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电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究_熊健.pdf

电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究_熊健

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2014-01-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究_熊健pdf》,可适用于IT/计算机领域

电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究ComparisonStudyofVoltageSpaceVectorPWMandConventionalSPWM华中理工大学熊健康勇张凯陈坚(武汉)摘要:在分析电压空间矢量调制(SVPWM)基本原理的基础上,证明了SVPWM具有最大的直流电压利用率。将SVPWM和常规SPWM进行了对照和分析。提出了一种与SVPWM等效的改进SPWM调制方法。另外,提出了一种与低开关损耗SPWM相对应的SVPWM实现方法,使开关损耗降低了。Abstract:Byanalyzingthebasicprincipleofvoltagespacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM),itisprovedthatthedcvoltageutilizationratioofSVPWMisthehighestSVPWMisComparedtoconventionalSPWMAmodifiedSPWMwhichhastheexactlysameeffectasSVPWMispresentedAnewrealizingmethodofSVPWMcorrespondingtoSPWMwithlowswitchinglossesisadvanced,Whichreducestheswitchinglossby叙词:逆变器电压空间矢量SPWM开关损耗Keywords:invertervoltagespacevectorSPWMswitchinglosses前言SPWM已被广泛应用于逆变器中。针队SPWM直流电压利用率低,又提出了一些改进办法,如三次谐波注入法。该方法有效地解决了直流电压利用率问题。但在电压闭环控制时存在调制波和注入的三次谐波注如何同步的问题。另外,传统的高频三角波与调制波比较生成PWM波的方式适合模拟电路,不便于数字化方案实现。年代中期,国外学者在交流电机调速中提出了磁通轨迹控制的思想,进而发展产生了电压空间矢量(spacevector)的概念。其物理概念清晰,算法简单且适合数字化方案,故一经提出即受到关注。SVPWM目前也已经得到应用。本文以逆变器为例,从分析电压空间矢量的原理入手,证明了SVPWM具有最高直流电压利用率。对SPWM和SVPWM输出波形的分析表明,典型的SVPWM实质是一种对在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变型SPWM。基于此,文中还给出了能生成SVPWM波形的改进SPWM实现方案。另外,基于SVPWM和SPWM的联系,针对另一种具有低开关损耗的改进SPWM方法,指出了一种它所对应的SVPWM实现方法。电压空间矢量调制图所示的逆变器共有八种开关状态。代入按下式定义的电压空间矢量:Ur=(uaejPubejPuc)()则得到图所示的基本电压空间矢量图,包括六个有效矢量(U~U,模长等于Ud)和两个零矢量(U,U)。图三相逆变器主电路图中Ux(SASBSC)xI{~}SA,B,C=上管通,下管断下管通,上管断流图电压空间矢量定义如果式()中的ua,b,c是频率为X,相电压峰值等于|Ur|的对称三相正弦波:ua=|Ur|cosXtub=|Ur|cos(XtP)uc=|Ur|cos(XtP)()那么,矢量Ur就是模长等于相电压峰值,以角频率X(H=Xt)按逆时针方向匀速旋转的空间矢量。反过来,一个这样的空间矢量在三相轴上电力电子技术年第期的投影就是对称的三相正弦量。按平行四边形法则,利用这八个基本矢量可以合成任意角度和模长的等效合成矢量Ur。如果匀速发出在一个圆周里均匀分布的等效合成矢量,也就得到了三相正弦量。一个周期里发出的合成矢量越多,说明采样频率越高。依平行四边形法则得:TUTU=TsUr()由式()解得:T=|Ur|Tssin(PH)UdT=|Ur|TssinHUdT=TsTTisHP()式()中,T、T不足时,插入零矢量补足。一般:T=kTT=(k)T�k()式中T、T)分别代表零矢量U、U的作用时间从式()、()可见,电压空间矢量在线性区调制的约束条件是:TTTs()它决定了直流电压为Ud,采用SVPWM调制的逆变器提供的最大电压。把()代入()得:|Ur|Udcos(PH)()对任意H值,()、()两式都成立。|Ur|的上限应是式()右边取值的下限,故逆变器输出相电压的极限峰值是Ud。反映在矢量图上,最大电压空间矢量的轨迹是图所示正六边形的内切圆。传统的SPWM最大相电压峰值是Ud。同等直流电压下,SVPWM的输出最大电压较常规SPWM高约。即SVPWM的调制度m可达()。以上推导过程并不涉及具体的矢量发送次序和k值大小。因此直流电压利用率高是SVPWM的本身特性。无论以何种方式产生SVPWM波形,只要满足()、()两式,它们的直流电压利用率都是一样的。进一步计算可知,SVPWM输出最大时,线电压峰值等于Ud,已达到直流母线电压。再增加就不是线性调制了。所以SVPWM的直流电压利用率也是最高的。图a以扇区Ñ为例,显示了在一个采样周期内一种典型的电压空间矢量各相开关波形。对其它扇区可依此类推。每个采样周期内各桥臂均开关一次。故一周内所发的总矢量数等于载波比。波形的产生由微控制器计算脉宽后再定时输出。改进的SPWM常规SPWM用三角波和对称的三相正弦波比较生成PWM波,这是一种相电压控制方式。调制度m最大为,故相电压的峰值最大为Ud,线电压峰值最大为Ud,直流电压利用率低。为此,在三相无中线系统的三相正弦调制波里适当注入三次谐波的零序分量,可把m提高到。这是因为常规的SPWM法,其三相系统的中点电位固定。而注入零序分量后,相电压波形不再是正弦,中点电位发生浮动,使m可以超过。零序电压分量在无中线系统里无法形成电流,而线电压波形则因两相间的零序分量相互抵消而仍为正弦。但把零序分量仅归结为三次谐波未免太简单。尤其在电压闭环调节的动态过程中,调制波的相位在变化,有时甚至调制波形不是正弦。如何确定注入三次谐波的相位有很大困难。下面提出的改进方案解决了这一问题。图b是三角波和调制波比较进行脉宽调制。(a)SVPWM的各相开关时刻(b)比较法的各相开关时刻图SVPWM及比较法的各相开关时刻仍以扇区Ñ为例,设三角波频率足够高,一个载波周期内调制波的值为常数。对照图a得:Ta=TTTTb=TTTc=T期()以三角波波谷时刻NTsTs(N为非负整数)作采样点,由相似三角形得:Ta,b,cTS=u**a,b,c(NTsTs)UdUd()电力电子技术年第期把式()代入式()进行适当变换,得到三相调制波:u**a,b,c=u*a,b,cu*zu*z=ku*a(k)u*c(k)()式中u*a,b,c)))加零序分量前的三相正弦调制波u**a,b,c)))加零序分量后三相调制波式()是在扇区Ñ里,一个周期内零序分量的表达式是:u*z=kmax(u*a,u*b,u*c)(k)#min(u*a,u*b,u*c)(k)()以上分析表明,在常规SPWM的各相调制波中加入式()的零序分量,可以得到和SVPWM完全相同的输出波形。图给出了实现框图,它适合用硬件电路完成。其中,三相最大值和最小值用一个三相不控整流桥求出。图不同m、k值下改进后的三相调制波和零序分量u*z波形图改进SPWM的调制波生成框图式()、()、()揭示了SVPWM和SPWM的内在联系,说明SVPWM是在SPWM的相调制波中加入了零序分量后,进行规则采样得到的结果。也可以把上述方案看作是一种SVPWM的硬件实现方法。图是在几组不同k、m值下的三相调制波u**a,b,c和零序分量u*z波形。图中各变量均以Ud为基准作归一化处理。从图可见,u*z的基频是X,但不仅仅是三次谐波。当k值不同时u*z的波形和位置不同。零序分量的加入,拉低了调制波的峰值。当m=时,正好满调制。图d也直观地说明了SVPWM的最大输出电压。低开关损耗的SVPWM算法文献,提出了一种低开关损耗的改进SPWM调制方法。它的调制波也是三相对称正弦加零序分量。这里零序分量的取值如下:u=Uptmax(u*a,u*b,u*c)u=Uptmin(u*a,u*b,u*c)u*z=u|max(u*a,u*b,u*c)||min(u*a,u*b,u*c)|u|max(u*a,u*b,u*c)||min(u*a,u*b,u*c)|()式中Upt)三角波峰值这种调制方式和SVPWM具有同等的直流电压利用率。更大的优点是:每个桥臂在每半个周波里有b的时间维持某一开关状态。故同等载波频率下,开关频率较SPWM少三分之一,因而降低约的开关损耗。这一方案是适合硬件实现的。那么,是否有方便的软件实现方法呢如图所示,分析SVPWM的基本矢量所对应的开关函数发现,相邻矢量的开关状态仅有一位不同。如果在合成矢量时,在一个扇区的范围里始终取某一固定零矢量,即k=或k=。那么,在b范围内,一定有一个桥臂是不动作的。一种取法是对扇区Ñ、Ó、Õ,k值取。对扇区Ò、Ô、Ö,k值取。但不是简单地把图a的U换成U(或U换成U)。如果这样做,那么在一个采样周期里,一个桥臂不动作,而另两个分别动作两次。于是一个周期的总开关次数反而会增加三分之一。以扇区Ñ为例,这时的发送次序和作用电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究时间应该是:U(T)yU(T)yU(T)yU(T)yU(T)图低损耗SVPWM在扇区Ñ的各相开关波形图低损耗SVPWM一个周期的各相电压波形图是以扇区Ñ为例,一个采样周期内的三相PWM波形。图则是一个周期内的三相PWM波形(载波比等于)。图中,C相的开关函数S始终等于零。图则清楚地显示A、B、C三相开关在一个周期里面分别有b时间不动作,所以开关损耗自然要低三分之一。结论SVPWM具有最高直流电压利用率。典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后,进行规则采样得到的结果。SVPWM和SPWM不是两种孤立的调制方式,它们之间有着内在的联系。SVPWM有其对应SPWM形式。反之,一些性能优越的SPWM方式也可以找到与之对应的SVPWM算法。只不过SPWM易于硬件电路实现,而SVPWM更适合于数字化控制系统。具体用哪一种则根据实际情况决定。当然,以微控制器为核心的数字化控制系统是发展趋势,所以SVPWM应是优先的选择。参考文献康勇高频大功率SPWM逆变电源输出电压控制技术研究博士论文华中理工大学,KauraV,BlaskoVOperationofaVoltageSourceConverteratIncreasedUtilityVoltageIEEETransonPowerElectronics,,():~刘志晖,陈坚等一种新颖的三相SPWM技术电力电子技术,,():~王兆安译电力半导体变流电路北京:机械工业出版社,VanderBroeckHW,etalAnalysisandRealizationofaPulseWidthModulatorBasedonVoltageSpaceVectorProcIEEEIASAnnuMeeting,Denver,CO,:~BlaskoVAnalysisofaHybridPWMBasedonModifiedSpacevectorandTrianglecomparisonMethodsIEEETransonIA,,():~收稿日期:定稿日期:作者简介熊健:男,年生,博士生。研究方向为电力电子技术及交流传动。电力电子技术年第期

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