武　浩，王春寧

(青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0　引　言

1980年提出的中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器解決了功率元器件耐壓低的問(wèn)題，改善了逆變器的輸出波形，成為當(dāng)今電力電子技術(shù)的研究熱點(diǎn)。尤其是SVPWM技術(shù)在三電平逆變器的應(yīng)用備受?chē)?guó)內(nèi)外專(zhuān)家的重視。

1　NPC三電平逆變器簡(jiǎn)介

1.1　主電路

圖1所示的NPC三電平逆變器每個(gè)橋臂由兩個(gè)IGBT和兩個(gè)反并聯(lián)二極管組成，上下橋臂通過(guò)鉗位二極管連接，提高電壓利用率，并減小了IGBT所承受的電壓。

圖1　三電平變換器主電路結(jié)構(gòu)

1.2　工作狀態(tài)

逆變器輸出電壓分為P、O、N三種工作狀態(tài)，值為+Udc/2、、0-Udc/2，如表1所示。

由于逆變器有3個(gè)橋臂，所以三相電壓合成后共有33=27種基本電壓矢量，即27種工作狀態(tài),如圖2所示。

表1　A相工作狀態(tài)與對(duì)應(yīng)輸出電壓

圖2　電壓合成空間矢量

2　SVPWM 算法實(shí)現(xiàn)步驟

2.1　參考矢量所在區(qū)間判斷

圖3　扇區(qū)劃分　　　　　　　　　　圖4　第一扇區(qū)工作區(qū)域劃分

將圖3中的空間矢量圖按照每60°一個(gè)扇區(qū)，可以分為6個(gè)大扇區(qū)，然后將每個(gè)扇區(qū)分為A、B、C、D 4個(gè)小區(qū)間(如圖4所示)。假設(shè)參考電壓矢量為Ur，幅值為U，幅角為θ，可以將每個(gè)扇區(qū)分為5個(gè)工作模式：

即在60°范圍內(nèi)，當(dāng)θ1≤θ≤(60°-θ1)時(shí)，參考矢量位于C區(qū)間，否則位于A區(qū)間。

(3)當(dāng)U=Udc/2時(shí)，Ur在C區(qū)間內(nèi)。

即在60°范圍內(nèi)，當(dāng)(60°-θ2)≤θ≤60°時(shí)，參考矢量位于B區(qū)內(nèi)，當(dāng)θ2≤θ≤(60°-θ2)時(shí)，參考矢量位于C區(qū)內(nèi)，當(dāng)0≤θ≤θ2時(shí)，參考矢量位于D區(qū)內(nèi)。

2.2　空間矢量作用時(shí)間的計(jì)算

由于對(duì)稱(chēng)性，計(jì)算空間矢量作用時(shí)間時(shí)其他扇區(qū)都可以轉(zhuǎn)化為第一扇區(qū)，因此以第一扇區(qū)為例確定合成參考矢量的3個(gè)基本矢量及作用時(shí)間(如圖3所示)。

(1)在A區(qū)間內(nèi)，Ur由矢量Ua0、Uc0和U0合成：

Tc0=2mTssinθ

(2)在B區(qū)間內(nèi)，Ur由矢量Uc0、Uc和Ub合成：

Tc=(2msinθ-1)Ts

(3)在C區(qū)間內(nèi)，：Ur由矢量Ua0、Uc0和Ub合成：

Ta0=(1-2msinθ)Ts

(4)在D區(qū)間內(nèi)，Ur由矢量Ua0、Ua和Ub合成：

Tb=2mTssinθ

2.3　電壓矢量的發(fā)送順序

在三電平逆變器中，無(wú)論在哪一個(gè)區(qū)域，起始矢量都為正小矢量或負(fù)小矢量，并且開(kāi)關(guān)狀態(tài)只允許P-O-N或N-O-P的切換，不允許P-N兩個(gè)狀態(tài)直接切換，以減少冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而減少開(kāi)關(guān)損耗，延長(zhǎng)IGBT的壽命。并且采用7段法對(duì)矢量作用時(shí)間進(jìn)行分配，以消除偶次諧波，如第一扇區(qū)A區(qū)間矢量發(fā)送順序?yàn)镺ON-OOO-POO-PPO-POO-OOO-OON。

3　SVPWM的MATLAB仿真波形

根據(jù)算法介紹對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如圖5所示，設(shè)仿真參數(shù)為：控制周期1/5 000 s，系統(tǒng)直流側(cè)電壓Udc=600 V，系統(tǒng)輸出頻率為50 Hz，電機(jī)為三相鼠籠式異步電機(jī)，電機(jī)額定電壓為380 V，額定電流為0.75 V，功率為0.25 kW，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min。最終得出的輸出相電壓和線電壓仿真波形如圖6和圖7所示。

圖5　逆變器SVPWM控制的MATLAB仿真

圖6　相電壓波形　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　線電壓波形

通過(guò)對(duì)輸出相電壓和線電壓仿真波形的監(jiān)測(cè)，證明了對(duì)三電平逆變器采用SVPWM控制能夠有效改善輸出電壓波形，取得更好的控制效果。

4　結(jié)　論

本文從區(qū)域劃分、工作模式、矢量作用時(shí)間、矢量作用順序等方面對(duì)三電平逆變器的SVPWM算法進(jìn)行了詳細(xì)的探究，并用MTALAB/Simulink對(duì)電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了上述算法的合理性。

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