基于FPGA的三電平SVPWM逆變器的設計

1、基于FPGA的三電平SVPWM逆變器 的設計 學 號： 姓 名： 導師姓名： 學科、專業(yè)： 控制工程 所屬學院： 自動化與電氣工程學院 1.課題研究目的和意義 本文從交流電機變頻調速的領域出發(fā)，研究三電平 SVPWM逆變系統(tǒng)在交流電機變頻調速方面的實現(xiàn)方式。 十二五規(guī)劃中，國家進一步加強節(jié)能減排，其中工業(yè)節(jié)能、 建筑節(jié)能是重中之重。變頻調速是通用的節(jié)能技術，應當在 礦山、冶金、有色、建材、化工、石化等行業(yè)通過工藝、技 術和設備的節(jié)能改造，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。在現(xiàn)代運動控制領域 中，三電平逆變技術廣泛的應用于各種變頻調速的場合，三 電平SVPWM逆變器使得電壓型逆變器的大容量化、高性能 化成為可能，研

2、究和開發(fā)三電平逆變器，無論在技術上還是 在實際應用上都有十分重要的意義。 2.國內外的研究進展 2.1國外研究動態(tài) 日本富士公司在小功率交流變頻調速技術方面已生產出 了最大單機容量可達700kVA的BJT(Bipolar Junction Transistor)變頻器，同時IGBT變頻器也已形成系列產品，其 控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。 德國西門子公司在中功率變頻調速技術方面，已生 產出了單機容量為10kVA-2600kVA的電流型晶閘管變頻調 速設備和單機容量為100kVA-900kVA的PWM(Pulse Width Modulation)變頻調速設備，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù) 字化，用于電力機

3、車，風機、水泵傳動。 瑞士ABB公司在大功率無換向器電機變頻調速技術方 面，提供了單機容量為600KW的設備用于抽水蓄能電站。 法國阿爾斯通在大功率交一交變頻(循環(huán)變流器)調速 技術方面，能提供單機容量達300KW的電氣傳動設備用 于船舶推進系統(tǒng)。 2.1國內研究動態(tài) 據“2009-2012年中低壓變頻器行業(yè)報告”，內資 品牌占70以上，但市場份額卻僅約24%，雖然內資品牌 的市場份額在快速擴大，但大部分市場仍被十余個歐美品 牌和日本品牌所占據。究其原因，國產變頻器所采用的核 心器件絕大多數(shù)是來自國外的芯片生產廠家。 3 課題主要研究內容 3.1電壓型三電平逆變器整體方案論述 圖1 三電平變頻

4、系統(tǒng)整體結構框圖 3.2二極管鉗位式三電平逆變器拓撲結構的研究 上圖是一個中點鉗位三電平逆變電路圖，C1和C2是 并聯(lián)在輸入直流電源側的兩只分壓電容，C1=C2，為直 流電壓源中點；D1-D6為電源中點與直流側橋臂中點的鉗 位二極管。 圖2中點鉗位三電平逆變電路拓補結構圖 A相各橋臂可控 器件控制極信號 時序如圖3所示。 由圖3可見：Ug1 與Ug3、Ug2與 Ug4相位上互補； Ug1與Ug4、Ug2 與Ug3的相位互 差180。 圖3 三相中點鉗位式方波逆變電路A相電量波形圖 3.3三電平SVPWM控制技術 l 電壓與磁鏈空間矢量的關系電壓與磁鏈空間矢量的關系 用合成空間矢量表示的定子電壓

5、方程式為用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為 t R d d s sss Iu 式中式中： u s 定子三相電壓合成空間矢量； 定子三相電壓合成空間矢量； Is 定子三相電流合成空間矢量；定子三相電流合成空間矢量； s 定子三相磁鏈合成空間矢量。定子三相磁鏈合成空間矢量。 當電動機轉速不是很低時，定子電阻壓降在上式中所占的成分很小，當電動機轉速不是很低時，定子電阻壓降在上式中所占的成分很小， 可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為 t d d s s u (2) (3) 當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈當

6、電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈 幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌 跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉矢量跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉矢量 可用下式表示。可用下式表示。 t 1 j ms e 其中其中 m是磁鏈是磁鏈s的幅值，的幅值， 1為其旋轉角速度。為其旋轉角速度。 ) 2 ( j m1 j m1 j ms 1 11 eej)e( d d t tt t u 由上式可得由上式可得 上式表明，當磁鏈幅值一定時，上式表明，當磁鏈幅值一定時，us的大小與的大小與 1（或供電電壓頻

7、率）（或供電電壓頻率） 成正比，其方向則與磁鏈矢量正交，即磁鏈圓的切線方向。成正比，其方向則與磁鏈矢量正交，即磁鏈圓的切線方向。 如圖所示，當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)地按如圖所示，當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)地按 磁鏈圓的切線方向運動磁鏈圓的切線方向運動2 弧度，其軌跡與磁鏈圓重合?；《龋滠壽E與磁鏈圓重合。 這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的 運動軌跡問題運動軌跡問題。 (4) (5) 三電平逆變器三相電壓經過Park變換后的空間電壓 矢量為 )( 3 2 3 4 3 2 0 j co j

8、 bao eUeUUU 對三相對稱系統(tǒng)來說，共可組合成3*3 (27)種開關狀 態(tài)，而每一種開關狀態(tài)對應一個電壓空間矢量，因此三電 平逆變器電壓空間矢量共有27個不同的矢量組成，如圖5 所示。將幅值為2Ed/3的矢量定義為大矢量，如PNN、 PPN;幅值為 的矢量定義為中電壓矢量，如PON； 幅值為Ed/3的矢量定義為小電壓矢量，如POO、ONN， 并把開關狀態(tài)有P和O組成的小矢量稱為正小矢量，如 POO，把開關狀態(tài)有N和O組成的小矢量稱為負小矢量， 如NOO，小矢量總是成對出現(xiàn)的；零矢量為PPP、NNN、 OOO。表2為三電平空間電壓矢量匯總表。 其中,Uao、Ubo、Uco分別為A、B、C

9、三相電壓相對于直 流側中點O的輸出電壓。 3/3Ed (6) 圖5 三電平逆變器的空間電壓矢量分布圖 表2三電平空間電壓矢量匯總表 如圖5所示，6個大矢量將空間矢量圖分為6個正三角形區(qū)域，以 大矢量PNN為起始沿逆時針每60依次定義為扇區(qū)，。進 一步地可以將每個正三角形區(qū)域分為4個小三角形，這樣整個電壓空 間圖一共可以分為24個小三角形，如圖6所示。任何平衡的三相參考 電壓都可在空間電壓矢量圖上以一空間矢量表示。對每個60的大三 角區(qū)域進行分析，然后根據對稱性，可以得到整個360范圍工作情況 的分析。圖7為參考矢量位于扇區(qū)I的B三角中時，所使用的空間矢量 為PON、PNN、POO/ONN。 圖

10、6 三電平空間矢量圖扇區(qū)劃分圖7 扇區(qū)I中的參考矢量合成 SVPWM的首要任務就是判斷參考電壓矢量位于哪個區(qū)域及該區(qū) 域中的那個三角形，然后依次確定出相應的輸出電壓矢量。首先，根 據參考矢量的幅角確定出該矢量位于6個正六邊形區(qū)域中的哪一個，判 斷出矢量所在的位置后就可以根據表3得到合成參考矢量的輸出電壓矢 量。 表3 扇區(qū)I中各小三角形相應的輸出電壓矢量 3.3.4首發(fā)零矢量的SVPWM作用模式 以參考矢量位于扇區(qū)為例，采用3個電壓矢量U1，U3， U4。本設計初步采用首發(fā)矢量為正小矢量的控制模式。當參考 矢量位于扇區(qū)中，輸出矢量的次序為 POOPONPNNONNONNPNNPONPOO。第

11、扇區(qū)內的開關序列與逆變器三相電壓波形（首發(fā)正小矢量）如圖 8所示。 圖8第扇區(qū)內的開關序列與逆變器三相電壓波形（首發(fā)正小矢量） 3.3.5 SVPWM模式作用下的定子磁鏈軌跡 如上所述，如果一個扇區(qū)分成4個Ts小區(qū)間，則一個周期中將出 現(xiàn)24個脈沖波，而功率器件的開關次數(shù)也必將增多，應選用高開關頻 率的功率器件。當然，一個扇區(qū)內所分的小區(qū)間越多，就越能逼近圓 形旋轉磁鏈軌跡。 在每個60扇區(qū)內都有各自相應的逆變器開關序列和三相電壓波 形(即PWM工作模式)。首發(fā)矢量采用正小矢量或者負小矢量都可以， 改變的只是矢量合成過程中的電壓矢量輸出次序，各電壓矢量的作 用時間不變。實際上，這種逆變器的開關

12、序列和電壓波形就對應著 IGBT開關器件的柵極驅動信號時序。通過控制IGBT柵極驅動電壓， 就可以得到期望的輸出電壓波形。N=4時，360( 1個周期)內定子旋 轉磁鏈矢量軌跡如圖10所示。 圖10 N=4時，360( 1個周期)內定子旋轉磁鏈矢量軌跡 3.4方案設計 l (1)對兩電平逆變器的工作原理進行介紹，并在此基礎上詳細研究二極 管鉗位式三電平逆變器的拓撲結構以及控制要求。 l (2)論述空間電壓矢量調制（SVPWM）技術的基本原理并建立其數(shù)學 模型，分析空間電壓矢量調制（SVPWM）算法相對于其它方法的優(yōu) 點。 l (3)在完成以上對算法的分析后，結合該算法的處理方式，提出一種減 少

13、開關損耗的優(yōu)化策略。 l (4)應用MATLAB/SIMULINK仿真技術，對SVPWM系統(tǒng)進行建模，并 對SVPWM算法和優(yōu)化策略進行仿真。將建模過程和仿真結果作為硬 件設計時的參照和硬件仿真結果的評價標準。 l (5)在QUARTUS II環(huán)境下，采用Verilog語言設計一個通過按鍵和撥碼 開關實現(xiàn)倍頻與分頻選擇模塊，兩相位的DDS信號發(fā)生器模塊， SVPWM算法模塊(包括clerke變換模塊，SVPWM逆變器切換時間模 塊)和三角波模塊。并用Verilog語言編程實現(xiàn)SVPWM優(yōu)化策略，分別 對常規(guī)模式和優(yōu)化模式下的SVPWM系統(tǒng)進行編譯仿真。給出仿真和 實驗波形，驗證了二極管鉗位型三

14、電平逆變器通過自身拓撲結構的改 進，可以用較小的功率開關管輸出較大的功率，并且由于輸出電壓電 平數(shù)的增加，使得輸出波形的諧波畸變率更小。通過對比MATLAB下 的仿真結果，確定了該基于FPGA的數(shù)字式SVPWM系統(tǒng)設計方案的 正確性和可行性。 四、論文進度安排： l 第一階段2013年5月2013年9月 l 1.查閱資料，完成基于FPGA的三電平SVPWM逆變器系統(tǒng)的初步設 計方案 l 2.學習三電平SVPWM逆變技術，基于動態(tài)模型的異步電動機調速系 統(tǒng)和Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計。 l 3.學習QUARTUS II數(shù)字設計程序編譯軟件，MODELSIM時序仿真軟 件為最終實驗結果分析做準備。

15、 l 第二階段2013年9月2013年4月 l 1.繼續(xù)查閱資料，尋求一種最優(yōu)化的算法以及簡單實用的中點電位平 衡方法并對其進行詳細闡述。 l 2.對SPWM逆變器進行理論分析、仿真實驗，和SVPWM逆變器的實 驗波形進行對比。 l 3.確定三電平SVPWM逆變器的數(shù)學模型，設計出基于FPGA的三電 平SVPWM逆變系統(tǒng)的整體方案。 l 4.編寫算法與程序，完成系統(tǒng)設計 l 5.對實驗結果進行驗證分析 l 6.撰寫論文 l 第三階段2014年4月2014年6月 l 準備答辯 五、預期達到研究結果： l 1利用三電平SVPWM控制策略設計一個基于FPGA的二 極管鉗位式逆變系統(tǒng)，該逆變系統(tǒng)的輸出頻率可以在0- 50Hz內調節(jié)，可用于拖動交流電機以構成變頻調速系統(tǒng)。 l 2研究SVPWM算法的實現(xiàn)過程。在完成了對算法的分 析后，結合該算法的處理方式，研究一種減少開關損耗的 優(yōu)化策略。 l 3采用MATLAB/SIMULINK仿真技術對該算法進行仿真, 產生較為理想的三相SVPWM調制