三相SVPWM逆变电路MATLAB仿真

1、基于电压空间矢量控制的三相逆变器的研究1、svpwm 逆变电路的基本原理及控制算法图 1.1 中所示的三相逆变器有6 个开关，其中每个桥臂上的开关工作在互补状态， 三相桥臂的上下开关模式得到八个电压矢量，包括6 个非零矢量 (001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)和两个零矢量(000)、(111). 图 1.-1 三相桥式电压型有源逆变器拓扑结构在平面上绘出不同的开关状态对应的电压矢量，如图1.2所示。由于逆变器能够产生的电压矢量只有8个，对与任意给定的参考电压矢量，都可以运用这8个已知的参考电压矢量来控制逆变器开关来合成。3u(011)1u(001)5u(101

2、)4u(100)6u(110)2u(010)0u(000)7u(111)cuuu1svu2svu3svu图 1.2 空间电压矢量分区图1.2中，当参考电压矢量在1扇区时，用1扇区对应的三个空间矢量usv1、usv2、usv3来等效参考电压矢量。若1.2 合成矢量refu所处扇区 n的判断三相坐标变换到两相坐标：)()()(23-23021-21-132)()(tttttuuuuucoboao（1.1 ）根据u、u的正负及大小关系就很容易判断参考电压矢量所处的扇区位置。如表 1.1 所示。表 1.1 参考电压矢量扇区位置的判断条件判断条件u0 u0 uu3uu3uu3uu30u0u0u0un 1

3、 3 5 6 2 4 可以发现，扇区的位置是与u、uu3及uu3的正负有关。为判断方便，我们设空间电压矢量所在的扇区n n=a+2b+3c （1.2 ）其中，如果u0，那么 a=1,否则a=0 如果uu30，那么 b=1,否则b=0 如果uu30，那么 c=1,否则c=0 1.3 每个扇区中基本矢量作用时间的计算在确定参考电压矢量的扇区位置后，根据伏秒特性等效原理， 采用该扇区三个顶点所对应的三个电压空间矢量来逼近参考电压矢量。以参考电压矢量位于3扇区为例，如图 1.3 所示，参考电压uref与u4的夹角为。)100(4u)110(6u60tu26tu14tusref图 1.3 电压空间矢量合

4、成示意图根据伏秒特性等效原理算出ttttvtutvtuutsdcsrefdcsrefref2102133321（1.3）开关周期ts与tt21未必相等，其间隙时间可用零矢量u7或u0来填补。引入通用变量 x，y，z uuvtuuvtuvtdcsdcsdcszyx3333322（1.4）根据前面确定的扇区标号n，可得到空间矢量所处的扇区与两个边界矢量t1、t2作用时间的关系，如表 1.2所示表1.2 扇区编号与计算时间的关系n 1 2 3 4 5 6 t1z y -z -x x -y t2y -x x z -y -z t3tttts210当t1+t2ts时，达到饱和状态就要对矢量作用时间应作出限

5、制。t1、t2做如下修正：ttttttttttss212*2211*1（1.5）2.2.3 电压空间矢量切换点的计算计算出相邻两个空间电压矢量的作用时间后，则应确定每个空间电压矢量开始作用的时刻， 以第3扇区为例，其所产生的三相波调制波形在时间ts时段中如图2.5所示。采用七段式空间矢量合成方式， 每个扇区的合成矢量均以零矢量(000)开始和结束，中间用零矢量（ 111）, 其余时间有效矢量合理安排。如图1.4所示。零矢量（000 ）零矢量（111 ）矢量b矢量b零矢量（000 ）矢量a矢量a图1.4 基本电压矢量分配将零矢量周期分成三段， 其中矢量uref的起、终点上均匀分布矢量u0，而在矢

6、量uref中点处分布矢量u7，且tt07。电压向量出现的先后顺序为u0、u4、u6、u7、u6、u4、u0，各电压向量的三相波形则与开关表示符号相对应。矢量的切换点为：4/2/4/2/4/21221121ttttttttttttttttsbcsabsa（1.6）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。其它各扇区的开关切换顺序同理，如表1.3 所示。表 1.3 各扇区时间切换点n 1 2 3 4 5 6 tatbtatatctctbtbtatctbtbtatctctctbtctatbta载波为等

7、腰三角波，且宽为开关周期ts，这样通过三角载波调制产生pwm信号去控制逆变器的三相开关做出相应的动作，使之产生的输出电压跟随参考电压，达到了逆变的目的。2 svpwm 控制三相有源逆变的matlab 仿真2.1 svpwm 控制算法的仿真实现利用 simulink 环境下的丰富模型，可以很方便的实现上一节所述的svpwm控制算法。实现 svpwm 算法的各个子系统模型如下所示：1）将三相静止坐标系（，）中的au、bu、cu转换成两相垂直静止坐标系（，）中的u、u。在 simulink中，其实现框图如图2.1 所示：2ubeta1ualpha-k-gain3-k-gain20.5gain10.5

8、gainadd1add1uabc图 2.1 au、bu、cu转换成u、u模型框图2）计算参考电压矢量refu所处的扇区。根据u和u的关系判断参考电压矢量refu所在的扇区 sn， 只需要经过简单的加减及逻辑运算即可确定其所在的扇区。在 simulink 中，其实现框图如图2.2 所示：1snswitch2switch1switchsubtract2subtract1subtractscopesaturation123456multiportswitch4gain32gain21/2gain1-k-gain0constant11constant5341622ubeta1ualpha图 2.2 参

9、考电压矢量所处扇区判断模型框图3）产生驱动波形。 将三角载波周期st作为定时器周期， 与切换点aont，bont，cont比较，从而调制出 svpwm 波形，其仿真模块如图2.3 所示：1pwmsubtract2subtract1subtractscope4scope3scope2scope1scoperepeatingsequencerelay2relay1relaydoubledata type conversion2doubledata type conversion1doubledata type conversionnotnotnot3tcon2tbon1taon图 2.3 驱动模型

10、pwm 产生模型框图以上给出了在 simulink中实现 svpwm 控制算法的各个子系统的框图，而图2.4 为实时产生svpwm 波形并控制开关管的开关来达到逆变效果的整个仿真框图。给定采样周期st和直流母线电压dcu，参考电压矢量refu在 a，b，c轴系下的分量由三相对称正弦电压au，bu，cu提供，输出脉冲即为实时产生的svpwm波。 a b caababccdiscrete,ts = 1e-006 s.powerguiv+-v+-v+-v+-v+-gabc+-universal bridgeucubuascope5scope4scope3scope2scopeuabcpwmsvpwm

11、 controlr rabcabcli+-i+-i+-800v r a bca bc图 2.4 逆变模型总框图2.2 svpwm 控制算法仿真结果及分析逆变器输入的直流电等效为udc=800v，接到使用 igbt 的三相桥式逆变电路上；利用脉冲信号生成模块发出的六路pwm 信号对逆变桥路六个功率开关管进行 pwm 控制；从逆变桥路输出三相电压经过三对l 和 c 构成的低通滤波器及电抗器构成整个逆变回路。其中l=15mh，c=45pf，r=10?。仿真中，开关频率 20k，离散采样时间设为1e-006 秒，仿真时间定为0.5 秒，步长选为系统自动设定值，仿真求解器设为可变步长离散型求解器。仿真测

12、量结果如下：1）图 2.5为给定的三相正弦电压波形，abc 三相互差 120 度，220v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-200-150-100-50050100150200time/svoltage/v图 2.5 给定的三相正弦电压波形2） 图 2.6 为参考电压矢量refu所处的扇区。从图中可以看出扇区的选择顺序为 6，5，4，3，2，1， 。00.020.040.060.080.100.120.140.180.2011.522.533.544.555.56time/ssn图 2.6 扇区选择图3）图 2.7 为逆变器通过电压空间矢量控

13、制后逆变得到的a 相电压波形。从图中可以看出逆变得到的相电压为正弦波形，电压峰值为257v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-250-200-150-100-50050100150200250time/svoltage/v图 2.7 逆变后 a相的电压波形4）图 2.8 为逆变器通过电压空间矢量控制后逆变得到的线电压波形。从图中可以看出逆变得到的线电压为正弦波形，电压峰值为445v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-500-400-300-200-1000100200300400500time/

14、svoltage/v图 2.8 逆变后线电压波形6）图 2.9 为逆变器通过电压空间矢量控制后逆变得到的三相电压波形。从图中可以看出逆变得到的三相电压为正弦波形，三相波形互差 120度，电压峰值为 257v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-300-200-1000100200300time/svoltage/s图 2.9 逆变后三相电压波形7）图 2.10 为逆变器通过电压空间矢量控制后逆变得到的三相电流波形。从图中可以看出逆变得到的三相电流为正弦波形，三相波形互差 120度，电流峰值为 26a。00.020.040.060.080.100.

15、120.140.160.180.20-30-20-100102030time/svoltage/s图 2.10 逆变后三相电流波形3 总结通过学习现代电力电子这门课， 我学习了逆变电路的几种控制方法，本文主要介绍了电压空间矢量控制法。 首先对三相桥式电压型有源逆变器进行了研究分析，随后介绍了svpwm 调制技术的基本原理以及svpwm 的控制算法，主要包括三相电压变两相电压， 合成矢量所处的扇区判断， 每个扇区中基本空间矢量作用的时间和电压空间矢量切换点的计算。最后通过采用matlab 仿真软件，对svpwm 控制算法的实现进行了建模仿真，其仿真结果与理论分析的一致性证明了推导出的 svpwm 控制算法的正确性。本次仿真实现了采用svpwm 控制法将 800v 的直流电压逆变成了三相交流电，实现逆变的功能。4 参考文献1 林渭勋 . 现代电力电子技术. 北京：机械工业出版社.2005