三相SVPWM逆變電路MATLAB仿真

1、基于電壓空間矢量控制的三相逆變器的研究1、svpwm 逆變電路的基本原理及控制算法圖 1.1 中所示的三相逆變器有6 個開關(guān)，其中每個橋臂上的開關(guān)工作在互補狀態(tài)， 三相橋臂的上下開關(guān)模式得到八個電壓矢量，包括6 個非零矢量 (001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)和兩個零矢量(000)、(111). 圖 1.-1 三相橋式電壓型有源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)在平面上繪出不同的開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的電壓矢量，如圖1.2所示。由于逆變器能夠產(chǎn)生的電壓矢量只有8個，對與任意給定的參考電壓矢量，都可以運用這8個已知的參考電壓矢量來控制逆變器開關(guān)來合成。3u(011)1u(001)5u(101

2、)4u(100)6u(110)2u(010)0u(000)7u(111)cuuu1svu2svu3svu圖 1.2 空間電壓矢量分區(qū)圖1.2中，當(dāng)參考電壓矢量在1扇區(qū)時，用1扇區(qū)對應(yīng)的三個空間矢量usv1、usv2、usv3來等效參考電壓矢量。若1.2 合成矢量refu所處扇區(qū) n的判斷三相坐標變換到兩相坐標：)()()(23-23021-21-132)()(tttttuuuuucoboao（1.1 ）根據(jù)u、u的正負及大小關(guān)系就很容易判斷參考電壓矢量所處的扇區(qū)位置。如表 1.1 所示。表 1.1 參考電壓矢量扇區(qū)位置的判斷條件判斷條件u0 u0 uu3uu3uu3uu30u0u0u0un 1

3、 3 5 6 2 4 可以發(fā)現(xiàn)，扇區(qū)的位置是與u、uu3及uu3的正負有關(guān)。為判斷方便，我們設(shè)空間電壓矢量所在的扇區(qū)n n=a+2b+3c （1.2 ）其中，如果u0，那么 a=1,否則a=0 如果uu30，那么 b=1,否則b=0 如果uu30，那么 c=1,否則c=0 1.3 每個扇區(qū)中基本矢量作用時間的計算在確定參考電壓矢量的扇區(qū)位置后，根據(jù)伏秒特性等效原理， 采用該扇區(qū)三個頂點所對應(yīng)的三個電壓空間矢量來逼近參考電壓矢量。以參考電壓矢量位于3扇區(qū)為例，如圖 1.3 所示，參考電壓uref與u4的夾角為。)100(4u)110(6u60tu26tu14tusref圖 1.3 電壓空間矢量合

4、成示意圖根據(jù)伏秒特性等效原理算出ttttvtutvtuutsdcsrefdcsrefref2102133321（1.3）開關(guān)周期ts與tt21未必相等，其間隙時間可用零矢量u7或u0來填補。引入通用變量 x，y，z uuvtuuvtuvtdcsdcsdcszyx3333322（1.4）根據(jù)前面確定的扇區(qū)標號n，可得到空間矢量所處的扇區(qū)與兩個邊界矢量t1、t2作用時間的關(guān)系，如表 1.2所示表1.2 扇區(qū)編號與計算時間的關(guān)系n 1 2 3 4 5 6 t1z y -z -x x -y t2y -x x z -y -z t3tttts210當(dāng)t1+t2ts時，達到飽和狀態(tài)就要對矢量作用時間應(yīng)作出限

5、制。t1、t2做如下修正：ttttttttttss212*2211*1（1.5）2.2.3 電壓空間矢量切換點的計算計算出相鄰兩個空間電壓矢量的作用時間后，則應(yīng)確定每個空間電壓矢量開始作用的時刻， 以第3扇區(qū)為例，其所產(chǎn)生的三相波調(diào)制波形在時間ts時段中如圖2.5所示。采用七段式空間矢量合成方式， 每個扇區(qū)的合成矢量均以零矢量(000)開始和結(jié)束，中間用零矢量（ 111）, 其余時間有效矢量合理安排。如圖1.4所示。零矢量（000 ）零矢量（111 ）矢量b矢量b零矢量（000 ）矢量a矢量a圖1.4 基本電壓矢量分配將零矢量周期分成三段， 其中矢量uref的起、終點上均勻分布矢量u0，而在矢

6、量uref中點處分布矢量u7，且tt07。電壓向量出現(xiàn)的先后順序為u0、u4、u6、u7、u6、u4、u0，各電壓向量的三相波形則與開關(guān)表示符號相對應(yīng)。矢量的切換點為：4/2/4/2/4/21221121ttttttttttttttttsbcsabsa（1.6）假設(shè)零矢量（ 000）和零矢量（ 111）在一個開關(guān)周期中作用時間相同，生成的是對稱 pwm 波形，再把每個基本空間電壓矢量作用時間一分為二。其它各扇區(qū)的開關(guān)切換順序同理，如表1.3 所示。表 1.3 各扇區(qū)時間切換點n 1 2 3 4 5 6 tatbtatatctctbtbtatctbtbtatctctctbtctatbta載波為等

7、腰三角波，且寬為開關(guān)周期ts，這樣通過三角載波調(diào)制產(chǎn)生pwm信號去控制逆變器的三相開關(guān)做出相應(yīng)的動作，使之產(chǎn)生的輸出電壓跟隨參考電壓，達到了逆變的目的。2 svpwm 控制三相有源逆變的matlab 仿真2.1 svpwm 控制算法的仿真實現(xiàn)利用 simulink 環(huán)境下的豐富模型，可以很方便的實現(xiàn)上一節(jié)所述的svpwm控制算法。實現(xiàn) svpwm 算法的各個子系統(tǒng)模型如下所示：1）將三相靜止坐標系（，）中的au、bu、cu轉(zhuǎn)換成兩相垂直靜止坐標系（，）中的u、u。在 simulink中，其實現(xiàn)框圖如圖2.1 所示：2ubeta1ualpha-k-gain3-k-gain20.5gain10.5

8、gainadd1add1uabc圖 2.1 au、bu、cu轉(zhuǎn)換成u、u模型框圖2）計算參考電壓矢量refu所處的扇區(qū)。根據(jù)u和u的關(guān)系判斷參考電壓矢量refu所在的扇區(qū) sn， 只需要經(jīng)過簡單的加減及邏輯運算即可確定其所在的扇區(qū)。在 simulink 中，其實現(xiàn)框圖如圖2.2 所示：1snswitch2switch1switchsubtract2subtract1subtractscopesaturation123456multiportswitch4gain32gain21/2gain1-k-gain0constant11constant5341622ubeta1ualpha圖 2.2 參

9、考電壓矢量所處扇區(qū)判斷模型框圖3）產(chǎn)生驅(qū)動波形。 將三角載波周期st作為定時器周期， 與切換點aont，bont，cont比較，從而調(diào)制出 svpwm 波形，其仿真模塊如圖2.3 所示：1pwmsubtract2subtract1subtractscope4scope3scope2scope1scoperepeatingsequencerelay2relay1relaydoubledata type conversion2doubledata type conversion1doubledata type conversionnotnotnot3tcon2tbon1taon圖 2.3 驅(qū)動模型

10、pwm 產(chǎn)生模型框圖以上給出了在 simulink中實現(xiàn) svpwm 控制算法的各個子系統(tǒng)的框圖，而圖2.4 為實時產(chǎn)生svpwm 波形并控制開關(guān)管的開關(guān)來達到逆變效果的整個仿真框圖。給定采樣周期st和直流母線電壓dcu，參考電壓矢量refu在 a，b，c軸系下的分量由三相對稱正弦電壓au，bu，cu提供，輸出脈沖即為實時產(chǎn)生的svpwm波。 a b caababccdiscrete,ts = 1e-006 s.powerguiv+-v+-v+-v+-v+-gabc+-universal bridgeucubuascope5scope4scope3scope2scopeuabcpwmsvpwm

11、 controlr rabcabcli+-i+-i+-800v r a bca bc圖 2.4 逆變模型總框圖2.2 svpwm 控制算法仿真結(jié)果及分析逆變器輸入的直流電等效為udc=800v，接到使用 igbt 的三相橋式逆變電路上；利用脈沖信號生成模塊發(fā)出的六路pwm 信號對逆變橋路六個功率開關(guān)管進行 pwm 控制；從逆變橋路輸出三相電壓經(jīng)過三對l 和 c 構(gòu)成的低通濾波器及電抗器構(gòu)成整個逆變回路。其中l(wèi)=15mh，c=45pf，r=10?。仿真中，開關(guān)頻率 20k，離散采樣時間設(shè)為1e-006 秒，仿真時間定為0.5 秒，步長選為系統(tǒng)自動設(shè)定值，仿真求解器設(shè)為可變步長離散型求解器。仿真測

12、量結(jié)果如下：1）圖 2.5為給定的三相正弦電壓波形，abc 三相互差 120 度，220v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-200-150-100-50050100150200time/svoltage/v圖 2.5 給定的三相正弦電壓波形2） 圖 2.6 為參考電壓矢量refu所處的扇區(qū)。從圖中可以看出扇區(qū)的選擇順序為 6，5，4，3，2，1， 。00.020.040.060.080.100.120.140.180.2011.522.533.544.555.56time/ssn圖 2.6 扇區(qū)選擇圖3）圖 2.7 為逆變器通過電壓空間矢量控

13、制后逆變得到的a 相電壓波形。從圖中可以看出逆變得到的相電壓為正弦波形，電壓峰值為257v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-250-200-150-100-50050100150200250time/svoltage/v圖 2.7 逆變后 a相的電壓波形4）圖 2.8 為逆變器通過電壓空間矢量控制后逆變得到的線電壓波形。從圖中可以看出逆變得到的線電壓為正弦波形，電壓峰值為445v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-500-400-300-200-1000100200300400500time/

14、svoltage/v圖 2.8 逆變后線電壓波形6）圖 2.9 為逆變器通過電壓空間矢量控制后逆變得到的三相電壓波形。從圖中可以看出逆變得到的三相電壓為正弦波形，三相波形互差 120度，電壓峰值為 257v。00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20-300-200-1000100200300time/svoltage/s圖 2.9 逆變后三相電壓波形7）圖 2.10 為逆變器通過電壓空間矢量控制后逆變得到的三相電流波形。從圖中可以看出逆變得到的三相電流為正弦波形，三相波形互差 120度，電流峰值為 26a。00.020.040.060.080.100.

15、120.140.160.180.20-30-20-100102030time/svoltage/s圖 2.10 逆變后三相電流波形3 總結(jié)通過學(xué)習(xí)現(xiàn)代電力電子這門課， 我學(xué)習(xí)了逆變電路的幾種控制方法，本文主要介紹了電壓空間矢量控制法。 首先對三相橋式電壓型有源逆變器進行了研究分析，隨后介紹了svpwm 調(diào)制技術(shù)的基本原理以及svpwm 的控制算法，主要包括三相電壓變兩相電壓， 合成矢量所處的扇區(qū)判斷， 每個扇區(qū)中基本空間矢量作用的時間和電壓空間矢量切換點的計算。最后通過采用matlab 仿真軟件，對svpwm 控制算法的實現(xiàn)進行了建模仿真，其仿真結(jié)果與理論分析的一致性證明了推導(dǎo)出的 svpwm 控制算法的正確性。本次仿真實現(xiàn)了采用svpwm 控制法將 800v 的直流電壓逆變成了三相交流電，實現(xiàn)逆變的功能。4 參考文獻1 林渭勛 . 現(xiàn)代電力電子技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社.2005