劉 娜,張旭輝

(河南城建學(xué)院,河南平頂山467036)

0 引言

空間矢量脈沖寬度調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)是電力電子的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。與傳統(tǒng)的SPWM相比,這種調(diào)制方式下功率器件開(kāi)關(guān)次數(shù)減少1/3,直流電壓利用率提高15%。由于其易于實(shí)時(shí)控制,控制方法簡(jiǎn)單,數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便,因此,SVPWM技術(shù)廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域。

1 SVPWM調(diào)制的基本原理

圖1中的三相電壓型逆變電路由三個(gè)橋臂構(gòu)成,每個(gè)橋臂有上下2個(gè)開(kāi)關(guān)管,其開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ),實(shí)際調(diào)制過(guò)程中為避免上下開(kāi)關(guān)管直通,會(huì)加入死區(qū)時(shí)間[2]。通常定義Sa,b,c=1為上橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的狀態(tài),Sa,b,c=0為上橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)的狀態(tài),則S=(Sa,Sb,Sc)有圖2所示的8種開(kāi)關(guān)矢量,其中6個(gè)非零矢量,2個(gè)零矢量。SVPWM的調(diào)制原理是在一個(gè)周期T內(nèi),控制鄰近參考電壓矢量和2個(gè)零矢量的作用時(shí)間,使其綜合作用效果在平均伏秒意義上與參考電壓矢量等效。

圖1 三相電壓型逆變電路

圖2 電壓空間矢量

SVPWM的調(diào)制步驟為[3-4]：

⑴判斷參考電壓矢量所在扇區(qū);

⑵計(jì)算與參考電壓矢量相鄰的兩個(gè)電壓矢量作用時(shí)間;

⑶確定電壓矢量的作用順序,計(jì)算開(kāi)關(guān)作用時(shí)間,生成SVPWM波。

2 基于PSPICE的SVPWM仿真實(shí)現(xiàn)

PSPICE軟件中的ABM(Analog Behavioral Modeling)具有條件判斷、函數(shù)賦值的功能,通過(guò)函數(shù)模塊的合理組合還可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)算,因此很適合用于SVPWM發(fā)波方式的實(shí)現(xiàn)[5]。圖3為電壓矢量的扇區(qū)判斷流程。

若電壓矢量在第一扇區(qū),且其相鄰矢量(100)、(110)和零矢量(000)、(111)的作用時(shí)間分別為T(mén)1、T2、T0,則七段式的分配方式如圖4所示。調(diào)制實(shí)現(xiàn)中,以ABM的受控電壓源模塊產(chǎn)生圖5所示的鋸齒波作為參考值,根據(jù)圖4中各矢量的分配時(shí)間分別給定A、B、C三相橋臂上管VT1、VT2、VT3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。以A相為例：0-T0/4時(shí)段,VT1驅(qū)動(dòng)給低電平信號(hào);T0/4-(Ts-T0/4)時(shí)段,VT1驅(qū)動(dòng)給高電平信號(hào);(Ts-T0/4)-Ts時(shí)段,VT1驅(qū)動(dòng)給低電平信號(hào)。其余兩相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給定方法相同。圖1中逆變電路三個(gè)橋臂的中點(diǎn)A、B、C輸出即為SVPWM調(diào)制的三相交流電壓。

圖3 電壓矢量的扇區(qū)判斷過(guò)程

圖4 第Ⅰ扇區(qū)SVPWM電壓矢量作用圖

圖5 SVPWM發(fā)波方式實(shí)現(xiàn)

3 仿真結(jié)果分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)定圖1中直流側(cè)電壓UDC=300 V,參考輸出交流電壓幅值100 V,頻率50 Hz,阻感負(fù)載R=0.2,L=0.2 mH,分別對(duì)調(diào)制頻率FS為1 800 Hz、3 600 Hz的工況進(jìn)行仿真分析。

圖6為兩種調(diào)制頻率下的電壓矢量角在各扇區(qū)的變化情況。其中上圖的調(diào)制頻率為3 600Hz,電壓矢量的每個(gè)調(diào)制周期旋轉(zhuǎn)5度;下圖的調(diào)制頻率為1 800 Hz,電壓矢量的每個(gè)調(diào)制周期旋轉(zhuǎn)10度。

圖7為不同調(diào)制頻率下的三相相電流波形。可以看出,由于調(diào)制頻率高時(shí)相電流中的高頻成分較容易被阻感負(fù)載濾掉,高調(diào)制頻率下的相電流更平滑。圖8是與圖7對(duì)應(yīng)的不同調(diào)制頻率下的A相電流頻率分析結(jié)果?？梢?jiàn)提高調(diào)制頻率,可以減少低次諧波分量,降低電流諧波畸變率。

圖6 調(diào)制頻率改變時(shí)的電壓矢量角度變化規(guī)律

圖7 兩種調(diào)制頻率下的三相交流輸出電流特征

圖8 兩種調(diào)制頻率下的交流輸出電流的頻譜特征

應(yīng)用TMS320F2407實(shí)現(xiàn)上述的SVPWM發(fā)波過(guò)程,其中采樣周期T=100 μ s,死區(qū)時(shí)間Td=3.4 μ s。圖9為a相電流、uv線電壓的實(shí)驗(yàn)波形,可以看出,相電流的波形接近于理想的正弦波,電流諧波含量少、波形失真較小。圖10為與之對(duì)應(yīng)的仿真波形,二者有較好的吻合度。

圖9 a相電流、uv線電壓的仿真波形

圖10 a相電流、uv線電壓的實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

本文分析了SVPWM的調(diào)制原理,基于PSPICE的行為建模方法實(shí)現(xiàn)了其發(fā)波方式并對(duì)不同調(diào)制頻率下的電路進(jìn)行了仿真。對(duì)交流輸出電流的諧波分析表明,其諧波主要分布在載波頻率fs及其整數(shù)倍附近,可以通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制頻率和設(shè)計(jì)合理的濾波器來(lái)降低諧波污染。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該調(diào)制方法易于硬件實(shí)現(xiàn),實(shí)時(shí)性強(qiáng),穩(wěn)定可靠,具有電流諧波成分少,控制精度高的特點(diǎn),是一種優(yōu)良的PWM控制方案。

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