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(diào)速的領(lǐng)域出發(fā)，研究三電平SVPWM逆變系統(tǒng)在交流電機變頻調(diào)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(diào)速是通用的節(jié)能技術(shù)，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(shù)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(lǐng)域中，三電平逆變技術(shù)廣泛的應用于各種變頻調(diào)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，研究和開發(fā)三電平逆

2、變器，無論在技術(shù)上還是在實際應用上都有十分重要的意義。2.國內(nèi)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(diào)速技術(shù)方面已生產(chǎn)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(chǎn)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(diào)速技術(shù)方面，已生產(chǎn)出了單機容量為10kVA-2600kVA的電流型晶閘管變頻調(diào)速設備和單機容量為100kVA-900kVA的PWM(Pulse Width Modulation)變頻調(diào)速設備，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車，風機、水泵傳動。 瑞士ABB

3、公司在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)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(diào)速技術(shù)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(nèi)研究動態(tài) 據(jù)“2009-2012年中低壓變頻器行業(yè)報告”，內(nèi)資品牌占70以上，但市場份額卻僅約24%，雖然內(nèi)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(jù)。究其原因，國產(chǎn)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(chǎn)廠家。3 課題主要研究內(nèi)容3.1電壓型三電平逆變器整體方案論述圖1 三電平變頻系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖3.2二極管鉗位式三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

4、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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)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(shù) l 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為tRddssssIu式中式中： us 定子

5、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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)系為 t ddssu (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(zhuǎn)，磁鏈矢量頂端的運動軌幅值恒定，其空間矢量以

6、恒速旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)矢量跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示。可用下式表示。t1jmse其中其中 m是磁鏈是磁鏈s的幅值，的幅值， 1為其旋轉(zhuǎn)角速度。為其旋轉(zhuǎn)角速度。)2( jm1jm1jms111eej)e(ddttttu 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(zhuǎn)一周時，電壓矢

7、量也連續(xù)地按如圖所示，當磁鏈矢量在空間旋轉(zhuǎn)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?；《?，其軌跡與磁鏈圓重合。 這樣，電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的這樣，電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)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(jīng)過Park變換后的空間電壓矢量為)(3234320jcojbaoeUeUUU 對三相對稱系統(tǒng)來說，共可組合成3*3 (27)種開關(guān)狀態(tài)，而每一種開關(guān)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

8、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(guān)狀態(tài)有P和O組成的小矢量稱為正小矢量，如POO，把開關(guān)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三相電壓相對于直流側(cè)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)，

9、。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(jù)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(jù)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

10、置后就可以根據(jù)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。第扇區(qū)內(nèi)的開關(guān)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(nèi)的開關(guān)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(guān)次數(shù)也必將增多

11、，應選用高開關(guān)頻率的功率器件。當然，一個扇區(qū)內(nèi)所分的小區(qū)間越多，就越能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁鏈軌跡。 在每個60扇區(qū)內(nèi)都有各自相應的逆變器開關(guān)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(guān)序列和電壓波形就對應著IGBT開關(guān)器件的柵極驅(qū)動信號時序。通過控制IGBT柵極驅(qū)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(nèi)定子旋轉(zhuǎn)磁鏈矢量軌跡如圖10所示。圖10 N=4時，360( 1個周期)內(nèi)定子旋轉(zhuǎn)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

12、進行介紹，并在此基礎(chǔ)上詳細研究二極管鉗位式三電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)以及控制要求。l (2)論述空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的基本原理并建立其數(shù)學模型，分析空間電壓矢量調(diào)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(jié)合該算法的處理方式，提出一種減少開關(guān)損耗的優(yōu)化策略。l (4)應用MATLAB/SIMULINK仿真技術(shù)，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(jié)果作為硬件設計時的參照和硬件仿真結(jié)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(guān)實現(xiàn)倍頻與分頻選擇模塊，

13、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電平逆變器通過自身拓撲結(jié)構(gòu)的改進，可以用較小的功率開關(guān)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(jié)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

14、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(shù)，基于動態(tài)模型的異步電動機調(diào)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(jié)果分析做準備。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(jié)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(jié)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(nèi)調(diào)節(jié)，可用于拖動交流電機以構(gòu)成變頻調(diào)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(jié)合該算法的處理方式，研究一種減少開關(guān)損耗的優(yōu)化策略。l 3采用MATLAB/SIMULINK仿真技術(shù)對該算法進行仿真,產(chǎn)生較為理想的三相SVPWM調(diào)制波