孟堯+鄧桂美+牛步釗

摘 要：針對(duì)城際動(dòng)車(chē)組逆變器SVPWM控制策略，探討了5段式SVPWM調(diào)制法和7段式SVPWM調(diào)制法的工作原理、調(diào)制波函數(shù)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了2種調(diào)制方法在減少逆變器輸出電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面的表現(xiàn)，為今后城際列車(chē)SVPWM調(diào)制法的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：城際動(dòng)車(chē)組；逆變器；SVPWM；控制策略

中圖分類號(hào)：TM464；U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.019

目前，我國(guó)城際動(dòng)車(chē)組逆變器大多采用兩電平空間電壓矢量調(diào)制法（SVPWM）。PWM調(diào)制法是將逆變器和交流電機(jī)看作一個(gè)整體，通過(guò)逆變器不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通圓去逼近三相對(duì)稱電源所產(chǎn)生的理想磁通圓減小輸入的電流諧波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的優(yōu)化控制。

1 空間電壓矢量調(diào)制法原理

CRH6型城際動(dòng)車(chē)組逆變器每相由2個(gè)IGBT功率元件串聯(lián)組成，每個(gè)功率元件反并聯(lián)1個(gè)續(xù)流二極管。由于逆變器每相可輸出2種電平狀態(tài)，所以，三相逆變器共可輸出8種電平狀態(tài)。

2.3 2種常用的SVPWM調(diào)制法

為了控制器（DSP等）處理方便，在合成時(shí)，一般需要定時(shí)計(jì)算（比如每隔100us計(jì)算1次）。這樣，只需算出100us內(nèi)2個(gè)基本矢量的作用時(shí)間。但是，由于計(jì)算出2個(gè)時(shí)間的總合往往小于100us，因此，剩下的時(shí)間就需要根據(jù)情況插入合適的零矢量。根據(jù)零矢量插入位置的不同可以得到多種不同的調(diào)制方法，本文重點(diǎn)討論了動(dòng)車(chē)中最常使用的5段式SVPWM調(diào)制法和7段式SVPWM調(diào)制法。

2.3.1 5段式SVPWM調(diào)制法

對(duì)于5段式SVPWM調(diào)制法，只需在PWM周期中間插入零矢量u0，u7，具體采用哪一個(gè)值由硬件根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向和開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少的原則自行決定。例如，在第Ⅲ扇區(qū)內(nèi)，如果旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，則u4先動(dòng)作，u6后動(dòng)作。以此類推，動(dòng)作時(shí)間可以采用表2中的數(shù)據(jù)，之后選擇零矢量（硬件決定）即可減少開(kāi)關(guān)次數(shù)。而零矢量的作用時(shí)間可以表示為：

2.3.2 7段式SVPWM調(diào)制法

7段式SVPWM調(diào)制法與5段式SVPWM調(diào)制法的區(qū)別在于基本矢量作用順序的不同。7段式SVPWM調(diào)制法是以零矢量u0開(kāi)始，將u7作為中間矢量。為了保證每次切換只有1個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，必須人為改變作用順序。以第Ⅰ區(qū)間為例，u2對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為（010），u6對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為（110）。由于初始狀態(tài)為u0（000），所以，首先動(dòng)作的為u2（010），然后為u6（110），之后為零矢量u7（111），這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過(guò)程中每次只有1個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。動(dòng)作順序改變，相應(yīng)的時(shí)間表也發(fā)生了改變，以滿足7段式SVPWM調(diào)制法的要求。

由于每個(gè)PWM周期被分為7段，因此，每個(gè)矢量的動(dòng)作時(shí)間也應(yīng)當(dāng)有所調(diào)整。至此，零矢量的動(dòng)作時(shí)間為：

T0=T7=（T-T1-T2）/2. （12）

在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)，7段式SVPWM調(diào)制法的開(kāi)關(guān)動(dòng)作如圖3所示。

5段式SVPWM調(diào)制法和7段式SVPWM調(diào)制法是城際動(dòng)車(chē)組最常使用的2種空間矢量調(diào)制法。在電機(jī)的低頻域，由于5段式SVPWM調(diào)制法產(chǎn)生的電機(jī)輸入電流諧波相對(duì)較多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，所以，多采用7段式SVPWM調(diào)制法的輸出方式；在電機(jī)的高頻域，由于5段式SVPWM調(diào)制法開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)較少，與7段式調(diào)制法相比，其開(kāi)關(guān)損耗小，并且控制相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，在高頻域多使用5段式SVPWM調(diào)制法。

3 仿真

本文重點(diǎn)探討了城際動(dòng)車(chē)組最常用的5段式SVPWM調(diào)制法和7段式SVPWM調(diào)制法在減少逆變器輸出電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面的表現(xiàn)，所以，需要對(duì)電機(jī)的輸入電流進(jìn)行FFT分析。利用MATLAB搭建仿真電路，如圖4所示。在正常工況下，將直流電壓模塊的電壓設(shè)置為1 800 V，電機(jī)模塊采用CRH6F使用的YQ285型電機(jī)參數(shù)，POWERGUI模塊可以進(jìn)行FFT諧波分析，multimeter和current measurement模塊為采樣模塊，SVPWM模塊采用編程的形式構(gòu)建。

將仿真時(shí)間設(shè)置為0.06 s，分別采用5段式SVPWM調(diào)制法和7段式SVPWM調(diào)制法進(jìn)行仿真，由此得到2種波形圖，如圖5和圖6所示。其中，波形圖中的采樣數(shù)據(jù)由上自下分別為電機(jī)相電壓、相電流、線電壓和直流側(cè)電流。由圖5、圖6可知，使用5段式SVPWM調(diào)制法和7段式SVPWM調(diào)制法可以得到相對(duì)較為平滑的電機(jī)相電流。但是，采用5段式SVPWM調(diào)制法時(shí)，直流側(cè)電流會(huì)產(chǎn)生尖峰，最大數(shù)值可達(dá)到50 000 A，所以，需要采用相應(yīng)的保護(hù)措施，而7段式SVPWM調(diào)制法則不需要。

4 結(jié)論

本文闡述的是使用MATLAB仿真2種調(diào)制法的真實(shí)情況?？傮w來(lái)說(shuō)，2種空間矢量調(diào)制法都可以產(chǎn)生較小的諧波，在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上有很好的表現(xiàn)。雖然使用5段式SVPWM調(diào)制法可以降低開(kāi)關(guān)損耗，但是，對(duì)比5段式仿真與7段式仿真的結(jié)果可知，7段式仿真在減少諧波等方面的表現(xiàn)更加突出。這是因?yàn)?段式SVPWM調(diào)制法的每個(gè)周期均以零矢量開(kāi)始，并以零矢量結(jié)束，從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，僅有一相狀態(tài)發(fā)生改變，所以，諧波分量比較少，對(duì)電路的影響也比較小。在城際動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況平衡開(kāi)關(guān)損耗與諧波的關(guān)系，從而選擇合適的空間矢量調(diào)制法。

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〔編輯：白潔〕