导读:本期对三电平SVPWM的原理和建模做一个简单介绍,并与两电平SVPWM做了一个对比。
后面把三电平的SVPWM运用到异步电机直接转矩控制中,看与传统的两电平SVPWM,控制性能是否得到改善。模型可分享,关注公众号:浅谈电机控制,留下邮箱。看到后发给你。
与两电平逆变器相比,三电平逆变器器件开关应力仅为两电平的二分之一,开关损耗显著降低。随着电平输出数的增加,逆变器输出电压波形更接近正弦波。三电平逆变器输出性能主要取决于调制算法。目前变流器的调制方法主 要是脉宽调制(PWM),包括正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制技术 (SVPWM)。较 SPWM 算法而言,SVPWM 以其电压利用率、输出电压谐波含量低等优点。
一、三电平逆变器的介绍
三电平逆变器与传统两电平逆变器结构相仿,由3个桥臂组成,但每个桥臂上有 4个开关管且带有中性线,原理图如图1所示。对于A相,当上半桥臂的两个管子同时导通时,A相电压为E/2,当下半桥臂两个管子同时导 通时,A相电压为-E/2,当中间两个管子同时导通时,A 相母线通过二极管接于中心点 N,A 相电压为 0,即得到 三电平电压,B、C两相和A相控制原理完全相同,这样 每相电压有3个电平、3个桥臂,可以组合成27个电压矢量,每相电压相同时,输出电压矢量为零。将这27个电 压矢量从 1~27 编号得到 V1~V27,将 3个零矢量编号为 V7、V14、V27,电压矢量图如图2所示。
图1 三电平逆变器原理图
图2 三电平逆变器电压矢量图
二、三电平SVPWM原理介绍
图3 三电平SVPWM模块整体框图
2.1扇区判断模块
2.2区域判断模块
图4 小扇区判断
在确定大扇区后,在每个扇区内又分成小扇区。接下来以第一扇区为例,根据区域分布情况和几何关系,可以判断参考电压矢量所在的区域。
(1)确定参考矢量所在位置
如空间矢量图所示,将三电平矢量图分为6个大扇区,每个扇区60°,每个扇区又可以细分成4个小扇区。
图 5扇区Ⅰ
表1 基本电压矢量作用时间表
2.3时间状态分配
从三电平SVPWM基本空间矢量图可以看出,大矢量和中矢量与开关状态一一对应,短矢量对应2组开关状态,零矢量有3组开关状态。由千在每个采样周期内出现的开关状态中,短矢量对应的开关状态出现的次数多,因此选用短矢量作为每个采样周期的起始矢量。为了使基本矢量对应的作用事假内核开关状态分配简便一致,本文选用短矢量作为每个采样周期的起始矢量。 零矢量可以根据开关状态的作用次序选取。
各组开关状态的作用次序要遵守这样的原则:任意一次电压矢量的变化只能有一个桥壁的开关动作,这是因为如果允许有两个或者三个桥壁同时动作,则在线电压的半周期内会出现反极性的脉冲,产生反向转矩, 引起脉动和电磁噪声。
根据上述原则,每个采样周期以短矢量作为起始矢量,每个矢量空间区域的状态作用次
序如表2所示,其中 n, O, p分别表示对应三相为低电平, 零电平, 高电平。
表2矢量状态次序表
采用中心对称的七段式SVPWM波形将基本矢量的作用时间分配给对应的矢量状态。以扇区I区域1为例, 基本矢量的作用时间与矢量状态的对应关系如图5所示。 三相矢量状态对应全部开关状态,将基本矢量的作用时间分配给对应的矢量状态,也就是将开关器件的导通或关断时间分配给对应的开关器件, 完成对主电路开关器件的控制。
图5 七段式SVPWM发波方式
三、两电平和三电平SVPWM波形比较
3.1两电平SVPWM
图6 两电平SVPWM
图7 A相电压
3.2三电平SVPWM
图8 三电平SVPWM
图9 A相电压
四、总结
三电平电路具有的优点:(1)任何时刻处于关断状态的开关器件承受的压降减小,更适合大容量高电压的场合;(2)可产生多层阶梯形输出电压,对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波,理论上可以提高电平数可接近标准正弦波、谐波含量很小;(3)电磁干扰(EMI)问题大大减轻,因为开关元件一次动作的 du/dt 通常只有传统的双电平的一半;(4)效率高,消除同样的谐波,两电平 PWM 控制算法开关频率高、损耗大,而三电平逆变器可用较低频率进 行开关动作,损耗小、效率提高。
三电平逆变器缺点:(1)需要较多的开关器件;(2)控制算法复杂;(3)存在电位不平衡问题。 三电平逆变器的基本拓扑结构包括二极管钳位式、飞跃电容式、带分离直流电源串联式。带分离直流电源串联式电路拓扑需要独立的直流电源,限制了它的应用;飞跨电容式电路拓扑数目增加带来诸多不便,且它进行有功功率传 输时,控制复杂。因此大多数使用二极管钳位式拓扑结构作为三电平逆变器的主电路(NPC)。