空間矢量PWM諧波分析及其對電機轉矩的影響

2017-04-12 10:10:58 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　在全數字高性能交流調速系統中，通常采用數字脈寬調制來代替傳統的模擬脈寬調制。空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術是近年來研究的一個熱點。SVPWM是把三相變流器的端部電壓狀態在復平面上綜合為空間

核心提示：　　在全數字高性能交流調速系統中，通常采用數字脈寬調制來代替傳統的模擬脈寬調制。空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術是近年來研究的一個熱點。SVPWM是把三相變流器的端部電壓狀態在復平面上綜合為空間電壓

　　在全數字高性能交流調速系統中，通常采用數字脈寬調制來代替傳統的模擬脈寬調制。空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術是近年來研究的一個熱點。SVPWM是把三相變流器的端部電壓狀態在復平面上綜合為空間電壓矢量，并通過不同的開關狀態形成八個空間矢量，利用這八個空間矢量來逼近電壓圓，從而形成SVPWM波。它能在較低的開關頻率下獲得較好的諧波抑制效果和比SPWM高約15%的基波電壓。同時，SVPWM調制技術還有一個優點即易于實現數字和實時控制。

　　在不同的逼近方式下，SVPWM調制技術會有不同的效果，即產生的諧波也不同。本文基于SVRWM產生的機理，分析了SVPWM波在不同逼近方式下的諧波分布和開關效率，以及不同逼近方法下的優缺點。同時，針對諧波對交流感應電機電磁轉矩的影響進行了仿真研究，并提出了SVPWM調制技術優化的新思路。仿真研究證明了本文所提方法的基金項目：江蘇省教育廳自然科學基金（00Kjm70002）192（）空間矢量PWM諧波分析及其對電機轉矩的影響正確性和可行性。

　　2空間矢量脈寬調制基本原理由三相逆變器主電路圖（如所示）可知，逆變器必須滿足以下兩個條件：任一時刻總有三個開關處于開狀態，另三個處于關狀態；上下橋臂不能同時導通。

　　三相逆變器主電路圖在滿足上述條件下，六個功率三極管有八種開關組合：八個基本空間矢量（其中6個為非零矢量）分別標記為V1（001）、V2（010）、V3（于原點，相鄰非零矢量之間的夾角為60°，如所示SVPWM向量、扇區和原理圖任一電壓空間矢量可定義為：自的導通狀態，上開關通為1，下開關通為0，U（1為直流電壓值。

　　用基本空間矢量法估算電動機的電壓：在任一時刻投影的電動機的電壓矢量都落在六個扇區的一個之中，這樣在任一時刻的電動機電壓矢量都可以通過相鄰的基本空間矢量上的兩個矢量元素估算出來（如所示）：調制的約束條件是：式（4）決定了直流電壓為Ud時采用逆變器供電時的最大電壓。把式（3）帶入式（4）得：6.的作用時間，T.為零矢量作用時間，T（）=Ts-Ti-T2，Ts= l/（Nf），N為生成PWM載波比，f為輸出電壓頻率，U.是任一時刻的電動機電壓矢量。

　　易知，逆變器輸出最大電壓（即式（5）右邊的下限）為Ud/乃。如果反映在矢量圖上，則矢量圓是六個非當控制系統給出兩相靜止坐標系的兩個正交電零矢量組成的六邊形的內切圓。傳統的SPWM的輸下面分三種逼近方法進行討論（以第一扇區為例），仿真都是在N= 36，/=50Hz的條件下進行的。

　　仿直結果如~5所示。

　　方法1方法2方法3第一端起始點插入零矢量再走矢量V4、V6，再插入零矢量V7>接著走矢量V6，V4，終點插入零矢量Vn，如a所示。與方法1相比，零矢量全由V.來擔當，而不用即在中間不插入零矢量，如a所示。與方法1相比，零矢量全由V7來擔當，而不用V.，即在兩端不插入零矢量，如a所示。

　　壓向量Urdref、Urqef后，SVPWM控制算法將完成以下功能：確定U.edrrf和Urqref合成的電壓向量Ur落在哪一個扇區。

　　計算該扇區內兩相鄰向量和零向量各自所占時間。

　　式（3）中，O<0

　　3SVPWM優化選擇與仿真研究用八個矢量來逼近圓的方法有多種，不同的逼近方法生成的PWM波的諧波分布是不一樣的，一個采樣周期Ts內的開關次數也是不一樣的。換句話說，輸入電流的諧波分布與采樣周期中的開關次數和空間矢量逼近電壓圓的排列有很大的關系。

　　電壓矢量在每個扇區的分組為：扇區號123456矢量組比較上面三種逼近方法產生的SVPWM波形的波譜，可以發現低次諧波的區別不是很大，高次諧波主要產生在開關頻率（1. 8kHz）的整數倍附近。方法1和方法2產生的高次諧波較小，方法3產生的低次諧波較小。比較三種方法的線電壓頻譜，可以發現它們的頻譜分布與相應的SVPWM頻譜分布一致。從開關損耗的角度比較，一個PWM周期內，方法1要開關6次，方法2要開關4次，而方法3只要開關5次。

　　這三種逼近方法都是低功耗的逼近方式。根據在實際應用中工作頻率和開關次數的限制，在不同的頻段，可以參照仿真結果作出優化選擇。

　　4諧波對電機轉矩脈動的影響由于逆變器輸出電壓中含有基波及各次諧波，它們各自在電機中將產生相應的電磁轉矩。為了獲得高性能的電磁轉矩，要盡可能地減少諧波轉矩對電機的影響。因為諧波轉矩將使電機產生轉矩脈動，其中影響較大的是5次和7次諧波。下面以5次和7次諧波為例進行具體分析。

　　設基波電壓的相序為正相序，那么由諧波分析可知，5次諧波為逆相序，而7次為正相序。5次和7次諧波電壓在轉子中產生的感應電流都是6次諧波。如果在不考慮磁路飽和和磁滯損耗的前提下，可以考慮應用疊加原理來考慮電磁轉矩。5次和7次產生的最大電磁轉矩分別如下：5、7，Ux代表x次諧波的電壓有效值，/x代表x次諧波頻率，LS1代表定子每相漏電感，LS2代表折算到定子側的轉子每相的漏電感。

　　仿真用電機模型是基于兩相靜止坐標系的五階非線性方程。電機參數為：額定功率2.2 kW，額定電壓380 V，額定電流8. Hz，極對數2，額定轉速183. 26rad/s，額定電磁轉矩12Nm，定子電阻0.6878，定子電感83.97 mH，轉子電阻0. 8428，轉子電感85.基波與5次諧波和7次諧波以及各種組合對電磁轉矩影響如~ 9（都是電機在空載條件下的仿真結果）所示。

　　從以上仿真分析可以看出，5次和7次諧波對電磁轉矩的脈動存在相互抵消作用，的電磁轉5諧波優化方案諧波抑制是SVPWM調制技術優化的一個非常重要的指標。從現有的看，SVPWM調制技術幾乎處在停滯不前的狀態，技術沒有從根本上得到優化。因為在諧波抑制的同時，還要考慮到開關器件功耗的優化。目前，很多的把諧波的優化手段集中在零矢量的分布上，主要方法有：合理的分布零矢量，使諧波的抑制和開關次數的減少達到綜合最優。

　　在每個采樣周期不變的前提下，產生隨機脈沖序列，隨機改變導通時間，使諧波往高次分布。

　　通過某種控制策略，實時改變載波比，以改善低頻特性15.這些方法的目的就是要消除諧波，但是其中一些消除諧波的方法會給實時性能和開關器件帶來較重的負擔。從上面的仿真可以看出，充分利用諧波之間相互抑制的特點，比如在消除5、7次諧波時只要補償部分5次諧波，就可以尋找到一條新的降低或消除諧波影響的思路，簡化算法，減少開關器件的負擔，在不消除某些諧波的情況下，達到消除這些諧波影響的效果。

　　值得注意的是，這些算法都沒有找到在實時控制中限制諧波的參數即沒有找到逆變器合適的非線性描述函數，原因是沒有找到控制脈沖序列的比較理想的連續函數，國外已有學者開始對這方面進行研究。

　　6小結本文通過仿真研究分析了空間矢量脈寬調制技術的原理及其幾種主要產生方法的諧波分布，并對其特點做了一些小結。同時，基于對諧波對交流感應電機的電磁轉矩脈動影響的分析，提出了新的諧波影響抑制的思路。本文的研究對于SVPWM在交流感應電機變頻驅動應用中的優化選擇，和諧波抑制方案的確定具有實踐意義。