两电平电压源逆变器空间矢量调制方案

1、任务2:两电平电压源逆变器空间矢量调制方案周乐明 学号：S11092064电气2班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1.1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

2、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：rU out2Udc3(a2(2-1)则相电压 Van、Vbn、Ven，线电压 Vab、rVbc、Vca以及Uout（abc）的值如下表2-1所示（其中Ude为直流母线电压）表2-1开关组态与电压的关系abcVanVbnVcnVabVbcVcaUout00000000001002Udc

3、/3-Udc/3-Udc/3U dc0-Udc|Udc3010-Udc/32Udc/3-Udc/3-UdcUdc02 打-Udce 33110Udc/3Udc/3-2Udc/30Udc-Udc-U dce3001-Udc/3-Udc/32Udc/30-UdcUdcr.42 3一 U dee3101Udc/3-2Udc/3Udc/3U dc-Udc02 点 -U dee3011-2Udc/3Udc/3Udc/3-Udc0UdcU dcej3 dc1110000000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

4、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。图22电压空间矢量与对应的（abc）示意图1.2 SVPWM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Uout旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量（Uk和Uk+1 ）和零矢量（U。）在时间上的不同组合来得到。先作用的 Uk称为主矢量，后作用的 Uk+1称为辅矢量，作用的时间分别为Tk和Tk+1， U 000作用时间为T

5、o以扇区I为例，空间矢量合成示意图如图 2.3所示。根据平衡等效原则可以得到下式：TPWMU outTU 0T2U 60T0 (U 000或 U111 )(2-2)T1T2T0Tpwm(2-3)Ur1T1 UoTpwm(2-4) rt rU2-U60Tpwmrrrr式中，T1,T2, T0分别为U0, U60和零矢量U 000和U111的作用时间，B为合成矢量与主矢量的夹角。irU 60UiTiu U 0图2.3电压空间矢量合成示意图rr 1rUoutU1U2sin 2/3sin(/3 )sinrrr将式(2-29)及1 U 0 1=1U601= 2Ude/3 和 1Uout要合成所需的电压空

6、间矢量，需要计算Ti, T2, To,由图2.14可以得到:(2-5)=Um代入式(2-30)中，可以得到：U dc3(2-6)巧 UTpwm sinU dcTo皿(1亦出 )取SVPWM调制深度M、3Um /Ude，在 SVPWM调制中，要使得合成矢量在线性区域内调制，则要满足 UoutUm 2Ude/3，即 Mmax2/乜1.1547 1。由此可知，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 U

7、out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 a和U B表示参考电压矢量 Uout在a B轴上的分量，定义 Urefl, Uref2, Uref3三个变 量，令：U reflu(2-7)U ref2. 3u uU ref3'、3U U再定义三个变量 A, B, C通过分析可以得出：若 Uref1>0 ,贝V A=1，否则 A=0 ；若 U ref2>0，则 B=1，否则 B=0 ；若 U ref3>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

8、与扇区的对应关系Tpwmu 60utT1U01 PWMU60cos3(2-8)sin 3Table2-2 The corresp onding relati on ship betwee n N and sectorN315462扇区In出IVV(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:则上式可以得出:3TpwmC-3u(2-9)-3TpWMUdc(2-10)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:X3TPWM uUdcY' 3Tpwm/ )(u u )Udc2Z3TPWM(逅)(u u )Udc2可以得到各个扇区 、T2、T0作用的时间如下表

9、2-3所示。表2-3各扇区、T2、T0作用时间Table2-3 The effect time of T1、T2、T0 every sectorN123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-ZT0T pwm = Ts-T 1-T 2T2TpwM(2-11)如果当Tl + T2>TPWM，必须进行过调制处理，则令(3)确定各扇区矢量切换点 定义：Ta (TPWM T1 T2)/4Ta T1/2(2-12)Tc Tb T2/2二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、T cmp3Tabl

10、e2-4 The switching time of Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3 every sectorN123456T cmp1TbTaTaTcTcTbT cmp2TaTcTbTbTaTcT cmp3TcTbTcTaTbTa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Tp

11、wm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。1PWMAPWM BPWM C丁。/4 T1/2T2/2T0/4T0/4T2/2T1/2.T0/4.U 000 j卜U0i U60 ,U111U111U 60U0U 000(000)(100)(110)(111)(111)(110) (100) (000)图2.4扇区I内三相PWM调制方式1.3参数计算基准相电压VVr 4160/ 32401.7V V.3基准电流 Ib 106/3/(4160 / . 3) 138.8A 3Vb基准阻抗ZBV

12、b4160/ 3/(240 / . 3)17.3 V/A又功率因素为0.95,有设基准电阻为X，基准电抗为丫217.32则有0.90.95因此线路总漏电感其中 Vdcma*，3*Vref =5883V2. simulink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THDa)b)Fundamental (30Hz) - 25&4 IUD- 130 74%51015202530Harmonic order7 6 o o5 4 3 2 1 0 o.o'.OLoo.(sugepuL?右牢)s5乏c)Fundamental (3OHs) =

13、 GG.&1 , THD= 19 79%4 3 2 1 o (-sLICDUIEPUnLL40) bed)图 A ma=0.4 f=30HZa)b).21 CO 肯421 oo.o.o =吕U9lu-s-urfJO _£5esFundamental (60Hz> = 2579 THID= 13075%0246310121416Harmoni亡 orderc)Fundamental ($0Hz) = 62.31,7bD= 24.98%= EC m-gunLL15迟 mes024681012 U 16Harmonic orderd)图 B ma=0.4 f=60HZa)b)

14、Fundamental (GOH) 5165 THD= 60 0%(_Eluq>LUsunLi_£ 誤)gw.2JM0246810121416Harmonic orderc)Fundamental (6OH2) = 124-.6 THD= 20.20%024601012 U 16Harmonic orderd)图 C ma=0.8, f=60HZa)ISOb)Fundamental (30Hzi =5152 ,THD= 60.76%4 3OO-eFoEPPLInLJ-芯£>-?O-4llilllillii51015 2D 2530Harmonic orderc)

15、Fundamental OOHz) = 133.1 , THD= 14.92%(-EcaJEEplm 丄誤)一 mEWo3522051Hamomc orderd)图 D ma=0.8, f=30HZ3. 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的影响不大附图二：两电平电压源逆变器空间矢量调制 图图3.1整体模型图3.2 SVPWM仿真模型图图3.3中间变量XYZ匕曰in 1Multi portSwitchnMultiport'Switcfil图3.4 t1、t2时间的计算CZ)4j上-DU*CDLSfrtihiItiport"Itch*QDian2*CCjtsmil图3.5计算切换时间tcml tcm2 tcm3R«ofi«iing feeflirf