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1、E I，E C T R I CD R I V E2 0 0 8V 0 1 3 8N o 9电气传动2 0 0 8 年第3 8 卷第9 期变频调速电压同步S V P W M 波生成方法仿真分析葛兴来，冯晓云(西南交通大学电气工程学院，四川成都6 1 0 0 3 1)摘要：分析了可用于大功率牵引传动领域的空间电压矢量同步脉宽调制的实现原理，给出了牵引逆变器输出电压波形满足同步、三相对称、半波对称的条件。同时得到了在开环变频调速过程中，采用同步S V P W M控制时，逆变器输出电压电流仿真波形，并对其进行了谐波特性分析。仿真结果证明了采用同步空间矢量脉冲宽度调制的一系列优点。关键词：空间矢量；同步
2、调制；对称；仿真中图分类号：T M 4 6 4文献标识码：AS i m u l a t i o nA n a l y s i so fM e t h o d sF o r m i n gV o l t a g eS y n c h r o n o u sS V P W MW a v ei nV V V FS y s t e mG EX i n g-l a i，F E N GX i a o y u n(E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gC o l l e g e，S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r
3、s i t y，C h e n g d u6 1 0 0 3 1，S i c h u a n，C h i n a)A b s t r a c t：T h ep r i n c i p l eo fs p a c e v e c t o r b a s e dg e n e r a t i o no fs y n c h r o n i z e dt h r e e p h a s eP W Mw a v e f o r m sw i t ht h r e e-p h a s e，h a l f-w a v es y m m e t r i e sw a sa n a l y z e d S i
4、 m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l tt Or e a l i z et h i ss t r a t e g yw i t hd i f f e r e n tp u l s en u m b e r si no p e nl o o pV V V F V o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m sc o r r e s p o n d i n gt Od i f f e r e n tp u l s en u m b e rw e r ep r e s e n t e d，h a r m o n i
5、cs p e c t r a la n a l y s i sw a sa l s og i v e n S i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h eg o o dp e r f o r m-a n c eo fs y n c h r o n i z e dS V P W M K e yw o r d s：s p a c ev e c t o r；s y n c h r o n i z e dm o d u l a t i o n；s y m m e t r y；s i m u l a t i o n1引言在交流传动电力机车和动车组中，为了防止电
6、机磁通饱和，在牵引电机的启动阶段，一般采用恒V f 的变频调速控制方式，与其相对应，牵引逆变器的控制一般采用P W M 控制方式。电压空间矢量脉宽调制是一种比较先进的脉宽调制策略，其主要特点是：算法简单、谐波含量少、直流电压利用率高，因此在现代牵引传动领域得到了广泛的应用 1 。在牵引传动这种大功率场合，为了减少器件的开关损耗，逆变器的开关频率一般只有数百H z，由于开关频率较低，若P W M 单元设计不合理，将会产生很大的低次谐波，轻则影响系统的性能，重则将导致整个调速系统的控制失败啦】。因此，在整个调频范围内，须应用电压空间矢量脉宽调制策略构成多种调制方式，以满足控制要求。在低频启动段，采
7、用异步调制可充分利用开关频率，使磁通空间矢量轨迹逼近理想圆。在输出频率较高时，为了保证三相输出间的对称性，消除寄生谐波，宜采用同步调制，考虑到逆变器最大开关频率的限制，一般采用分段同步调制。图1 为一种比较典型的两电平三相牵引逆变器开关工作P W M 脉冲切换模式图，本文分析了鲎心基金项目：铁道部重点项目(2 0 0 6 0 8 0 2)作者简介：葛兴来(1 9 7 9 一)，男，博士，E m a i l：x l g e h o m e s w j t u e d u c na s w I c h r纠坼h夕m 础d 埘m o d d a t i e a、一1?s么兰二二二3舶，1 m1 mZ
8、 m z图1牵引逆变器P W M 控制脉冲切换模式F i g 1P u l s er a t i oc h a n g i n gs c h e m ef o rt r a c t i o ni n v e r t e r6 1万方数据电气传动2 0 0 8 年第3 8 卷第9 期葛兴来，等：变频调速电压同步S V P W M 波生成方法仿真分析其不同脉冲模式的同步S V P W M 实现方式，得到了不同脉冲模式下的仿真结果，并进行了不同频率时牵引电机电压、电流的谐波特性分析，最后得出了分析结论。2电压空间矢量P W M 的基本原理两电平逆变器有2 3=8 个开关状态，对应的电压空间矢量有8
9、个工作状态，如图2 a 所示。参考空间矢量的幅值为V。，频率为，当逆变器输出相序列为A B C 时，参考空间矢量逆时针旋转，对于图2 b 所示区段，进入区段的边称为起始边界，对应边界有效开关状态为z，相近零开关状态为乙；离开区段的边称为结束边界，对应边界有效开关状态为Y，相近零开关状态为乙。0 1 ll 0 0 11 0 1(a)空间矢量(b)有效开关状态与零状态图z 电压空间矢量图F i g 2V o l t a g es p a c ev e c t o rd i a g r a m如果有效状态z 和Y 的作用时间分别为T。和T，两个零状态乙和Z，的总作用时间是T：。参考电压矢量对应的采样
10、时间是T 5，在图2 b 所示区段中，可得以下计算式：t=学优T 5 S i n(詈一口)L 一学m T I S i n 口T=T-2-兀-捂m L S i n(詈+口)9m=V。d)在电压空间矢量所对应的空间6 个电压区段中，为了生成所需的平均电压矢量，逆变器的开关状态必须跟随不同区段电压状态转换，在每一个采样周期中，都必须满足如下规则 3 ：1)状态改变时只有一相的开关状态改变；2)每个采样周期中开关状态改变次数不超过3 次；3)前一个采样周期的最后工作状态必须是下一个采样周期的初始工作状态。6 23空间矢量同步的条件在有限的开关频率下，为了减小三相逆变器输出电压波形的子谐波含量，三相S
11、V P W M 输出应该满足同步的条件，即v。(口士2 兀)=v。(口)(口士2 7 c)=(口)(2)口(口士2 【)一可(口)为了消除3 的倍数次谐波，三相S V P W M 输出应满足三相对称的条件，即(口)：(口一孥)：(口+孥)(3)d)为了消除输出电压中的偶次谐波，三相S V P W M 输出应满足半波对称的条件，即(口兀)一V a a(口)(口士兀)一一(口)(4)(口土 r)一一(口)4空间矢量同步调制开关序列的生成如同两电平逆变器的S P W M 技术一样，当输出电压的脉冲数P 为3 的奇数倍时，逆变器输出波形将满足同步、半波对称及三相对称。考虑开关频率的限制，文中选取了2
12、1，1 5，9，3 等4 种脉冲模式，对应开关序列生成方式为：每个采样周期T。中使用4 个开关状态(z，Y，Z x，Z，)，交替使用Z：,x y Z，和Z，x y Z，以满足上面提到的规则要求。一个周期输出的脉冲数P=3 n。一6 n 一3，n。为每区段采样周期数，咒取奇数。为了保证脉冲转换过程的平稳性，文中增加了5 脉冲模式，对应开关序列生成方式为：在区段起始边上，用零矢量和有效矢量合成一个参考矢量，脉冲序列为Z x x Z，在区段中线上用4 个开关状态合成一个参考矢量，脉冲序列为Z，x y Z。一个周期输出的脉冲数P=2 n，+1 8，l 一3。5 仿真波形与频谱分析针对上述同步电压S V
13、 P W M 策略，本文搭建了基于M a t l a b S i m u l i n k 的仿真模型，参数为：直流侧电压26 0 0V，牵引电机额定电压20 0 0V，额定频率1 4 0H z，额定功率3 0 0k W。图3 图7 为不同开关脉冲数时逆变器输出线电压、负载相电压和输出相电压(相对于直流侧中点)波形，线电压半个输出周期中的脉冲数代表输出开关脉冲模式；输出相电压整个输出周期中万方数据葛兴来。等：变频调速电压同步S V P W M 波生成方法仿真分析电气传动2 0 0 8 年第3 8 卷第9 期的开关状态代表输出开关脉冲模式。图8 为变频调速过程中，不同开关脉冲数转换时电机电流波形。
14、由图8 可见，随着开关脉冲数的降低，电流波形畸变度增加。之20 2之2一-2之2o 一2o 8 10 8 1 5o 8 208 2 50 8 30 8 3 50 8 4s(丑)线电压s(b)负载相电压0 8 10 8 1 50 8 20 8 2 50 8 30 8 3 50 钳s(c)输出相电压图3 同步S V P W M 策略(2 1 脉冲)F i g 3S y n c h r o n m e dS V P W Mw a v e f o r m s(2 1p u l s e s)之2o 一2乏2一一2之2o 一2t s(a)线电压t s(b)负载相电压d s(c)输出相电压图4 同步S V
15、P W M 策略(1 5 脉冲)F i g 4S y n c h r o n i z e dS V P W Mw a v e f o r m s(1 5p u l s e s)之2o _ 2乏2一2之2o 一21 6 11 6 1 51 五21 6 2 51 6 31 6 3 5I 6 4f，s(丑)线电压1 6 l1 6 1 51 6 21 6 2 51 6 31 6 3 51 6 4t s(b)负载相电压1 6 l1 6 1 51 6 21 6 2 5l-6 31 6 3 51 6 4以(c)输出相电压图5 同步S V P W M 策略(9 脉冲)F i g 5s y n c h r o
16、n i z e dS V P W Mw a v e f o r m s(9p u l s e s)图9 a、图9 b 为供电频率4 0H z 时，逆变器输出线电压、相电压频谱。此时采用2 1 脉冲模式，在2 0 0 0 H z 的频率范围内，线电压谐波谱(1)包含17 次、19 次、2 3 次、25 次、2 9 次、31 次、37之2o 一2之2o-2之2o 一2t s(n)线电压珧(b)负载相电压s(c)输出相电压图6 同步S V P W M 策略(5 脉冲)F i g 6S y n c h r o n i z e dS V P W Mw a v e f o r m s(5p u l s e
17、 s)之2o 一2之2一一2之2寸一22 6 12 6 1 52 6 22 6 2 52 6 32 6 3 52 6 4以(丑)线电压2 6 12 6 1 52 6 22 6 2 52 6 32 6 3 52 6 4sO )负载相电压2 6 12 6 1 52 6 22 6 2 52 6 32 6 3 52 6 4s(c)输出相电压图7 同步S V P W M 策略(3 脉冲)F i g 7S y n c h r o n i z e dS V P W Mw a v e f o r m s(3p u l s e s)1一一l(且)2 1 到1 5 脉冲要一：蕊兔品念瀛。f，sI0 11?一1t
18、s(c)9 到5 脉冲t s(d)5 9 J 3 脉冲图8 脉冲敷改变时的瞬态电流波形F i g 8C u r r e n tw a v e f o r m sw i t hp u l s e sc h a n g e d次、4 1 次、4 3 次、4 7 次、4 9 次等，电压畸变率(T H D)为9 1 0 2，谐波次数规律为n t-2，n-+-4，2 n 1，2，l 士5，l 为每周期开关脉冲数；输出相电压谐波谱(1)包含3 次、1 7 次、1 9 次、2 1 次、2 3 次、2 5 次、2 7 次、2 9 次、3 1 次、3 7 次、3 9 次、4 1次、4 3 次、4 5 次、4 7
19、 次、4 9 次等，电压畸变率(T H D)为1 7 5 2 3，谐波次数相对于线电压多6 3万方数据电气传动2 0 0 8 年第3 8 卷第9 期葛兴来等：变频调遣电压同步S V P W M 渡生成方法仿真分析了3 的奇倍数次谐波。图l O a、图1 0 b 是供电频率为5 0H z 时，逆变器输出线电压、相电压频谱。此时采用1 5 脉冲模式，在25 0 0 H z 的频率范围内，线电压谐波谱包含1 1 次、1 3 次、1 7 次、1 9 次、2 5 次、2 9 次、3 1 次、3 5次、3 7 次、4 1 次、4 3 次、4 7 次、4 9 次等，电压畸变率(T H D)为7 6 3 4，
20、谐波次数规律为咒2，力6 4幂1蠡t衄燃蜜摹鲻糊句螂搀频辄()线电压频谱频率l-l z(b)相电压频谱频率H z(c)电涮濒谱图94 0 H z 时电机电压电漉频谱F i g 9H a r m o n i cs p e c t r a lo fm o t o r(4 0H z)幂1鲻瑚衄籍灌摹l鲻瑚姐锚磐频率，l z线电压频谱I lIf I,l lI I频事，H 2(b)相电压频谱频率，H z(c)电流频谱图1 05 0 H z 时电机电压电流频谱F i g 1 0H a r m o n i cs p e c t r a lo fm o t o r(5 0H z)4，2 n 士1，2，l 士5
21、，3 竹2，3，z 士4，l 为每周期开关脉冲数；输出相电压谐波谱包含3 次、1 1 次、1 3 次、1 5 次、1 7 次、1 9 次、2 1 次、2 5 次、2 7 次、2 9 次、3 1次、3 3 次、3 5 次、3 7 次、3 9 次、4 1 次、4 3 次、4 5 次、4 7 次、4 9 次，电压畸变率(T H D)为1 3 4 6 2，谐波次数相对于线电压多了3 的奇倍数次谐波。图9 c 为供电频率4 0H z 时，逆变器输出电流谐波频谱，谐波谱成分与线电压谐波谱成分一样，电流畸变率为3 0 3 9；图1 0 c 为供电频率5 0H z时，逆变器输出电流谐波频谱，电流畸变率为4 5
22、 3 0。对比各频率值下的线电压频谱，可知电流畸变率要小于电压畸变率；4 0H z 时的电压畸变率要大于5 0H z 时的电压畸变率，而4 0H z 时的电流畸变率要小于5 0H z 时的电流畸变率；这主要是因为逆变器输出电流各次谐波的含量受电机漏感的影响，次数越高的电流谐波被滤除的效果越好。6结论通过以上仿真结果分析得出：采用空间矢量同步脉宽调制时，三相牵引逆变器输出电压、电流波形满足同步、1 8 0。对称和1 2 0。对称时，相对于直流侧中点的相电压不含子谐波、偶次谐波；线电压中不含子谐波、偶次谐波和3 的奇倍数次谐波；各次谐波以P(每周期脉冲数)的整数倍为中心对称分布。随着每电压周期中脉
23、冲数的增多，电压频谱中低次谐波含量减少，高次谐波含量增加，电压畸变率增大。电流频谱中，受电机漏感的作用，电流畸变率减小。参考文蕾 1 冯江华多模式电压空间矢量脉宽调制的理论分析及微机实现 J 机车电传动，1 9 9 6(4)。7 1 1 2 I E ER a i l w a yP r o f e s s i o n a lN e t w o r k S e v e n t hR e s i d e n t i a lC o u r s eo nE l e c t r i cT r a c t i o nS y s t e m s C T h eM a n c h e s t e rC o n
24、f e r e n c eC e n t r eU M I S T，M a n c h e s t e r，U K2 1 2 5O c t o b e t2 0 0 2 3 H o l t zJ P u l s eW i d t hM o d u l a t i o n aS u r v e y J I E E ET r a n s o nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s，1 9 9 2，3 9(5)：4 1 0 一4 2 0 4 H o h zJ P u l s eW i d t hM o d u l a t i o nf O rE l e c t r o n i cP o w e rC o n v e r s i o n P r o c I E E E，1 9 9 4，8 2(8)z1 1 9 4 1 2 1 4 硬霜印鼾面而而修改稿日期：2 0 0 8-0 3-0 4零格郴姐搿磐幂嚣郴衄魁鲁万方数据