三电平SVPWM学习

loohoolinda

导读：本期对三电平SVPWM的原理和建模做一个简单介绍，并与两电平SVPWM做了一个对比。

后面把三电平的SVPWM运用到异步电机直接转矩控制中，看与传统的两电平SVPWM，控制性能是否得到改善。

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与两电平逆变器相比，三电平逆变器器件开关应力仅为两电平的二分之一，开关损耗显著降低。随着电平输出数的增加，逆变器输出电压波形更接近正弦波。三电平逆变器输出性能主要取决于调制算法。目前变流器的调制方法主 要是脉宽调制（PWM），包括正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制技术 （SVPWM）。较 SPWM 算法而言，SVPWM 以其电压利用率、输出电压谐波含量低等优点。

一、三电平逆变器的介绍

三电平逆变器与传统两电平逆变器结构相仿，由3个桥臂组成，但每个桥臂上有 4个开关管且带有中性线，原理图如图1所示。对于Ａ相，当上半桥臂的两个管子同时导通时，Ａ相电压为E/2，当下半桥臂两个管子同时导 通时，A相电压为-E/2，当中间两个管子同时导通时，A 相母线通过二极管接于中心点 N，A 相电压为 0，即得到 三电平电压，B、C两相和A相控制原理完全相同，这样 每相电压有3个电平、3个桥臂，可以组合成27个电压矢量，每相电压相同时，输出电压矢量为零。将这27个电 压矢量从 1～27 编号得到 V1～V27，将 3个零矢量编号为 V7、V14、V27，电压矢量图如图2所示。



图1 三电平逆变器原理图



图2三电平逆变器电压矢量图

二、三电平SVPWM原理介绍



图3 三电平SVPWM模块整体框图
2.1扇区判断模块



2.2区域判断模块





图4 小扇区判断

在确定大扇区后，在每个扇区内又分成小扇区。接下来以第一扇区为例，根据区域分布情况和几何关系，可以判断参考电压矢量所在的区域。

（1）确定参考矢量所在位置

如空间矢量图所示，将三电平矢量图分为6个大扇区，每个扇区60°，每个扇区又可以细分成4个小扇区。



图 扇区Ⅰ

定义

、

为参考矢量

在

轴和

轴上的投影，则有：



根据三角形知识，很容易得出

落在扇区Ⅰ的条件为：



又有：



带入上式可得

落在扇区Ⅰ的条件为：

，其他5个扇区也是同理。

同时，根据空间几何判定原理，

落在扇区Ⅰ的小三角形区域可以通过以下条件确定：

（1）当

时，则

在小三角形区域A；

（2）当

时，则

在小三角形区域C；

（3）当

时，则

在小三角形区域D；

若上述条件全部不满足，则

在小三角形区域B。其余五个扇区的判断方法和一扇区类似。

（2）矢量作用时间：

为了得到更好的输出波形，参考电压矢量的合成应遵循最近原则，即由最近的空间电压矢量和和合成。这里按照最近三矢量原则选取合成

的三个基本电压矢量为

、

和

，对应的作用时间分别为

、

和

，作用总时间为

。以第Ⅰ扇区小三角形区域A为例：



按照伏秒平衡原理可得：



参考电压矢量

及三个基本电压矢量

、

和

可以表示为：



带入上式，利用欧拉公式变换，可得：



方程两边为复数形式，只要令两边实部和虚部分别相等，便可以得到：



其中，

为调制比

同理，可以求出参考电压矢量在其他区域的基本矢量作用时间。整个区域范围内的基本矢量作用如表1所示（对应短矢量为每个采样周期各个区域开关顺序的起始矢量）。

表1 基本电压矢量作用时间表





2.3时间状态分配

从三电平SVPWM基本空间矢量图可以看出，大矢量和中矢量与开关状态一一对应，短矢量对应2组开关状态，零矢量有3组开关状态。由千在每个采样周期内出现的开关状态中，短矢量对应的开关状态出现的次数多，因此选用短矢量作为每个采样周期的起始矢量。为了使基本矢量对应的作用事假内核开关状态分配简便一致，本文选用短矢量作为每个采样周期的起始矢量。零矢量可以根据开关状态的作用次序选取。

各组开关状态的作用次序要遵守这样的原则：任意一次电压矢量的变化只能有一个桥壁的开关动作，这是因为如果允许有两个或者三个桥壁同时动作，则在线电压的半周期内会出现反极性的脉冲，产生反向转矩， 引起脉动和电磁噪声。

根据上述原则，每个采样周期以短矢量作为起始矢量，每个矢量空间区域的状态作用次

序如表2所示，其中 n, O, p分别表示对应三相为低电平，零电平，高电平。

表2矢量状态次序表



采用中心对称的七段式SVPWM波形将基本矢量的作用时间分配给对应的矢量状态。以扇区I区域1为例， 基本矢量的作用时间与矢量状态的对应关系如图5所示。三相矢量状态对应全部开关状态，将基本矢量的作用时间分配给对应的矢量状态，也就是将开关器件的导通或关断时间分配给对应的开关器件， 完成对主电路开关器件的控制。



图5 七段式SVPWM发波方式

三、两电平和三电平SVPWM波形比较
3.1两电平SVPWM



图6两电平SVPWM



图7 A相电压
3.2三电平SVPWM



图8 三电平SVPWM



图9 A相电压

四、总结

三电平电路具有的优点：（1）任何时刻处于关断状态的开关器件承受的压降减小，更适合大容量高电压的场合；（2）可产生多层阶梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上可以提高电平数可接近标准正弦波、谐波含量很小；（3）电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的 du/dt 通常只有传统的双电平的一半；（4）效率高，消除同样的谐波，两电平 PWM 控制算法开关频率高、损耗大，而三电平逆变器可用较低频率进 行开关动作，损耗小、效率提高。

三电平逆变器缺点：（1）需要较多的开关器件；（2）控制算法复杂；（3）存在电位不平衡问题。三电平逆变器的基本拓扑结构包括二极管钳位式、飞跃电容式、带分离直流电源串联式。带分离直流电源串联式电路拓扑需要独立的直流电源，限制了它的应用；飞跨电容式电路拓扑数目增加带来诸多不便，且它进行有功功率传 输时，控制复杂。因此大多数使用二极管钳位式拓扑结构作为三电平逆变器的主电路（NPC）。