三电平逆变器SVPWM控制算法研究

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  •     摘要:论述了二极管箝位式三电平逆变器的基本结构,分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制三电平逆变器的算法,给出了确定参考矢量的三个规则,并推导出工作矢量的作用时间和输出顺序,从而使三电平逆变器SVPWM控制算法的可行性得到了验证。
    关键词:三电平逆变器;SVPWM;算法

        目前,三电平逆变器是实现中高压、大容量电机调速的主要方式之一,与传统的两电平逆变器相比,其优点是能承受高电压、电压电流上升率低等。但是,由于其逆变状态比传统两电平多,加上前端三线整流所带来的中点电压波动,其控制算法的复杂程度也随之增大。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)本质上依赖于开关矢量的选择和开关矢量作用时间的计算,通过优化开关矢量,降低开关频率,从而减少了交流侧电流的总谐波畸变率,提高了母线电压利用率。

    1 三电平逆变器主电路结构
        三电平逆变器主电路结构主要是二极管中点箝位(NPC)式,如图1所示。

    a.jpg

        以电源中点为参考,每一相可以输出1、0和-1三种电平。以U相为例,其输出规律为:当S1、S2开通。S3、S4关断时,输出电压为1;当S2、S3开通,S1、S4关断时,输出电压为0;当S1、S2关断,S3、S4开通时,输出电压为-1。
        对三相三电平逆变器而言,每相都有3种(1、0、-1)电平输出,所以三相共有33=27个电平状态输出,对应着空间矢量的27个矢量状态,如图2所示。

    2 三电平SVPWM算法的实现
    2.1 参考电压矢量位置和输出电压矢量的确定
        SVPWM算法的首要任务就是判断参考电压矢量位于哪个区域及该区域中的哪个小三角形,然后依此确定相应的输出电压矢量。为了防止输出电压产生很高的dv/dt,每次输出状态切换时,开关状态只切换一个电平。第I象限正三角形中矢量分区如图3所示,其它象限矢量的分析可参照第I象限。先根据参考矢量的角度确定出该矢量位于图2所示的6个正三角形区域中的哪一个,然后可以依据如下3条规则进一步判断位于哪个小三角形。参考电压矢量所在小三角形的3个顶点所对应的电压矢量就作为参考电压矢量的基本矢量。

    b.jpg


        参考电压矢量为:
        c.jpg
    2.2 输出电压矢量作用时间的计算
        在采样周期内,对于给定的参考电压矢量Vref可以由3个基本电压矢量来合成,根据伏秒平衡原理,满足方程组:

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