CN105391325A - 一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法，通过调节电压矢量的作用顺序，在同样的管子开关频率下，使输出电流纹波的频率倍增，减低了输出电流纹波的幅值。当输出电流纹波的频率上升，在相同的最大电流纹波幅值条件下，电感感值减小，但是电感阻抗保持不变，减少了电感的成本，节省了电路成本。

Description

一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法。

背景技术

由于逆变器价格不断下滑，逆变器厂家为了保证其市场的竞争力，所承受的降成本压力也日益严重。每个逆变器厂家都在寻找可以减少生产成本的方案，其中最受关注的就是逆变电感的成本。逆变电感价格昂贵，在逆变器成本中占了较大的比例。此外，逆变电感本身也很笨重，若能在其中做一些改善，可以大大减小逆变器的体积和重量，使产品具有更大的市场竞争能力。然而，由于受到其他功率电子器件性能的影响，比如开关管子，逆变电路的开关频率一直无法得到突破性的提升，使通过减小逆变电感感值和体积而达到降低逆变器成本的方法，受到了很大的局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的调制方法，通过调节电压矢量的作用顺序，在同样的管子开关频率下，使输出电流纹波的频率倍增，不再受功率电子器件的性能所局限。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法，所述调制方法包括以下步骤：

(1)在一个开关周期中，确定参考电压矢量所在的扇区；

(2)将组成所述扇区的第一有效矢量和第二有效矢量合成为所述参考电压矢量，当所述参考电压矢量靠近所述第一有效矢量时，将所述第一有效矢量的作用时间等分，使所述第二有效矢量的作用时间在被等分的两段所述第一有效矢量的作用时间之间；

(3)设定其中一个零矢量作用一次，使所述零矢量的作用时间在被等分的前段所述第一有效矢量的作用时间之前，或者使所述零矢量的作用时间在被等分的后段所述第一有效矢量的作用时间之后。

优选地，当所述参考电压矢量与所述扇区的中心线方向相同时，等分所述第一有效矢量或所述第二有效矢量。

优选地，在两电平拓扑的空间电压矢量分布中，包括:

V1、V2、V3、V4、V5、V6六个有效矢量，六个所述有效矢量组成六个扇区，每个所述扇区均为60度；

V0、V7两个零矢量；

当所述参考电压位于所述V1和所述V2之间的所述扇区中时，在一个开关周期中，合成所述参考电压的有效矢量作用顺序有四种，包括：

(a)V0→V1→V2→V1；

(b)V1→V2→V1→V0；

(c)V7→V2→V1→V2；

(d)V2→V1→V2→V7。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法，通过调节电压矢量的作用顺序，在同样的管子开关频率下，使输出电流纹波的频率倍增，减低了输出电流纹波的幅值。在相同的管子开关频率和同样输出电流纹波的幅值的条件下，减低了对电感感值的需求，从而减低了逆变电感的成本。

附图说明

附图1为两电平逆变器的电压空间矢量图；

附图2为两电平逆变器的电压空间矢量第一大扇区的示意图；

附图3为两电平CSVPWM调制方式的管子驱动信号的示意图；

附图4为两电平“0121”调制方式的管子驱动信号的示意图；

附图5为两电平CSVPWM调制方式的管子驱动信号和所产生的R相输出电流纹波的示意图；

附图6为两电平“0121”调制方式的管子驱动信号和所产生的R相输出电流纹波的示意图；

附图7为CSVPWM与本发明两电平“0121”调制方式的输出电流对比示意图；

附图8为矢量作用顺序对输出电流纹波的影响的示意图(参考电压处于第一大扇区)；

附图9为矢量作用顺序和调制比对输出电流纹波的影响的示意图(固定参考电压角度)；

附图10为三电平逆变器的电压空间矢量图；

附图11为三电平逆变器的电压空间矢量第一大扇区的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

上述一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法，包括以下步骤：

(1)在一个开关周期中，确定参考电压矢量所在的扇区；

(2)将组成扇区的第一有效矢量和第二有效矢量合成为参考电压矢量，当参考电压矢量靠近第一有效矢量时，将第一有效矢量的作用时间等分，使第二有效矢量的作用时间在被等分的两段第一有效矢量的作用时间之间；

(3)设定其中一个零矢量作用一次，使零矢量的作用时间在被等分的前段第一有效矢量的作用时间之前，或者使零矢量的作用时间在被等分的后段第一有效矢量的作用时间之后。

当参考电压矢量与扇区的中心线方向相同时，等分第一有效矢量或第二有效矢量均可。

参见图1-2所示，在两电平拓扑的空间电压矢量分布中，包括:

V1、V2、V3、V4、V5、V6六个有效矢量，六个有效矢量组成六个扇区，每个扇区均为60度；

V0、V7两个零矢量；

当参考电压位于有效矢量V1和有效矢量V2之间的扇区中时，在一个开关周期中，合成参考电压的有效矢量作用顺序有四种，包括：

(a)V0→V1→V2→V1(简称“0121”)；

(b)V1→V2→V1→V0(简称“1210”)；

(c)V7→V2→V1→V2(简称“7212”)；

(d)V2→V1→V2→V7(简称“2127”)；

在顺序(a)和顺序(b)中，参考电压较为靠近有效矢量V1，因此将有效矢量V1的有效作用时间等分后，使有效矢量V2的有效作用时间处于被等分的两段有效矢量V1的有效作用时间之间；

在顺序(c)和顺序(d)中，参考电压较为靠近有效矢量V2，因此将有效矢量V2的有效作用时间等分后，使有效矢量V1的有效作用时间处于被等分的两段有效矢量V2的有效作用时间之间。

通过矢量作用顺序的正确选择，减小有效矢量和参考电压矢量之间的瞬间差距，还可以减小输出电流纹波。

参见图3-4所示，图3为一个基于CSVPWM调制方式的管子驱动信号；三个管子QR1、QS1、QT1在一个开关周期内管子总开关次数为6，每个管子一个周期内开关两次。管子总损耗大部分取决于管子总开关次数。图4为一个基于本发明“0121”调制方式的管子驱动信号；三个管子QR1、QS1、QT1在一个开关周期内管子总开关次数为6，但是每个管子在一个开关周期内的开关次数不一样，QR1为2次，QS1为4次，QT1为0次。主要取决于参考电压的位置，然而每个管子在一个工频周期的平均开关次数还是一样的，所以此调制方式不会对某个管子的寿命造成太大的影响。该调制方式的优点在于：一个管子在一个开关周期内开关两次，而另一个管子则完全没有切换其状态，使输出电流的频率在管子损耗和开关频率没有增加的情况下，可以倍增。

参见图5-6所示，图5为一个基于CSVPWM调制方式的管子驱动信号，在一个两电平逆变拓扑所产生的输出电流纹波。输出电流纹波的大小取决于输出电感的感值和各相电压的脉宽。图6为一个基于本发明“0121”调制方式的管子驱动信号，在一个两电平逆变拓扑所产生的输出电流纹波。由于其中一个相电压的脉宽被拆分为两个均等部分，输出电流纹波的幅值将会被减小，同时也会出现类似电流纹波倍频的状态。

参见图7所示，一个基于CSVPWM(“0127”)调制方式的输出电流纹波的频率为管子开关频率。相对的，在管子开关频率没有改变的情况下，一个基于本发明“0121”的调制方式的输出电流纹波的频率倍增，允许进一步降低逆变电感感值。此外，输出电流纹波的幅值减小。

参见图8所示，给出了各种基于不同调制方式的输出电流纹波在不同的参考电压矢量之角度的RMS值。参考电压的调制比为最大值1。如图6所示，传统基于CSVPWM(“0127”)的调制方式的输出电流纹波远远大于基于本发明的“0121”和“7212”的调制方式的电流纹波。此外，本发明的“0121”和“7212”的调制方式的电流纹波是各自的映像，即电压矢量的作用顺序为“0121-1210”和“7212-2127”。映像的中间轴为30度，使这两种调制方式，可以根据需要，在这个工作点上进行平滑切换。以图2为例，A1区域可以利用“0121”调制方式，而A2区域可以利用“7212”调制方式，以便把输出电流纹波减到最低。

参见图9所示，总结了各种基于不同调制方式的输出电流纹波在不同的参考电压矢量之调制比的RMS值。参考电压矢量的角度为5°和30°。以两电平的电压空间矢量为例，输出电流纹波最大RMS值是在参考电压矢量角度为30°。虽然本发明的调制方式的电流纹波在调制比为0.5时明显比传统CSVPWM调制方式的电流纹波大，但是当调制比逐渐增加时，其电流纹波的优势就会体现出来，尤其在参考电压矢量角度为30°的工况。虽然相比传统调制方式，“0121”调制方式在低调制比的工况只有劣势而没有优势，但是由于要提高逆变效率，逆变器一般的工况都会在尽可能高的调制比，以便管子损耗可以进一步地降低。在这种高调制比的工况下，“0121”(或“7212”)调制比对电流纹波就会有很大的优势。

参见图10-11所示，三电平逆变器的电压空间矢量图是由27个矢量，六个大扇区组成。每个大扇区又可以根据有效矢量的组合而分成5个小扇区。异于两电平电压空间矢量，除了零矢量，三电平的电压矢量还可以被分成小矢量，中矢量和大矢量三大类。通过一定系列的转换公式，一个基于两电平电压空间矢量可以被移植到三电平的电压矢量图上；同样的，经过一系列的转换公式，一个基于两电平电压空间矢量也可以被移植到多电平的电压空间矢量图上。

以POO矢量和ONN矢量为中心，小扇区(1)也可以被喻为两电平电压空间矢量图中的第一扇区。同样的，以OON矢量和PPO矢量为中心，小扇区(2)也可以被喻为两电平电压空间矢量图中的第一扇区。由此可见，一个基于两电平电压矢量图构思出来的调制方式也可以转移到三电平或甚至更多电平的电压空间矢量图上。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法，其特征在于：所述调制方法包括以下步骤：

(1)在一个开关周期中，确定参考电压矢量所在的扇区；

(2)将组成所述扇区的第一有效矢量和第二有效矢量合成为所述参考电压矢量，当所述参考电压矢量靠近所述第一有效矢量时，将所述第一有效矢量的作用时间等分，使所述第二有效矢量的作用时间在被等分的两段所述第一有效矢量的作用时间之间；

(3)设定其中一个零矢量作用一次，使所述零矢量的作用时间在被等分的前段所述第一有效矢量的作用时间之前，或者使所述零矢量的作用时间在被等分的后段所述第一有效矢量的作用时间之后。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法，其特征在于：当所述参考电压矢量与所述扇区的中心线方向相同时，等分所述第一有效矢量或所述第二有效矢量。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间电压矢量脉宽调制的调制方法，其特征在于：在两电平拓扑的空间电压矢量分布中，包括:

V1、V2、V3、V4、V5、V6六个有效矢量，六个所述有效矢量组成六个扇区，每个所述扇区均为60度；

V0、V7两个零矢量；

当所述参考电压位于所述V1和所述V2之间的所述扇区中时，在一个开关周期中，合成所述参考电压的有效矢量作用顺序有四种，包括：

(a)V0→V1→V2→V1；

(b)V1→V2→V1→V0；

(c)V7→V2→V1→V2；

(d)V2→V1→V2→V7。