空间矢量PWM控制的三相逆变器的仿真模型_百度文库

1、第28卷 第2期2006年4月三峡大学学报(自然科学版J of China T hree Go rg es U niv.(N atural SciencesV ol 128N o.2Apr 12006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摘要:基于空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM 的基本原理,在M atlab/Simulink 环境下构建了3种SVPWM 方法的仿真模型,通过与正弦脉冲宽度调制(SPWM 的比较表明基于SVPW

2、M 的三相逆变器具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分析,为交流励磁发电系统的进一步研究和设计打下了基础.关键词:空间矢量; 脉冲宽度调制; 仿真模型; M atlab/Simulink 中图分类号:TM 301.2 文献标识码:A 文章编号:1672-948X(200602-0112-04Simulation Model of Space -vector PWM Controlled Three -phase InverterH uang Kai Wang Bin(College o f Electrical

3、Engineering &Infor mation Science,China T hree Gorg es U niv.,Yichang 443002,ChinaAbstract T his paper builds sim ulation model o f three types of SVPWM metho ds based o n the basic principles of the space -vector pulse w idth mo dulation (SVPWM under M atlab/Sim ulink;and through com paring w i

4、th sine pulse width modulation (SPWM ,it is indicated that the SV PWM contro lled three -phase inverter has hig her utilizatio n efficiency o f DC vo ltag e,low er o utput line voltage harm onics and phase current har monics.The modeling method of the simulation m odel is simple,and the process of t

5、r ansfer is convenient.The mo del is suitable fo r simulation analysis of variable frequency -variable voltage electr ical source;and it offers the gro unds for the further research and design o f the AC ex citatio n generating system.Keywords space vector; pulse w idth mo dulation; simulatio n mode

6、l; M atlab/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态响应性能,同时还减小了电动机的转矩脉动等1.Sim ulink 是为Matlab 开发的一种优秀的控制系统仿真工具软件,它具有模块化、可重载

7、、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,其良好的人机界面和周到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 的基本原理,在Matlab/Sim ulink 环境下搭建3种SVP -WM 方法的仿真模型,最后通过与正弦脉冲宽度调制(SPWM 的比较以显示SVPWM 方法的优越性.1 SVPWM 的基本原理如图1,在一个调制周期T s_i 中,若设V *所在三角形区域的两相邻空间电压矢量V k 、V k +1施加时间分别为T k 、T k +1(k 是扇区的区号,k =16,零矢量(V 0、V 7的总施加时间为T 0

8、,则T k +T k +1+T 0=T s_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V 0或V 7使开关状态变化尽可能少,以降低开关损耗.任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂开关动作,以避免线电压半周期内产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3.对于扇区I,令V *与V k 间的夹角为H ,由正弦定律得:|V *T s_i |sin2P /3=|V k T k |sin(P /3-H =|V k+1T k+1|sin H (1将式(1化简,并考虑到|V k |=|V k +1|=2V dc /3,m a =3|V *|/V dc (/m a 为SVPWM

9、幅度调制系数,则:T k =m a T s_i sin(P /3-H T k+1=m a T s_i sin H T 0、7=T s_i -T k -T k+1(2如果参考电压矢量进入其它扇区,仍然能用公式(2计算矢量作用时间,但此时的辐角应该更新如下:H update =H -(k -1P /3(31.1 SV PW M 方法1双三角形合成SVPW M 方法对于扇区I,双三角形合成SV PWM 方法考虑零矢量(V 0、V 7分布的对称性,即在V *中心点施加矢量V 7,且作用时间为T 0/2;而在V *两端施加矢量V 0,且作用时间各为T 0/4.双三角形合成SVPWM 方法的脉冲波形如图2

10、. 图2 SV PW M 方法1的脉冲波形从该图分析得出:T a =T 0/4T b =T 0/4+T k /2T c =T 0/4+T k /2+T k+1/2在图24中,3种SVPWM 方法的脉冲P 1,P 2和P 3分别送往上桥臂开关S 1、S 3、S 5.1.2 SVPW M 方法2对于扇区I,SVPWM 方法2的零矢量V 0被均匀地分布在参考电压矢量V *的起点和终点,先走矢量V 1,然后再走矢量V 24.SVPWM 方法2的脉冲波形如图3.图3 SV P WM 方法2的脉冲波形从该图分析得出:T a =T 0/2,T b =T 0/2+T k .1.3 SVPW M 方法3对于扇区

11、I,SVPWM 方法3的零矢量V 0被均匀地分布在参考电压矢量V *的起点和终点,非零矢量V 2穿过V *中点,V 1被平均分配在V 2的两侧.SVPWM 方法3的脉冲波形如图4.图4 SV P WM 方法3的脉冲波形从该图分析得出:T a =T 0/2,T b =T 0/2+T k .2 Matlab/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-Gate sig -nals .包含-Dw elling time and sector #.和-Gating113第28卷

12、第2期 黄 凯等 空间矢量PW M 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-Dw elling tim e and secto r#.负责计算参考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-Gating pattern .利用子系统模块-Dw elling time and sector #.的计算结果来产生逆变器的脉冲宽度调制信号 .图5 基于SV PW M 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通过缓冲器-data store m em ory .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

13、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考电压矢量旋转到下一个位置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-data store memor y .读出,通过SVP -WM 脉冲发生模块产生SVPWM 脉冲波形.如图6所示,虚线框内结构体现3种SVPWM 方法的主要区别(该虚线框内是双三角形合成SVPWM 方法的主要结构 .图6 SV PWM 方法1脉冲发生模块 在M atlab/Simulink 软件环境下,其他2种SVPWM 方法的核心结构如图78.图7 SV

14、PW M 方法2核心结构图8 SV PW M 方法3核心结构3 仿真实验结果及分析仿真实验主要参数设置:T s_i =1/5400s,F 1=50H z,V L =220V.其中,T s_i 为开关周期;F 1为逆变器输出线电压和相电流的基波频率;V L 为线电压有效值.与上述参数设置相应的3种SV PWM 方法与SPWM 方法的线电压和相电流的频谱如图912,定义相电流i A 的波幅值为i A1,控制逆变器的输出电压为u A B .图9 SV PWM 方法1中u AB 和i A 的频谱114三峡大学学报(自然科学版 2006年4月 图10 SV PWM 方法2中u AB 和i A 的频谱图1

15、1 SV PWM 方法3中u AB 和i A 的频谱图12 SPWM 方法中u AB 和i A 的频谱从仿真结果中看出:(1对于SVPWM 方法,通过合理地选择、安排开关状态的转换顺序和通、断持续时间,可以减少逆变器状态转换时开关管状态转换的次数,降低开关损耗,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分量,使得逆变器输出线电压和相电流的总谐波系数T H D 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附近.所以PWM 开关频率越高,则逆变器输出的线电压、相电流波形越接近正弦波,但同时开关损耗也相应增加.对3种SV

16、PWM 方法与SPWM 方法进行仿真后的比较结果如表1.表1 3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T H D/%线电压 相电流SV PW M 方法190.0546.720.81SV PW M 方法289.9955.55 1.44SV PW M 方法390.0251.560.94SPW M 方法78.0058.261.004 结 语在M atlab/Simulink 环境下易于建立SV PWM 方法的仿真模型.基于SVPWM 方法的三相逆变器仿真模型具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分析,为交流励磁发电系统的进一步研究和设计打下了基础.参考文献:1 张崇巍,张 兴.P WM 整流器及其控制M .北京:机械工业出版社,2003.2 王