两电平svpwm调制逆变器仿真实验
两电平SVPWM原理及仿真分析
两电平SVPWM原理及仿真分析吴磊，魏文凯，刘佳璐中国矿业大学信息与电气工程学院电乞11-6班摘要：介绍了电压空间欠虽脉宽调制(SVPWM) 的基本原理，i羊细闸述了在仿貞软件MATLAB / SIMUL1NK坏境卜实现SVPWM的方法，鼓后给出了仿直实验结果。
关键词：电压空间矢试脉宽调制MATLAB仿克1基本原理交-直-交pwm变频器主回路结构图变频器中的逆变器接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源。
控制开关器件轮流导通和关断，町使输出端得到三相交流电压。
本结构中使用180"导通型逆变器，同一桥臂上卞两管之间互相换流，在某-•瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。
同时, 必须釆取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待一段时间后再给应导通的器件发出开通信号。
以此防止同一桥臂的上卜两管同时导通造成克流电源短路。
SVPWM技术源于对交流电动机定子磁链实施跟踪控制的思想，利用逆变器输出的齐慕本电压矢量交替作用，从而输出合成时的正弦交流电压产生期壑的磁链轨迹。
1 SVPWM的基本原理SVPWM实际上是对应于三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽人小的组合。
按一定规律来控制逆变器三对桥臂晶体管的通断，将直流侧电压变为三相正弦电压输出。
因此，三相桥式逆变电路各桥臂通断状态的组合为6个有效的空间矢量％(100)、％(110)、冬(010)、鸟(011)、%(001)、力(101)和2个零矢量％(000)、吟(111)如图1所示。
为了得到旋转空间矢量，在不降低直流电压利用率情况下能调控三相逆变器输出的基波电压和消除低次谐波，Rl I SVPWM矢戢、瞒区及波形町用矢量卩所在扇区边界的两个相邻特定矢量氏和％及零欠量E合成一个等效的电压矢最代调控卩的大小和相位。
则在时间很短的一个开关周期Ts中，矢最存在时间就由组成这个区域的两个相邻的非冬矢量氏存在匚时间、冷存在7；,时间以及零矢量岭存在心时间来等效，即V X T X + V y T y + KT0= VT S=卩⑦ +3, +") 将E =扌％、Vy = ^Vbe>60\ V z = 0代入上式，得^ = V3^-siii(60 -0)l y V D£ =逅鱼LsinOTs V Dv,(oil)V2(0lO t V5(! 10)v((ooi)v,aoD*= 1-扬晋8S（30 -&）每一个实际上相当于SVPWM电压波形中的个脉冲波，为使波形对称，把每个状态的作用时间一分为二，这样可以在调控输出电压基波人小的同时减少输出电压中的谐波。
两电平SVPWM实现原理
U（ 3 010）
U（ 2 110 ）
扇区3
扇区1
U
U（ 4 011）
U（ 7 111）
U（ 0 000 ）
t2 U2 Ts
U （ 1 100 ）
t1 U1 Ts
扇区4
扇区6
U （ 6 101）
U（ 5 001 ）
扇区5
图 3 空间电压矢量的合成
根据的等矢量坐标变换的等价性，空间电压矢量可以分解为两相静止坐标 系中的分量 u 、 u ，得到式（11） ，同时， U 又可以为 U 1 、 U 2 和 U 0、 7 ，此时得到 式（12） 。
2 U dc e j 4 /3 3
2 U dc e j 5 /3 3
0 0
2 通过表 2 可以发现， 三相 VSR 不同开关组合时的交流侧电压可以用模为 U dc 3
U（ U（ 的空间电压矢量在复平面上表示出来， 在八中其中矢量中， 、 由 0 000） 7 111）
于模为零而定义为零矢量。在复平面内，将空间电压矢量分为 6 个扇区，六个非 零矢量构成一个正六边形，电压控制矢量在空间的分布为：
中的 ua 0 、 ub 0 、 uc 0 代入式（10） ，得到表 2 中的八个空间电压矢量的值，空间电 压矢量 U 的模为相电压峰值，且以角频率 逆时针方向匀速旋转的空间矢量， 而空间矢量 U 在三相坐标轴（a、b、c）上的投影就是对称三相正弦量，此时我 们只要控制好变流器空间电压矢量 U ， 就可以说我们得到的变流器三相相电压为 高性能的正弦波。在数字控制的 SVPWM 实现过程中，空间电压矢量可以看着是一 个步进的空间矢量，每一个开关周期动作一下，一次逆时针转动 Ts 弧度。 开关函数 Sa、Sb、Sc 每种都有 0、1 两种状态，那么，Sa、Sb、Sc 共有八 种不同的组合方式，将这八种不同的组合方式分别命名，即可得到复平面内的 八种空间电压矢量及其所代表的开关组合（表 1）和其值的大小（表 2） 。
基于SVPWM控制的逆变器仿真研究
（13）
由图 3 和表 3 可得在各扇区内各电压矢量的切换时刻如表 4 中所示。
4 仿真
4.1 三相电压型全桥逆变器在 MATLAB/SIMULINK 下的仿真模型
根 据 上 述 逆 变 器 数 学 模 型 [ 式（1）和 式（2）]，在 MATLAB/SIMULINK 环境下建立的三相电压型全桥逆变器的通用 仿真模型如图 4 所示。
图 1 三相电压型全桥逆变器主电路图
由于同一桥臂的两个开关器件不能同时导通，可设第 i 个 开关器件导通时，Si=1；否则 Si=0（Si 称为开关变量）。
开关函数定义：
（1）
式中：k =0，1，…，6，7 分别代表逆变器工作的 8 种开关状态。 假设三相参数完全对称，则逆变器的输出相电压为：
（2）
两个零矢量施加时间的分配与pwm输出波形的谐波有关文献9介绍了零矢量时间分配与pwm波形畸变率的关系并指出在t为了使逆变器输出电压波形对称将零矢量平均分为四份在开关周期的首尾各放一份在中间放两份将两个基本电压矢量u平分为二后插在零矢量间按开关损耗较小的原则每次切换开关状态时只切换一个开关器件首尾的零矢量取u0中间的零矢量取u7这样就可以画出如图3所示的扇区的开关序列和作用时间1023ud并结合式9可得
4.2 SVPWM 在 MATLAB/SIMULINK 下的仿真模型
在 MATLAB\SIMULINK 环境下建立的 SVPWM 算法模
结合以上仿真模块建立如图 8 所示的基于 SVPWM 控制 的三相电压型逆变器仿真模型，并设置仿真参数如下：直流侧 电压 Ud=600 V，参考电压正弦波频率 f1=50 Hz，三角波频率 f2=3 150 Hz（为了保持三相系统之间的对称性，以及每相波形 正、负半周的对称性，载波比应取为 3 的整数倍，并且应为奇 数[12）] ，采样周期 Ts=1/f2，三角波幅值为 Ts/2，仿真算法为 ode3， 步长为 2e～6 s，仿真时间为 0.08 s。
2电平SVPWM仿真6页
三相空间矢量调制逆变器简介电压源型逆变器（VSI ）的主要功能，是将恒定的直流电压转化为幅值和频率可变的三相交流电压。
下图给出了中压大功率系统中应用的两电平电压源型逆变器的简化电路框图。
该逆变器主要由6组功率开关器件61~S S 组成，每个开关反并联一个续流二极管。
根据逆变器工作的直流电压不同，每组功率器件可由两个或者多个IGBT 或GCT 等串联而成。
图一：两电平电压源逆变器电流框图对大功率两电平逆变器进行调制有传统的SPWM 方法，但是这种方法不能充分利用馈电给逆变器的直流电压;SPWM 逆变器是基于调节脉冲宽度和间隔实现接近于正弦波的输出电流,但是这种调节仍产生某些高次谐波分量,引起电机热、转矩脉动甚至造成系统振荡;且SPWM 适合模拟电路,不便于数子化方案实现。
由此产生了电压空间矢量(space vector)的概念。
其物理概念清晰. 算法简单且适合数字化方案,SVPWM 目前也已经得到应用。
可以证明SVPWM 实质是一种对在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变型SPWM,SVPWM 在输出电压或电机线圈电流中将产生更少的谐波,提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率传统的SVPWM 方法所产生的电压谐波，既有偶次分量又有奇次分量，所以提出了一种消除偶次谐波的改进SVPEM 方法。
工作原理空间矢量调制（SVM ）是一种性能非常好的实时调制技术，目前广泛应用于数字控制的电压源逆变器中。
两电平的开关工作状态可表述为开关状态，其中，开关状态P 表示逆变器一个桥臂的上管导通，使得逆变器输出端电压为零。
两电平逆变器有8种可能的开关状态组合，例如，开关状态【POO 】分别表示桥臂开关1S 、6S 、2S 导通，这8种开关状态中，【PPP 】和【OOO 】为零状态，其他均为非零状态。
表一图二：两电平逆变器的空间矢量图六个非零矢量1V u r ~ 6V u u r组成一个正六边形。
并将其分为1~6个相等的扇区。
两电平SVPWM仿真报告
1 SVPWM 的基本原理分析SVPWM 控制的基本思想是将电机与逆变器看作一个整体，通过控制逆变器开关的导通和关断状态的顺序来控制三相异步电机运行状态，使其在内部产生一个恒定幅值、逼近圆形的旋转磁场。
当三相异步电机的定子端输入一个三相对称的电压时，会产生一个三相对称的电流，并且在电机内部产生一个旋转磁场。
根据三相异步电机的物理特性得出：iR dtd u +=ψ(1) 式中 u —电机定子端电压；ψ—电机内部磁链； i —电机的定子电流； R —电机的定子电阻。
在三相电源的电压频率较高时，磁链的变化率很快，故上式近似为：dtd u ψ≈(2) 对等式左右同时两边积分得到：⎰=udt ψ (3) 若考虑一段很小的时间t ∆内的变化，上式可以改写为：t u ∆+=0ψψ (4) 其中ψ是电机内部磁链的初始值，u 为电压空间矢量。
通过上式可以看出一个空间电压矢量表示了电机内部磁链的增量。
下图是两电平牵引逆变器的主电路图：MT1T3T5T4T6T2UdUd图1 两电平牵引逆变器主电路图从图中可以看出其拓扑结构是由六个开关管T1，T2，T3，T4，T5，T6构成的三相全桥。
由两电平电压型逆变器的控制方法可知，位于同一桥臂上的开关函数为互补关系，在这里定义开关量S A S B S C 为各桥臂开关的通断状态。
当S i =1时，上桥臂导通，下桥臂关断；当S i =0时，下桥臂导通，上桥臂关断，其中i=A 、B 、C ，依次代表从左到右三个桥臂。
这样，由S A S B S C 可组成000、001、010、011、100、101、110、111这8种开关模式。
在不同的开关模式下，逆变器会根据指令脉冲产生不同的输出电压。
因为电机定子绕组在空间上是三相对称的，由空间电压矢量的定义可知，三相逆变器所输出的相电压有八个基本空间电压矢量，它们分别定义为0U r、1U r、2U r、3U r、4U r 、5U r 、6U r 、7U r ，其中0U r 和7U r为空间电压零矢量，即开关模式位于000和111状态，逆变器输出相的电压为0。
两电平SVPWM算法
3 SVPWM的原理及实现方法随着电压型逆变器在高性能电力电子装置（如交流传动、不间断电源和有源滤波器）中的广泛应用，PWM控制技术作为这些系统的公用技术，引起人们的高度重视，并得到越来越深入的研究。
本章首先推导出SVPWM的理论依据，然后给出5段式和7段式SVPWM的具体实现方法。
SVPWM的基本原理空间矢量PWM从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即磁通正弦。
它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。
由于该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得的模型简单，便于微处理器实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环调速系统中均得到广泛的应用[2]。
设交流电机由理想三相对称正弦电压供电，有[2][14]cos2cos34cos3ssAsB ssCstuu tutωωπωπ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎛⎫⎢⎥=-⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎛⎫-⎢⎥⎪⎝⎭⎣⎦（）其中，LU为电源线电压的有效值；LUsω电源电压的角频率，2s sfωπ=。
由于三相异步电动机的定子绕组空间上呈互差1200分布，定义电压空间矢量为2433()j jS sA sB sCU k U U e U eππ=++（）其中，SU为电压空间矢量，考虑到不同的变换，k可以取不同的值，如功率不变，电压电流幅值不变等[15~18]。
所采用交流电机的定子坐标系如图所示。
图 交流电动机定子坐标系为了使合成空间矢量在静止三相坐标轴上的投影和分矢量相等，将k 值取为23，（这也是Park 变化所采用的系数）。
所以电压空间矢量可以表示为 24332()3j j S sA sB sC U U U e U e ππ=++ （）将（）式中的值代入式（）可得理想供电电压下的电压空间矢量23()32j t j t S m m U U e U e ωω--== （）其中，m U =； 可见理想情况下，电压空间矢量为幅值不变的圆形旋转矢量。
SVPWM逆变器的控制分析与仿真研究
（ Ｓ ｔ ａ ｆ ｆ Ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｂｕ ｒ ｅ ａ ｕ ． Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｇａ ｎ ｓ ｕ ７ ３ ０ ０ ５ ０ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｖｉ ｓ ｉ ｏ ｎ
科 技 视 鼻
科 技・ 探索・ 争鸣
Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ 逆变器的控制分析与仿真研究
成旭 晟 （ 兰 州铁 路局 职 工培 ｉ Ｊ Ｉ ｌ ￣， 甘 肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
【 摘 要】 本文分析 了电压空间矢量＂ ／ ｇ ］ ＠ Ｊ （ Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ ） ￣ － ｋ ＠ ］ 的基本原理， 在此基础上将 Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ和常规 ｓ Ｐ ｗＭ进行 了 对照和分析。利 用 Ｍ Ａ Ｔ Ｉ ＡＢ
Ｓ ＶＰＷ Ｍ ｉ ｓ ｈｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ．
【 Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ 】 Ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ； Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ； ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ； Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
生旋转磁动势 的情况相仿 ． 三相定子电压空间矢量相加 的合成 空间矢 量Ｕ 是一个旋转 的空 间矢量 ， 它 的幅值不变 ， 是每相 电压值 的 ２ ／ ３ 倍。 电压空 间矢量 调制（ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｖ ｅ ｃ ｔ ０ ｒ Ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｓ Ｖ Ｍ ） 的思想 源于交 电压空 间矢量反映 了三相电压综合作用 的效果 ． 三相 电压 与电压 空间 流异步电机变频调速 ． 实现了定子电流的励 磁分量与转矩 分量之间的 矢量 的关系 由 Ｐ ｒ ａ ｋ变换来表示 ： 解耦 ． 使得矢量 控制的交流变压变 频调速 系统在 静 、 动态性 能上完全 ２ Ⅱ ＾ 。 ｏ ＋ ＋ Ｍ ） （ ２ ） 能够与直流调速系统相媲美。 电 压空间矢量脉宽调制（ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｐ ＷＭ， Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ ）控制技术 ． 也称 为磁链跟踪控制技术 ，相 比正弦脉宽调制 式 中， ＝ １ ２ ０ ￣ ， ２ ／ ３ 为变换 系数 。指数项表示 了三相绕组 的空 间位 （ Ｓ Ｐ ＷＭ ） 而言， Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ具有高次谐波少、 电压利用率高、 线性范围宽和易 置 。 按（ ２ ） 式定义得到 的合成矢量 地是模长等于交流相电压峰值 ， 以Ｗ 于数字实现等优点 ． 所 以越来越受到人们的重视 。 借助 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ强大 为角速度匀速旋 转的电压矢量 的仿真建模能力 ． 在Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 工具箱 中建立 了基于 Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ控制 的三 １ ． ２ 逆变器开关状态与电压空间矢量 相逆变器仿真模 型 ． 并 进行 了仿真实验 。 通过 与 ｓ Ｐ ＷＭ控制 的三相逆 以图 ２ 所示 的逆变器 直流电源中点 ０为参考点 ．三相输 出的瞬 变器仿真波形 比较可知 ． Ｓ Ｖ Ｐ ＷＭ控制 方法相 比 Ｓ Ｐ ＷＭ控 制方法的优 ｒ， ｒ， 时 电压 Ｕ Ａ Ｏ 、 、 为＋ 或一 。 点是正确的。
SVPWM原理及逆变技术的仿真研究
SVPWM原理及逆变技术的仿真研究作者：张军凯韩峻峰来源：《计算技术与自动化》2016年第01期摘要：由于传统的正弦波脉宽调制（SPWM：SinusoidalPWM）技术直流母线电压利用率低，谐波成分高等，针对这一问题介绍瞬时空间磁链矢量圆轨迹法（SVPWM：SpaceVectorPWM）技术。
首先对SVPWM原理进行了详细的分析，在此基础上确定SVPWM 算法实现的基本流程，并将SVPWM技术应用于三相永磁同步电机控制系统中，在SIMULINK中建立整个系统的仿真模型，仿真结果表明SVPWM控制方法能够实现等效正弦电压的输入，为SVPWM控制策略在永磁同步电机调速系统中的应用提供了一定的理论依据。
关键词：SVPWM；永磁同步电机；逆变器；SIMULINK中图分类号：TM46文献标识码：A1引言在永磁同步电机调速系统中，电机电流变化的快慢决定了电机转速和转矩的响应速度。
与电流型逆变器相比电压型逆变器更能实现电流的快速变化。
目前，使用较多的逆变器控制方式有电流跟踪PWM方式、正弦波脉宽调制SPWM方式、瞬时空间磁链矢量圆轨迹方式（SVPWM方式）[1，2]。
电流跟踪PWM方式存在开关频率不固定的缺点，在实现时受到功率开关器件最高开关频率及控制系统响应时间的限制[3]。
SPWM是通过平滑的正弦波调制信号与高频三角波载波相比较得到PWM通断信号，二者交汇点确定逆变器的通断时刻，从而产生正弦波，但这种调制方式会产生高次谐波，对于电机控制十分不利[4]。
基于SVPWM方式的逆变技术具有转矩波动小，易于数字化编程实现、直流电压的利用率高等优点，目前在逆变器控制中得到了广泛地使用[5]。
本文深入分析了SVPWM的控制策略，并将此方式进行逆变器的开关控制，应用于永磁同步电机的调速控制中，并进行了仿真实验研究。
2SVPWM的原理瞬时空间磁链矢量圆轨迹法（SVPWM）就是在很短的一段时间间隔内，通过对电压型逆变器的开关状态的线性组合，得到磁链矢量轨迹为圆形的PWM方式[1，2]。
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调制度=调制波幅值/载波幅值；一般SPWM里，调制波=正弦波，载波=三角波；输 出幅度大小与调制度成正比。
三相电压型桥式逆变电路：
电路原理图：
1 Udc
2 TPW M
Udc
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ua y
ubΒιβλιοθήκη TPWMzCaXlc uYlaZt e计_算XY Z
x T1
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z T2
N
CaTlc1ulaTte2计_ T算1 T 2
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3 UABC
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Coord坐ina标 te t变ran换sform
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两电平SVPWM调制逆变器仿真实验
制作人：
SVPWM原理：
PWM控制技术可以用于交流电动机驱动的变频器中，但是交流电动机驱动的最终 目的并非使输出电压为正弦波，而是使电动机的的磁链成为圆形的旋转磁场，从而 使电动机产生恒定的电磁转矩，因此就需要用到空间矢量PWM控制技术 （SVPWM）。 简而言之：把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形磁场为目标来控制逆变器工作。
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开关状态与相电压和线电压 的对应关系表：
电压空间矢量图
其中非零矢量的幅值相同（模长为 2Udc/3）， 相邻的矢量间隔 60°，而两个零矢量幅值为零，位 于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量 以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区 内的任意电压矢量，即：
或者等效成下式：
其中，Uref 为期望电压矢量；T为采样周期；Tx、 Ty、T0分别为对应两个非零电压矢量 Ux、Uy 和零 电压矢量 U 0在一个采样周期的作用时间；其中U0 包括了U0和U7两个零矢量。式（2-32）的意义是， 矢量 Uref 在 T 时间内所产生的积分效果值和 Ux、 Uy、U 0 分别在时间 Tx、Ty、T0内产生的积分效果 相加总和值相同。
T1 tcm 2
T2
tcm 3 TPWM
切S w换Cit cah时 lcinugl间att iem计e 算
tcm 1 tcm 2 s vpwm tcm 3
Generate
S V脉P W冲M形pu成ls e
1 pulse
电路仿真图：
参数设置
三角波参数
正弦波参数
步长与算法选择
输出PWM波形：
PWM波形
负载电流波形：
小结：
通过此次两电平SVPWM调制逆变器仿真实验，我们了解了书上的相关内容，知道 了PWM控制技术在生活中有很广泛的应用。PWM控制技术可以用于交流电动机驱动 的变频器中，但是交流电动机驱动的最终目的并非使输出电压为正弦波，而是使电动 机的的磁链成为圆形的旋转磁场，从而使电动机产生恒定的电磁转矩，因此就需要用 到空间矢量PWM控制技术（SVPWM）。
由于逆变器三相桥臂共有6个开关管， 为了研究各相上下桥臂不同开关组合 时逆变器输出的空间电压矢量，特定 义开关函数 Sx ( x = a、b、c) 为：
(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八 个，包括6个非零矢量 Ul(001)、 U2(010)、U3(011)、U4(100)、 U5(101)、U6(110)、和两个零矢量 U0(000)、U7(111)。从实际按情况来 看，前六种状态有输出电压，属于有 效工作状态；而后两种全部是上桥臂 开关导通或下桥臂开关导通，没有输 出电压，称之为零工作状态。对于这 种基本的逆变器，称之为六拍逆变器。