CN103746589A - 单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法。使用单极性控制的载波三角波或锯齿波，以及一组用分段函数表达的调制波，载波与调制波的交点送出开关信号，实现三相二电平逆变器空间电压矢量调制。本发明不但有和常规三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法SVPWM一样的调制效果，如高电压利用率、产生圆形磁链，而且无死区保护要求，波形畸变的问题也不复存在，开关次数减少一半，具有开关损耗小的优势。

Description

单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法

技术领域

本发明涉及一种三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法，特别涉及一种基于单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法。 

背景技术

三相两电平逆变器调制常用这几种方法：双极性控制的正弦脉宽调制法（SPWM）和空间电压矢量法(SVPWM)，含三次谐波注入的SPWM，基于非连续调制波的DPWM0，DPWM1，DPWM2，DPWMMAX，DPWMMIN等调制方法。 

上述所有的调制方法，都是基于双极性控制的，双极性控制要求桥臂上下管的状态是互补的，即状态“1”时：上管开通则下管关闭；状态“0”时：下管开通，上管关闭。在状态0到1（或1到0）的切换过程中，一个桥臂的上、下管不能同时开通，否则会造成短路事故，必须有一定的死区时间保证前面开通的管完全关闭后再打开另一个。死区问题无法回避。死区的存在，给硬件的设计带来相当的负担，人们在驱动芯片上增加死区保护技术，或者在设计微处理器时就加入死区保护功能，但是即使这样还会带来波形畸变，对调制效果产生了不利的影响。 

单极性控制技术在单相逆变器的恒频控制中应用较多，而在三相逆变器变频控制中却未见报道。三相逆变器进行单极性调制时，三个桥臂互相牵制，桥臂的上下管全部关闭时输出的电压不确定，变压时不能简单地缩短各电压矢量的作用时间来减小输出的电压，给圆形磁链的产生带来困难。但是，如 能充分利用各开关管内并联续流二极管的电压钳位作用，处理好单管（上管或下管）动作时电流的方向，采用适当的调制曲线单极性控制就能产生和双极性控制一样的效果，并且具有开关损耗减少，不用考虑死区保护，无波形畸变的优势。 

发明内容

本发明的目的为了解决现有技术中存在的双极性控制三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法死区问题无法回避的技术问题。 

本发明所采用的技术方案是，基于单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法，其特征在于，该算法为：使用单极性控制的载波三角波或锯齿波，以及一组用分段函数表达的调制波，载波与调制波的交点送出开关信号，实现三相二电平逆变器空间电压矢量调制，所述分段函数调制波的表达式为： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_a=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_a=1+m\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π}/3)\\ V_a=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_a=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_a=-1+m\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_a=1;& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_b=-1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right);& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_b=1;& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π}/3)\\ V_b=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_b=1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_b=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_b=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_c=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_c=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π});& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/3,2\mathrm{\π}/3)\\ V_c=-1+m\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_c=1;& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_c=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π});& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_c=1+m\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中m为调制系数(0＜m≤1)，V_a，V_b，V_c分别为三相调制波。 

本发明的有益效果： 

基于单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法，在计算载波和调制波交点的开关状态时，使用了前面定义的分段函数，利用该分段函数可以实现三相逆变器空间电压矢量矢端沿着圆形轨迹移动，其幅值等于或小于内接于8个非零电压矢量构成正六边形的内接圆半径。本发明构造出一种分段函数表达的调制波适合于单极性调制，使其既能达到高的电压利用率，又能保证电机在空载直到堵转工况下电流、电压之间的相位妥当，充分利用续流二极管的续流、钳位作用，用一个开关管的动作起到原来两个开关管一起动作的效果，成功解决了死区问题。 

总之，本发明不但有和常规三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法SVPWM一样的调制效果，如高电压利用率、产生圆形磁链，而且无死区保护要求，波形畸变的问题也不复存在，开关次数减少一半（在一个电周期中，每个开关管只有1/3的时间在动作），具有开关损耗小的优势。 

附图说明

图1是三相二电平电压型逆变器主电路； 

图2是本发明调制系数m=1时的三相调制波曲线； 

图3是本发明调制系数m=0.5时的三相调制波形曲线。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

本发明算法的主电路如图1所示三相二电平电压型逆变器主电路。 

图中所示为三相二电平电压型逆变器，负载为三相电机。实际使用时电机既可以如图示的星形联接，也可以三角形联接。 

上管VT₁和下管VT₄是两只内部并联二极管的开关管（绝缘栅双极型晶 体管IGBT，或金属氧化物硅场效应晶体管MOSFET）,两管组成一个半桥称为桥臂a。VT₃和下管VT₆组成桥臂b，VT₅和下管VT₂组成桥臂c。同理三桥臂的三个输出端点a，b，c分别和电机的三相绕组的一头相连(图中电机为星形联接)。连接桥臂上下端的直流母线加上直流电压V_dc后，通过适当的算法控制6个开关管的动作就可以输出频率、电压可控的三相交流电驱动电机。 

本发明基于单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法为：使用单极性控制的载波三角波或锯齿波，以及一组用分段函数表达的调制波，载波与调制波的交点送出开关信号，实现三相二电平逆变器空间电压矢量调制，所述分段函数调制波的表达式为： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_a=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_a=1+m\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π}/3)\\ V_a=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_a=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_a=-1+m\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_a=1;& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_b=-1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right);& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_b=1;& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π}/3)\\ V_b=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_b=1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_b=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_b=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_c=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_c=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π});& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/3,2\mathrm{\π}/3)\\ V_c=-1+m\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_c=1;& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_c=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π});& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_c=1+m\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中m为调制系数(0＜m≤1)，V_a，V_b，V_c分别为三相调制波。 

所述载波三角波或锯齿波分成两组，正半轴一组，负半轴一组，决定开关周期； 

Va，Vb，Vc的绝对值代表三个桥臂a，b，c在一个开关周期内，开通时间和开关周期的比值，正表示上管动作，下管一直关闭；负表示下管动作， 上管一直关闭。如：V_b=-0.9表示下管VT₆开通0.9个开关周期，上管VT₃一直关闭。 

借助改变调制波的频率改变逆变器输出的频率，生成三相交流电流；借助改变调制系数m(0＜m≤1)，改变逆变器输出的电压，达到变频变压的目的。 

调制波在进行基频以上变频变压时，取m=1，通过本发明算法得出的三相调制波曲线如图2所示。 

调制波在进行基频以下的变频变压时，在取m=0.5时，通过本发明算法得出的三相调制波形曲线，如图3所示。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

Claims (4)

1.单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法，其特征在于，该算法为：使用单极性控制的载波三角波或锯齿波，以及一组用分段函数表达的调制波，载波与调制波的交点送出开关信号，实现三相二电平逆变器空间电压矢量调制，所述分段函数调制波的表达式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_a=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_a=1+m\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π}/3)\\ V_a=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_a=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_a=-1+m\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_a=1;& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_b=-1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right);& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_b=1;& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π}/3)\\ V_b=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_b=1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right);& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_b=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_b=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_c=-1;& \mathrm{\ωt}\∈[0,\mathrm{\π}/3)\\ V_c=m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π});& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π}/3,2\mathrm{\π}/3)\\ V_c=-1+m\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[2\mathrm{\π}/3,\mathrm{\π})\\ V_c=1;& \mathrm{\ωt}\∈[\mathrm{\π},4\mathrm{\π}/3)\\ V_c=m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π});& \mathrm{\ωt}\∈[4\mathrm{\π}/\mathrm{3,5}\mathrm{\π}/3)\\ V_c=1+m\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3);& \mathrm{\ωt}\∈[5\mathrm{\π}/\mathrm{3,2}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中m为调制系数(0＜m≤1)，V_a，V_b，V_c分别为三相调制波。

2.根据权利要求1所述的单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法，其特征在于，

所述载波三角波或锯齿波分成两组，正半轴一组，负半轴一组，决定开关周期；

Va，Vb，Vc的绝对值代表三个桥臂（a，b，c）在一个开关周期内，开通时间和开关周期的比值，正表示上管动作，下管一直关闭；负表示下管动作，上管一直关闭。

3.根据权利要求1所述的单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法，其特征在于，调制波在进行基频以上变频变压时，取m=1。

4.根据权利要求1所述的单极性控制的三相二电平逆变器空间电压矢量调制算法，其特征在于，调制波在进行基频以下变频变压时，取m<1。

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