三相三電平逆變器SVPWM算法文檔

1、基于matlab的三相三電平逆變器SVPWM算法2010-11-8 19:51:00 來(lái)源：作者：里摘要：本文介紹了二極管中點(diǎn)箝位式三電平電壓型逆變器為主電路的逆變裝置，詳細(xì)分析了三相三電平逆變器 SVPWM傳統(tǒng)算法的原理，詳細(xì)闡述了 SVPWM波形 發(fā)生的方法，在Matlab/simulink里以三電平逆變器為對(duì)象進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果與二電平進(jìn)行了比較，結(jié)果證實(shí)了三電平控制方法的有效性和模型的正確性，為三電平逆變器的研究提供了一個(gè)有效的參考。伴隨著高速列車(chē)的引進(jìn)，我國(guó)鐵路事業(yè)進(jìn)入了高速時(shí)代，其中對(duì)CRH2機(jī)車(chē)關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)有突破性進(jìn)展。該車(chē)上的變頻裝置屬于大容量、高電壓變頻裝置，由于

2、目前的單管容量以及傳統(tǒng)的兩電平的控制方式均無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用要求，于是采用三電平控制器，三電平可以使開(kāi)關(guān)器件承受的壓降降低、改善輸出波形的波形質(zhì)量、減小逆變 器和負(fù)載收到的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，采用在高速列車(chē)動(dòng)車(chē)組上。所謂三電平每相橋臂由 4個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)組成，直流回路中性點(diǎn)0(其電位為 零)由2個(gè)箝位二級(jí)管引出，分別接到上、下橋臂的中間，這樣，每個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件的耐壓值可降低一半，故結(jié)構(gòu)更適合于中壓大功率交流傳動(dòng)控制，這也是目前廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三電平中點(diǎn)箝位式逆變器主電路如圖1所示。圖1三電平中點(diǎn)鉗位式逆變器主電路三電平逆變器的Park矢量為(1)通常，逆變器利用開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷經(jīng)由各相只

3、輸出+Udc/2 , 0, -Udc/2三種電壓，通式(1)變換，輸出電壓矢量?jī)H有 27種類(lèi)型，也就是說(shuō)逆變器輸出 27種基本矢量,如表1所示。這里，一般將幅值為 2Udc/3的矢量定義為大電壓矢量，如 PNN , PPN; 幅值為3 Udc/3的矢量定義為中電壓矢量，如 PON;幅值為Udc/3的矢量定義為小電 壓矢量，如POO, ONN。以上三類(lèi)矢量可以分別簡(jiǎn)稱(chēng)為大矢量、中矢量和小矢量?；臼噶款?lèi)型長(zhǎng)矢量中矢量短矢量對(duì)應(yīng)的三相輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)pnn ppn npn npp nnp pnpPop opn npo nop onp pnoPoo onn ppo oon opo non Opp noo

4、 opp noo pop non零矢量Ppp ooo nnn表1三電平矢量表為了實(shí)現(xiàn)三電平逆變器的SVPWM控制，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，應(yīng)分為一下三個(gè)步驟：（1）區(qū)域判斷。找出合成參考電壓矢量的三個(gè)基本矢量。（2）時(shí)間計(jì)算。確定三個(gè)基本矢量的作用時(shí)間，即每個(gè)矢量對(duì)應(yīng)的占空比。（3）時(shí)間狀態(tài)分配。確定各個(gè)基本矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及作用次序，將基本矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間分配給相應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，完成對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制。1、區(qū)域判斷傳統(tǒng)算法根據(jù)三電平基本空間矢量圖將整個(gè)矢量空間先分成6個(gè)大區(qū)域，再將每個(gè)大區(qū)域分成4個(gè)小區(qū)域。由于基本空間矢量中的短矢量在每個(gè)采樣周期中出現(xiàn)的次數(shù) 多，為了算法及仿真的準(zhǔn)確性，本文將每個(gè)

5、大區(qū)域細(xì)分成6個(gè)小區(qū)域。按照這樣的劃分方法，傳統(tǒng)三電平SVPWM算法的區(qū)域劃分如圖 2所示。用I、II、III , IV、V、VI表示大區(qū)域，用 1 , 2, 3, 4, 5, 6表示小區(qū)域。大區(qū)域按照矢量角度每 60。為一區(qū)劃分，因此可以按照參考電壓矢量的角度判斷其所 在的大區(qū)域。根據(jù)小區(qū)域的區(qū)域分布情況和幾何關(guān)系，可以按照以下方法判斷參考電壓矢量所在的小區(qū)域。圖2某一個(gè)大扇區(qū)下小區(qū)域劃分（一）大區(qū)域的判斷方法和兩電平的基本一致，但這里用了一個(gè)傳統(tǒng)的方法來(lái)判斷大扇區(qū)。當(dāng)在電機(jī)上加三相正弦電壓時(shí)，電機(jī)氣隙中產(chǎn)生圓形的磁鏈。然后我們講這個(gè)三個(gè)相差120°的正弦電流按照式（1）進(jìn)行矢量合

6、成 ，然后對(duì) 進(jìn)行幅值和相角的變 換。這時(shí)得到一個(gè)相角不斷變化的數(shù)值，再利用Matlab中Fun模塊的ceil （ceil:朝正無(wú)窮方向舍入）功能對(duì)其進(jìn)行大扇區(qū)的判斷。得到扇區(qū)的值N。下面進(jìn)行小扇區(qū)的判斷。（二）小扇區(qū)的判斷 三、作用時(shí)間計(jì)算判斷出參考矢量所在的區(qū)域后，根據(jù)伏秒平衡方程組 解出、即完成了傳統(tǒng)三電平 SVPWM算法對(duì)基本空間矢量作用時(shí)間的計(jì)算。 區(qū)域范圍內(nèi)的基本矢量作用時(shí)間如表1所示中*十弓呢+&曜吧f（?1解出、即完成了傳統(tǒng)三電平 SVPWM算法對(duì)基本空間矢量作用時(shí)間的計(jì)算。區(qū)域范圍內(nèi)的基本矢量作用時(shí)間如表1所示表1基本矢量作用時(shí)間表區(qū)域QT3I次K sin gT, 1

7、-2如q為2kTs EinTthyr次£灑弓一I71-2 虹 in eI 4口Tt 9如+力 7丁I2Ta l-k£ir<+ 見(jiàn)2kTs sin 9I g2Tt 1-扁吟+旬2康如2-1»大扇區(qū)跟據(jù)以上表格可以找到規(guī)律如下，大扇區(qū)一三五的作用時(shí)間的變化規(guī)律一樣，二四六的作用時(shí)間的變化規(guī)律一樣，就只分析大扇區(qū)一和二。這樣可以得到作用時(shí) 間、，于是大扇區(qū)第二小扇區(qū)的作用時(shí)間只要調(diào)整下輸出時(shí)間的順序，即按上 圖將作用時(shí)間按順序 、的順序輸出。同樣原理，將其他扇區(qū)的仿真模型搭建出 來(lái)，按照規(guī)律只講輸出的順序調(diào)換一下就可以將作用時(shí)間構(gòu)建出來(lái)?？梢灾v第二大扇區(qū)的計(jì)算時(shí)間

8、模塊搭建出來(lái)。下一步的工作就是根據(jù) 擇使用的作用時(shí)間， 利用選擇開(kāi)關(guān)按照小扇區(qū)的作用順序n在內(nèi)部，序N在外部的原則，選擇整個(gè)區(qū)域的作用時(shí)間。四、時(shí)間狀態(tài)分配時(shí)間狀態(tài)分配的目的是確定各個(gè)基本矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及作用次序，應(yīng)的作用時(shí)間分配給相應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，生成主電路開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)波形，用同樣的方法也的扇區(qū)位置選大扇區(qū)的作用順將基本矢量對(duì)完成對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制，是三電平SVPWM算法的關(guān)鍵部分。把負(fù)短矢量作為每個(gè)采樣周期的起 始矢量，實(shí)現(xiàn)七段式時(shí)間分配，每個(gè)區(qū)域的基本矢量作用時(shí)間是、是按照以短矢量為每個(gè)采樣周期起始矢量的次序排列的，因此所有區(qū)域的七段式時(shí)間分配是一樣的，不同的是、的值。所以每個(gè)區(qū)域都可

9、以用相同的七段式時(shí)間分配仿真模塊。七段式仿真模塊不是將作用時(shí)間與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，而是通過(guò)時(shí)間疊加產(chǎn)生含有與矢量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息的梯形波 M ,作為下一個(gè)矢量狀態(tài)次序仿真模塊的選擇信號(hào)或分 配信號(hào)。根據(jù)狀態(tài)的作用次序原則，每個(gè)采樣周期以負(fù)短矢量作為起始矢量，以0,1, 2表示矢量狀態(tài)n, o, p,則表2為矢量狀態(tài)次序仿真數(shù)據(jù)表中扇區(qū)一和二的次序。表2大扇區(qū)一和二的矢量狀態(tài)次序表區(qū)域矢量狀態(tài)次序i 1100 110 111 211 111 110 100I 2110 111 211 221 211 111 110I 3100 110 210 211 210 110 100I 4110 210 2

10、11 221 211 210 110I 5100 210 211 221 210 200 100I 6110 200 210 211 210 200 100n 1110 111 121 221 121 111 110n 2010 110 111 121 111 110 010n 3110 120 121 221 121 120 110n 4010 110 120 121 120 110 010n 5110 120 220 221 220 120 110n 6010 020 120 121 120 020 010矢量狀態(tài)次序仿真模塊是層層包含，逐層深入的結(jié)構(gòu)，從里向外第一層是小區(qū)矢量狀態(tài)次序，第

11、二層是大區(qū)內(nèi)的小區(qū)選擇，第三層是整個(gè)區(qū)域的矢量狀態(tài)次序，模型特點(diǎn) 是大量使用SIMULINK的多路選擇開(kāi)關(guān)器件排列矢量狀態(tài)次序和判斷所在區(qū)域最后 進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換總結(jié)以上仿真模型，我們可以很得到總的仿真模型如下圖5基的驚麻圖仿真結(jié)果加入三電平逆變橋和永磁同步電動(dòng)機(jī)后，測(cè)得輸出線(xiàn)電壓波形如下所示。同步電機(jī)參數(shù)如下：Rs=18.7,Ld=0.02682H,Lq=0.02682H,J=2.26e-5Kg.mA2,F=1.349e-5N.m.s,p=2, 負(fù)載在t=0.04s時(shí)加入轉(zhuǎn)矩T=0.5。為了與兩電平帶永磁同步電機(jī)的輸出特性曲線(xiàn)相比 較，加入兩電平輸出特性曲線(xiàn)如下，電機(jī)參數(shù)不變。仿真波形如下：1、線(xiàn)電壓區(qū)別而出 平齡.中,女圭由5球取注：三電平的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯比兩電平的要小兩成平在a 04s后加入電磁轉(zhuǎn)矩后的變化3、THD含量Fundamental (50H3 = 5W7 _THD= 6278%血抑順 l(50Hz)二翊 2Hk4),(E% 120 100306010200,0200 WO 600