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1、文章编号:10057277(2005) 01001103Vol. 27 , No. 12005,27( 1) :1113电 气 传 动 自 动 化ELECTRICD RIVE AUTOMATIO N2005年 第27卷第1期 第11页空间矢量脉宽调制仿真及其谐波分析康现伟,于克训,刘志华(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北 武汉430074)摘要:在深入分析空间矢量脉宽调制机理的基础上,通过SIMULINK给出了其仿真波形,重点对SVPWM的仿真结果进行了谐波分析,得到了SVPWM谐波分布的主要特点及影响其谐波分布的几个主要因素,为更有效消除SVPWM谐波污染提供了理论基础和指导。关键词:空
2、间矢量脉宽调制;谐波;仿真中图分类号: TM921. 52文献标识码: ASimulationand harmonicanal ysis of SVPWMKANG Xian-wei , YU K e-xun , LIUZhi-hua(Huazhon g University of Scienceand Technology,Wuhan 430074, China)Abstract : Based on the analysis of the characteristics of space vector pulse width modulation(SVPWM) , a series of s
3、im2ulation waveforms areillustrated by the useof Simulink. Thefoundational features of the harmonic distributions of SVPWMand the dominant factors affecting the distributions are obtained through the analysison the harmonics of the waveforms,which provides us theoretical foundation to eliminate the
4、harmonic pollution.Key words : SVPWM; harmonic ; simulation1引言空间矢量脉宽调制(SVPWM)具有线性调制范围宽,直流电压利用率高,易于微处理器实现等优点,它目前被广泛应用于变频器、UPS、无功补偿器 、 有源滤波器 、 储能系统电力变换器等领域。当控制精度要求较高时,必须考虑其谐波问题。本文首先阐述了空间矢量调制(SVPWM)的基本原理,然后给出了仿真波形,针对空间矢量调制中出现的谐波问题,文章进行了较为详细的分析和论述,得到了影响SVPWM谐波分布的几个主要因素,从而为其在实际应用中消除谐波污染提供了可靠的理论依据。2电压空间矢量
5、脉宽调制(SVPWM )原理对于理想三相正弦系统,电压空间矢量的定义为:V= 2/ 3 (Va+ Vbej2/ 3+ Vcej4/ 3)( 1)对于三相电压源型逆变桥的6个开关,如图1所示 。假设 “1” 代表上桥臂导通,“0” 代表下桥臂导通,则一共有8种开关模式,分别为V0(000) , V1(100) , V2( 110) ,V3(010) ,V4( 011) ,V5(001) , V6(101) ,V7(111)。由变换式(1)可得,这8种开关模式在复平面上分别产生8种电压矢量,其中V1V66个开关模式产生输出电压,而V0、V72个开关模式不产生输出电压,称为零矢量。这8个电压矢量将复
6、平面分为6个区域,如图2所示,按照平行四边形法则,利用这8个空间矢量可以合成在六变形区域内的任何输出电压矢量。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 电 气 传 动 自 动 化?12?2005年 第1期例如,当空间矢量落入扇形区域I时,如图3所示,依矢量合成原理可得到:T1V1+ T2V2+ T0V0= TSVr ef(2)T1+ T2+ T0= TS(3)式中: T1, T2和T0分别为矢量V1、V2和零矢量在一个载波
7、周期Ts内的作用时间,依上式就可求出个开关模式在一个载波周期内的作用时间:T1= TSmasin( -+/ 3)( 4)T2= TSmasin(5)ma=3 Vref/ Vd(6)式中, ma表示幅度调制比,表示合成空间电压矢量与参考矢量之间的夹角。为了使得波形对称,最大限度的降低开关损耗,把每个矢量的作用时间都一分为二,同时把零矢量时间等分给两个零矢量V0和V7。 这样既可以提高直流电压的利用率,又可降低逆变器输出谐波含量 。比如,在第I扇区内,产生的开关序列为V0V4V6V7V7V6V4V0,如图4所示 。以此类推,根据空间电压矢量合成原理及空间矢量分布图,可以推得各个扇区内的开关序列表,
8、如表1所示。3空 间矢 量 调 制(SVPWM)的仿真基于上述SVPWM的作用原理,为了验证该方法的实用性和分析其谐波问题,利用SIMULINK仿真工具对此方法进行了仿真研究。仿真参数设置如下:额定输出功率:1 MVA ;额定输出电压:4160 V;负载功率因数:0. 9(滞后) ;频率:60 Hz。为了便于观察和得到影响谐波分布的几个主要因素,在此仿真中,通过调节幅度调制比ma和频率调制比mf,得到了如下的五组仿真波形,如图5图9所示:其中:F1表示基波频率;ma表示幅度调制比;mf表示频率调制比。表1开关序列表扇区S1S2S31P1P2P32P2P1P33P3P1P24P3P2P15P2P
9、3P16P1P3P2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 2005年 第1期?13?康现伟,于克训,刘志华空间矢量脉宽调制仿真及其谐波分析3仿真结果分析频率调制比mf影响合成电压矢量的分布模式 。当开关频率为900 Hz时,频率调制比mf=900/60 = 15 ,此时偶数扇区与奇数扇区宽度不同(图5(A)- 7 (A) ) ,这表明了合成电压矢量在偶数扇区和奇数扇区内的抽样点的分布是不均匀的,因此,电压波形会失去对称
10、性。 而当mf= 900/30 = 30和mfF1= 900/10 = 90的时候,抽样点平均分布在6个扇区内(图7( A) - 9( A) )。 根据详细的分析可得到如下规律:当频率调制比mf为6的整数倍时,合成电压矢量在各个扇区内抽样点相同,而当其不为6的整数倍时,合成电压矢量在各个扇区内的抽样点则会出现差异,造成输出电压波形的不对称。 抽样 点 的不 同 主 要 是来 源 于 计 算 机在数字 化 处理 时 产 生 的误差 。为了使得输出波形对称,可以采用变步长SVM算法 。谐 波 主 要 集 中分布在频率mfF1附近,这是空间矢量调制 谐 波分 布 共 同 的特点(图5(B ,C) -
11、图9(B ,C) ) ;由 于 感 性 负 载的抑制作用,输出电流 总 谐变 率 远 远 低于 输 出电 压 总 谐 变率(图5(C)-图9(C) ;当 幅 度 调 制 比ma降低的时候,输出电 压 和电 流 总 谐 变率 就 会相 应 的 增 加(图5(B) - 7(B) ) ;当 频 率 调 制 比mf增加的时候,输出电压和电流总谐变率就会相应的降低(由图7(C) - 9(C)。4结论根据空间矢量调制的三相逆变器的仿真模型及其仿真结果,可以得到如下几点结论:输出电压的谐波成分主要集中在频率mfF1处,这是SVPWM调制的内在特征;频率调制比mf对合成电压矢量的分布模式有着很重要的影响,为了
12、获得对称的输出, mf应当被选择为6的整数倍;输出电压中含有偶次谐波;增加幅度调制比ma和频率调制比mf可以降低输出电压总谐变率。(下转第22页)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 电 气 传 动 自 动 化?22?2005年 第1期(上接第13页)根据该结论可知,通过调节参数幅度调制比ma和频率调制比mf,就可以达到有效的减小和抑制SVPWM中产生的谐波,为更有效地抑制SVPWM中产生的谐波、扩大SVPWM的应用提
13、供了理论基础 。参考文献: 1 Habctler TG. A space vector -basedrectifier regulator for ac/ dc/ acconvertersJ. IEEE Trans.Power Elec ,1993,8(1) :33- 36. 2Bowes S R ,Lai Y S. The relationship between space-vectormo-dulation and regular-sam pled PWMJ . IEEE Trans.on Indust-rial Electronics ,1997 ,44(5) :670 - 679 .
14、 3李红梅,李忠杰,杜世俊. SVPWM逆变器供电异步电机动态性能仿真.电机与控制学报J . 2001(3) . 4陈坚.电力电子学 电力电子变换和控制技术 M.北京:高等教育出版社,2002. 5熊 健.电压空间矢量调制与常规SPWM比较研究J .电力电子技术,1999(1) :25 - 28.作者简介:康现伟(1978 - ) ,男,硕士研究生,就职于华中科技大学电气与电子工程学院。于克训(1961 - ) ,男,教授,博士,就职于华中科技大学电气与电子工程学院。收稿日期:2004- 05 - 15收稿日期: 2004 - 02 - 274仿真结果与分析基于本文给出的补偿方法,对一台异步电
15、机驱动系统进行了仿真研究,图3为其矢量控制系统结构图 。主要参数为:直流母线电压Vd= 300 V ,Td= 3. 6s。电机PN= 20 kW , IN= 86 A , TN= 53. 6 Nm, nN= 3600 rpm,逆变器开关频率10 K。简单起见,设置Ton= Toff= 0。图4和图5分别给出了在相同工况下,按照本文方法进行补偿前后电机稳态运行时的仿真结果 。其中: n = 300 rpm, Te= 16 Nm。可以看出,进行补偿后有效改善了死区效应引起的电流畸变,消除了谐波,同时提升了电流输出能力 。5结论综上所述,该方法有效改善了死区效应引起的电流波形畸变和由此带来的电机转矩
16、脉动,提高了逆变器低频、 轻载时的输出性能,且实现简单,易于模块化 。参考文献: 1S eung - G i Jeong ,Min-Ho Park. The Analysis and Compensationof Dead - Time Effects in PWM Inverters. IEEE Trans. on IE ,1991,38(2) . 2David Leggate ,RusselJ. Kerkman. Pulse-BasedDead - Time C om-pensatorfor PWM Voltage Inverters. IEEE Trans.on IE ,1997 ,44
17、(2) . 3 Takashi Sukegawa, Kenzo Kamiyama , Katsuhiro Mizuno ,Taka-yuki Matsui ,Toshiaki Okuyama ,Full y Di g ital. Vector-ControlledPWM VSI-Fed ac Drives with an Inverter Dead - T ime Compens -ation Strategy. IEEE Trans.on IA ,1991 ,27(3) .作者简介:窦汝振(1976- ) ,男,工学博士,研究方向为电动汽车及其驱动技术。刘 均(1977- ) ,男,工学硕士,研究方向为异步电机控制、 计算机测控系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -