三相pwm整流器

空间矢量的广义仿真与实验研究三相电压源逆变器的脉宽调制技术

文摘

调速驱动系统需要可变电压和频率总是从三相获得供应电压源逆变器(VSI)。一定数量的脉冲宽度调制(PWM)用于获取可变电压和方案从一个逆变器频率供应。最广泛使用的三相逆变器是舰载正弦脉宽调制方案脉宽调制和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。有增加趋势,利用空间矢量PWM(SVPWM)因为他们的简单数字的认识和更好的直流总线利用率。然而,一个合适的仿真模型还没有可用的文学。因此,本文在一步一步的发展SVPWM紧随其后的MATLAB / SIMULINK仿真模型实验的实现。首先讨论了三相逆变器的模型基于空间向量表示。下一个简单和灵活的仿真模型的SVPWM的方法,使用MATLAB / SIMULINK开发。发达模型一般自然,因为它可以利用来实现连续和不连续空间矢量。论文的新颖性依赖提议的灵活和通用SVPWM的Matlab / Simulink仿真模型。实验及仿真结果验证该模式

关键词:空间矢量PWM 不连续PWM电压源逆变器

1.介绍

三相电压源逆变器广泛应用于变速交流电动机驱动应用程序因为他们提供变量电压和通过脉冲宽度调制控制变频输出。持续改进和高成本开关频率的功率半导体器件和机器控制算法的发展导致越来越感兴趣更精确的PWM技术。的工作已经在这个方向进行,评估的流行技术提出了由霍尔兹(1992)和霍尔兹(1994)。使用最广泛的是舰载sine-triangle PWM脉宽调制方法由于简单的实现方法在模拟和数字实现。在此方法中,然而,直流总线利用率低,直流5 V,这导致了客观的调查其他技术改善直流总线利用率。它是Houdsworth和格兰特(1984)发现注入零序(第三次谐波)扩展了范围的操作调制器15.5%。与大功率传动的应用程序相关的主要问题是高在逆变器开关的损失。来降低切换损失称为不连续PWM脉宽调制技术(DPWM)是由Depenbrock(1977)和Kolar et al。(1991)。拟议中的不连续PWM技术是基于triangle-intersection-implementation中非正弦调制信号与三角载波比较。一个广义不连续脉宽调制算法提出的有et al。(1998)包括的技术Depenbrock Kolar(1977)和:et al。(1991)。

然而,更好的可视化的DPWM方法是通过使用空间矢量理论。基于广义DPWM 空间矢量理论是在格雷厄姆写和脂肪(2000),董Kazmierkowski et al .(2002),(2005)和哈瓦(1998)的不连续脉宽调制策略的原则是基于消除一个零电压向量,导致积极的电压空间向量加入在连续两个开关间隔的一半。不连续PWM技术的优势消除一个开关在每个半交换周期过渡,因此开关的数量减少了三分之一。另外,开关频率可以增加了3/2的逆变器的损失。另一个称为PWM技术提出了基于空间矢量理论的空间矢量PWM de Broeck et al。(1988)和小笠原群岛et al。(1989)提供了优越的性能相比舰载sine-triangle PWM技术的直流总线利用率和高更好的谐波性能。这种技术提供了简单数字实现。一个全面的关系舰载和SVPWM福尔摩斯(1996)所示,意识到活动和零空间的位置向量在每个开关周期一半舰载方案和SVPWM之间唯一的区别。

进步的功率半导体器件的开关频率增加了许多倍。对于高应用频率切换的时候,基于人工神经网络(ANN)的空间矢量脉宽调制技术是在伊克巴尔等开发的艾尔(2006),平托et al .(2000),Kerkman et al (1991),微积分(2004),和Muthuramalingam Himavathi(2007)的实现基于ANN的SVPWM快速并提供更高带宽的控制回路和减少谐波。后面传播前馈网络是实现门信号生成所需的空间。

本文致力于发展全面仿真和实验方法来实现空间矢量脉宽调制三相逆变器的连续和不连续模式策略。提出了模拟方法简单和灵活结合空间矢量的不同变体。类似的仿真模型提出了伊克巴尔et al .(2006),为实现连续的空间矢量脉宽调制在线性区域。但是,没有实验结果来验证仿真方法本文对比连续和不连续SVPWM算法除了他们的实验验证。因此,本文的主要贡献是提出一个全面的现有技术的简单仿真模型空间。首先分析了空间矢量PWM在线性区域和审查现有的DPWM技术基于空间向量的方法。仿真模型是使用最常用的MATLAB / SIMULINK 开发环境。MATLAB / SIMULINK的原因选择作为开发工具,因为它是最重要和广泛使用仿真软件和教育不可或缺的一部分项目的大多数大学电气/电子/计算机工程课程。代码开发但仿真和实验的结果为经济提供了空间。实验和仿真结果密切匹配。

2.三相逆变器模型评述

三相逆变器的电路拓扑如图1所示。每个开关(1、2、3、4、5、6)逆变器的

分支由半导体器件与反平行的二极管。半导体设备和控制设备二极管的保护。

三相逆变器的空间矢量表示输出电压介绍下。空间向量的定义是：

空间向量的三相同时表示数量。这是一个复杂的变量和函数时间与相量。Phase-to-neutral star-connected负载的电压是最容易发现通过定义一个电压区别的星点n负载和直流总线的负面铁路n .以下相关适用:

指数与大写字母电压和逆变器分支指数与小写字母阶段中性的电压。v神经网络被称为共模电压和零序电压。自相电压在星型连接负载总和为零,收益总和的方程：

替换的VA,V B & V C收益率phase-to-neutral负载的电压以下形式:

离散相电压空间矢量位置从而获得如图2所示：

二进制数字图2表明逆变器的开关状态的分支。在这里,1意味着开关在上部和0指的是在较低的开关分支。最重要的一点是为分支,最低有效位有关分支C和B中间是分支。

3.连续空间矢量脉宽调制

在1980年代中期提出了空间矢量脉冲宽度调制小笠原et al。(1989)和《福尔摩斯》(1996),提供显著的优势,超过现有的自然和定期采样正弦脉宽调制。主要优势包括其高性能更好的谐波谱而言,易于实现和增强直流总线利用率。本节简要讨论了空间矢量脉宽调制原理。在前一节中看到,三相逆变器产生八个开关状态其中包括六个活跃和两个零状态。这些向量形成六边形(图2)可以被视为组成的六个每个行业跨越60°。参考向量代表三相正弦电压合成使用的空间两个最近的活跃的矢量和零矢量间切换。活动空间电压矢量的时间的应用程序(如图1图2)被发现。

应用程序的向量Va,Vb和零向量Vc分别。为了获得固定的开关频率和最佳从SVPWM谐波性能,每个分支应该改变它的状态只有一次在一个开关周期。这是通过应用零状态向量紧随其后的是两个相邻活跃的状态向量转换时期的一半。下一个开关的一半周期是上半年的镜像。总开关周期分为7部分,应用零向量为1/4 th总数的零向量时间首先其次是活跃的应用向量应用时间和再一次的一半零向量是申请1/4零向量的时间。然后重复在未来转换时期的一半。这就是对称的空间。分支电压在一个开关周期图3中描述了。

正弦参考向量空间内形成一个圆形轨迹六边形。最大输出电压大小可以通过使用空间是最大的圆的半径,可以镌刻在六边形。这个圆是切向点的线中期加入的活动空间向量。因此,最大限度的获得基本输出电压是：

4.不连续空间矢量脉宽调制

独特的空间矢量脉宽调制的特点是显式的自由脉冲载波周期的一半位置。通过使用这个自由度的选择空间矢量脉宽调制策略制定的活跃向量在两个连续的一半切换期间搬到一起,零空间矢量因此消失导致不连续空间矢量PWM(Houdsworth和格兰特,1984)。由于这种操纵的一个分支在一个逆变器仍未调整的切换时间间隔。切换发生在两个分支,一个分支是与积极的直流总线或负直流总线。开关的数量从而减少2/3比连续的空间,因此,降低切换损失显著。六种不同的方案可根据零空间向量的位置的变化。

1．T 0 = 0（dpwmmax）

2．T 7 = 0（dpwmmin）

3．0 0不连续调制（DPWM 0）

4．30 0不连续调制（DPWM 1）

5．60 0不连续调制（DPWM 2）

6．90 0不连续调制（DPWM 3）

5.普遍SVPWM的Matlab / Simulink仿真模型

本节详细的一步一步发展Matlab / Simulink(平托et al .,2000)仿真模型为基础实现连续和不连续空间矢量。通过轻微修改代码不同类型的Matlab函数SVPWM能意识到。因此,提出模拟模式在本质上是通用的,可以很容易地模拟配置连续和不连续空间矢量在线性调制范围内。仿真模型如图4所示。每一块进一步阐述了在图5中。每个子块的图4中描述下面的小节。

5.1参考电压生成块

这一块是用来模拟平衡三相输入参考。三相输入正弦电压生成使用“函数”从功能和表的块sub-library仿真软件。然后转化为两阶段使用克拉克的转换方程(霍尔兹,1992)。这是再次使用的功能块实现的。进一步两阶段等效转换为极坐标形式使用的笛卡尔到极块sub-library仿真软件临时演员。的输出块的大小参考第一个输出和参考第二输出的对应角的波形是一个常数级行作为其值是固定的。角的波形如图6所示。这是一个锯齿信号峰值的±π。部门识别使用的角波形进行了比较预定义的值,如图6所示。波形代表了部门内部的数字编号。5.2开关时间计算

开关时间和相应的开关状态计算每个电源开关在Matlab函数块。Matlab代码需要的大小引用,引用和定时器的角度信号进行比较。的角度参考电压保持不变,一个采样周期使用零阶保持器的块,这样它的价值并没有改变在时间计算。此外,斜坡时间信号需要生成中使用Matlab代码。斜坡的高度和宽度信号等于逆变器的开关时间分支。这个斜坡使用重复序列的生成从源子任务图书馆。

Matlab代码应该首先确定参考电压的部门。应用程序的时间主动和零向量然后需要计算。所需的时间安排根据预定义的转换模式(图3)。时间需要与坡道定时器信号。斜坡的高度和宽度等于的切换时间逆变器分支。根据时间信号的位置在切换期间,开关状态的定义。这开关状态然后传递给逆变器块进行进一步的计算。

5.3三相逆变器块

这一块是建立模拟是常数的电压源逆变器直流母线电压。逆变器的输入块切换信号和输出PWM phase-to-neutral电压。逆变器模型是使用函数的构建块。5.4过滤块

想象的实际输出逆变器,过滤的PWM波痕是必需的。脉宽调制电压信号过滤这里使用一阶滤波器。这是使用传递函数的实现从“连续”sub-library块。的时间常数一阶滤波器选为0.8毫秒。这个值是确保低通截止频率的选择等于1250 Hz。所以设计滤波器将有效地消除高于1.25 kHz的涟漪。滤波器时间常数的值如果改变所需的截止频率是不同的。

5.5电压采集

这个块存储的输出结果。结果存储在“工作区”取自“下沉”库的仿真软件。的过滤阶段电压存储在这里。模拟使用最大的开发模型获得参考电压(0.575 v 直流峰值)连续和不连续空间矢量和由此产生的分支和过滤阶段电压是连续如图

7所示空间。平均分支,阶段和共模电压是不同类型的不连续空间矢量插图阐述了在图8所示。输入参考基本频率保持在50 Hz,逆变器的开关频率选为10 kHz。输出被认为是除了开关谐波正弦没有任何涟漪。通过简单地改变输入参考级和频率输出电压大小和频率可以不同。从图8是观察所有的相电压是正弦情况下,分支电压和共模电压随不同计划。

图4 Matlab / Simulink模型空间

图5Matlab / Simulink模型的子块，参考电压生成VSI 过滤器

图6部门识别逻辑

输入电压和输出电压大小级之间的关系获得使用模拟和结果如图9所示。总谐波失真计，算高达25 th谐波使用方程(5)的表达输入参考和拉力之间的关系绘制在图10所示：

之间存在线性关系输入实际参考和逆变器输出到最大的可实现的输出(0.575 V 直流)然后输出饱和脉冲粪便。飞被降低(图10)增加输入参考到最大可由于过调制然后急剧增加。

图7a电压连续过滤分支图7 b过滤阶段电压为

SVPWM 连续SV PWM

图8a平均分支,阶段和共模电压,不连续空间矢量:DPWMMIN DPWMMAX,b

图8平均分支,阶段和共模电压,不连续空间矢量:c， d。DPWM 1e，DPWM 2 f

图9输入参考和之间的关系输出电压图10输入参考和之间的关系6．实验实现

发达SVPWM方案为连续和不连续模式实现实时使用德州仪器TMS320F2812 DSP和Vi微系统,钦奈,印度、智能功率模块。DSP板也提供通过Vi微系统集成接口通信。PC与DSP板通过打印机并行端口。DSP板通过电缆连接到逆变器智能功率模块。电流传感器制造美国从LEM用于反馈的目的。全面c++代码写在PC 实现SVPWM相似一个用于仿真的目的。代码运行使用代码作曲家studio CCS 3.2 v。因此,创建了文件然后转换为ASCII文件载到DSP进行进一步处理。完整的实验设置说明在图11所示。

6.1使用TMS320F2812 SVPWM信号生成可以生成六PWM输出信号/事件管理器(EV)与可编程死区和输出极性使用PWM电路与TMS320F2812的比较单位有关。有两个事件管理器即DSP伊娃和EVB。DSP的事件管理器模块内置的硬件实现SVPWM以极大的缓解。的事件管理器的功能框图如图12所示。事件管理器B的原理框图与伊娃除了相应的配置寄存器。完整的电路有对称/非对称波形生成器类似于通用定时器,死区控制单元和输出逻辑。

下面的算法用于生成SVPWM输出(微积分,2004)

1．的极性比较输出针由行动控制寄存器配置(ACTRx)。

2．比较命令(COMCONx)寄存器配置为启用比较行动和SVPWM操作模式和设置重载条件比较寄存器(CMPRx)。

3．SVPWM操作开始,GP定时器1(或3 GP计时器EVB)应该放在连续向上/向下计数模式。

4.用户软件需要确定电压V ref变频器在生成的二维dq平面(直轴和交轴平面)。

两个相邻向量V x + 60和每个开关保持的时间1 T,T 2和0。

5．相对应的开关模式V x加载ACTRx ACTRx(12 - 14)和1(15),或开关V模式x + 60加载ACTRx(机器人12 - 14)和0 ACTRx(bot 15)。

6．然后加载CMPR1(1/2 T 1)和CMPR2(1/2 T 1 + 1/2 T 2)。

电动汽车的空间矢量PWM的硬件模块功能如下:

1．在每个周期PWM输出将定义的(新)模式V y ACTRx(12 - 14)。

2．V的PWM输出切换到模式y + 60如果ACTRx(15位)1或y V的模式如果ACTRx(15位)为0

(300 V 0-60 = V,V 360 + 60 = 60 V)在第一次比较CMPR1之间的匹配和GPtimer1(1/2 T 1)计数。

3．在第二个比较匹配在计数CMPR2之间和GP timer1(1/2 T 1 + 1/2 T 2),开关PWM输出模式(000)和(111),这一点不同于第二种模式。

4．第一个比较匹配在计数CMPR2之间和GP timer1(1/2 T 1 + 1/2 T 2),开关PWM输出回第二输出模式。

5．在第二个比较匹配在计数CMPR1之间和GP timer1(1/2 T 1),开关PWM输出回第一种模式。