWM方法2的脉冲波形从该图解析得出:Ta=T0/2,Tb=T0/2+Tk.1.3SVPWM方法3对于扇区I,SVPWM方法3的零矢量V0被平均地分布在参照电压矢量起点和终点,非零矢量V2穿过V*中点,V1被平均分配在V2的两侧.

V*的SVPWM方法3的脉冲波形如图4.图4SVPWM方法3的脉冲波形从该图解析得出:Ta=T0/2,Tb=T0/2+Tk.2Matlab/Simulink建模3种SVPWM方法的主要部分是计算每个开关周期中各个合成矢量的作用时间和产生基于上述作用时间的SVPWM脉冲.仿真模型主图5中,脉冲发生模块-Gatesig-nals.包含-Dwellingtimeandsector#.和-Gating113第28卷第2期黄凯等空间矢量PWM控制的三相逆变器的仿真模型pattern.2个子系统模块:子系统模块-Dwellingtimeandsector#.负责计算参照电压矢量所在扇区的区号和各个合成矢量的作用时间;子系统模块-Gatingpattern.利用子系统模块-Dwellingtimeandsector#.的计算结果来产生逆变器的脉冲宽度调制信号.图5基于SVPWM的三相逆变器仿真模型这2个子系统模块之间的数据交换是经过缓冲器-datastorememory完.成的.参考电压矢量是以步进的方式旋转的,每一次步进表示经过一次开关周期,即等效为一次采样.一个触发系统被用来计算各个合成矢量在每一个开关周期的作用时间,在每一个开关周期内,各个合成矢量的作用时间保持不变直到参照电压矢量旋转到下一个地址[5].为了产生SVP-WM脉冲,把触发系统写入的扇区区号和各个合成矢量作用时间从-datastorememory读.出,经过SVP-WM脉冲发生模块产生SVPWM脉冲波形.如图6所示,虚线框内结构表现3种SVPWM方法的主要差异(该虚线框内是双三角形合成SVPWM方法的主要结构.图6SVPWM方法1脉冲发生模块在Matlab/Simulink软件环境下,其他2种SVPWM方法的核心结构如图7~8.图7SVPWM方法2核心结构图8SVPWM方法3核心结构仿真实验结果及解析仿真实验主要参数设置:Ts_i=1/5400s,F1=50Hz,VL=220V.其中,Ts_i为开关周期;F1为逆变器输出线电压和相电流的基波频率;VL为线电压有效值.与上述参数设置相应的3种SVPWM方法与SPWM方法的线电压和相电流的频谱如图9~12,定义相电流iA的波幅值为iA1,控制逆变器的输出电压为uAB.图9SVPWM方法1中uAB和iA的频谱114三峡大学学报(自然科学版2006年4月图10SVPWM方法2中uAB和iA的频谱图11SVPWM方法3中uAB和iA的频谱图12SPWM方法中uAB和iA的频谱从仿真结果中看出:(1对于SVPWM方法,经过合理地选择、安排开关状态的变换序次和通、断持续时间,可以减少逆变器状态变换时开关管状态变换的次数,降低开关耗费,从而提高直流电压利用率.(2由于双三角形空间矢量合成PWM方法脉冲的对称性,从而有效地降低了谐波重量,使得逆变器输出线电压和相电流的总谐波系数THD最少.(3PWM谐波有一个共同点:谐波主要分布于开关频率及其整数倍周边.所以PWM开关频率越高,则逆变器输出的线电压、相电流波形越凑近正弦波,但同时开关耗费也相应增加.对3种SVPWM方法与SPWM方法进行仿真后的比较结果如表1.表13种SVPWM方法与SPWM方法的比较结果方法直流电压利用率/%总谐波系数THD/%线电压相电流SVPWM方法190.0546.720.81SVPWM方法289.9955.551.44SVPWM方法390.0251.560.94SPWM方法78.0058.261.004结语在Matlab/Simulink环境下易于成立SVPWM方法的仿真模型.基于SVPWM方法的三相逆变器仿真模型拥有较高的直流电压利用率,较少的输出电压谐波.该仿真模型建模方法简单,调用方便,很适合变频变压电源的仿真解析,为交流励磁发电系统的进一步研究和设计打下了基础.参照文件:张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业初版社,2003.王沫然.Simulink4建模及动向仿真[M]