1、摘要IIIABSTRACTIV第1章 緒論11.1 電力機(jī)車的發(fā)展歷史11.1.1 國(guó)外電力機(jī)車發(fā)展概況11.1.2、中國(guó)電力機(jī)車發(fā)展概況21.2 交-直-交牽引系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)31.3 課題研究的背景及意義41.4 論文主要的工作5第2章 逆變器的主電路62.1 逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62.2 功率開關(guān)器件的選擇7第3章 逆變器的控制技術(shù)93.1 SPWM的特點(diǎn)與原理123.2 空間電壓矢量SVPWM143.2.1 SVPWM 的基本原理143.2.2 逆變器輸出電壓矢量和正六邊形磁鏈軌跡控制163.2.3 電壓空間矢量的合成方法183.3.4 SVPWM矢量組合模式的選擇19第4章 逆變器控

2、制仿真224.1 器件介紹及參數(shù)設(shè)置244.2 基于SPWM的逆變器仿真334.3 電壓空間矢量SVPWM354.4 減少低次諧波的方案384.4.1 增加開關(guān)頻率384.4.2 加入濾波電抗414.5 比較總結(jié)43第5章 結(jié)論455.1 全文總結(jié)455.2 下一步的工作思考45參考文獻(xiàn)46致謝47交直交電力機(jī)車逆變器PWM調(diào)制摘要電力機(jī)車由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)車。交直交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的牽引和制動(dòng)性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機(jī)功率大、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡(jiǎn)便、維修工作少、易于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化等優(yōu)越性。因此交直交電力機(jī)車已成為目前應(yīng)用最

3、廣泛的電力機(jī)車。逆變器在整個(gè)牽引系統(tǒng)中起到把直流電逆變成為三相交流電的作用，供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，它對(duì)整個(gè)牽引系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行起到重要作用。但是對(duì)于交直交電力機(jī)車這種大功率場(chǎng)合，由于逆變器的的開關(guān)頻率較低，將會(huì)產(chǎn)生很大的低次諧波，輕則影響系統(tǒng)的性能，重則將導(dǎo)致整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的控制失敗，因此需要對(duì)其進(jìn)行PWM調(diào)制。PWM調(diào)制作為交流調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵詞：電力機(jī)車、交直交電力機(jī)車、PWM調(diào)制AC - DC - AC Electric Locomotive PWM modulationAbstractElectric locomotive traction mo

4、tor drive the wheels of the locomotive. AC-DC-ACtraction drive system, traction than the other good traction and braking performance, good adhesion properties of the use and anti-stall, motor power, light weight, small size, high power factor, harmonic disturbance, the operation simple, low maintena

5、nce, easy-to-standard, generic and modular and other advantages. Therefore, AC - DC - AC electric locomotive has become the most widely used electric locomotives. Inverter in the DC traction system played the role of three-phase AC inverter into the supply motor is running, it is the traction system

6、 can play an important role in normal operation. But for AC - DC - AC power for electric locomotive that occasion, the inverter switching frequency islow, will have a lot of low-order harmonics, ranging from the performance of the system, re-adjustment will cause the entire speed control of the syst

7、em failed, so it needs to be PWM modulation. AC Speed Control System PWM modulation as a key link in the merits of its design is directly related to system performance. Key words: electric locomotives, AC - DC - AC electric locomotive, PWM modulation第1章 緒論電力機(jī)車由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)車。電力機(jī)車因?yàn)樗桦娔苡呻姎饣F路供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)或第

8、三軌供運(yùn)行中的電力機(jī)車給，所以是一種非自帶能源的機(jī)車。電力機(jī)車具有功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、牽引力大、速度快、整備作業(yè)時(shí)間短、維修量少、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)牽引、能采用再生制動(dòng)以及節(jié)約能量等優(yōu)點(diǎn)。使用電力機(jī)車牽引車列，可以提高運(yùn)行速度和承載重量，從而大幅度地提高鐵路的運(yùn)輸能力和通過(guò)能力電力機(jī)車的發(fā)展歷史國(guó)外電力機(jī)車發(fā)展概況）到單相低頻交流（15KV,50/3HZ或11KV,25HZ），再到單相工頻交流（25kv，50hz或60hz，個(gè)別20kv和50kv）3個(gè)主要發(fā)展階段。電力機(jī)車也隨之由直流制機(jī)車發(fā)展到交流機(jī)車和多流制機(jī)車。采用直流制的國(guó)家主要有日本、法國(guó)、意大利等；采用單相低頻交流制的國(guó)家主

9、要有德國(guó)、瑞典、奧地利、挪威和美國(guó)；采用單相工頻交流制的國(guó)家有法國(guó)、日本、印度、英國(guó)等。從主電路系統(tǒng)的特點(diǎn)可以看出電力機(jī)車最近幾十年來(lái)的發(fā)展過(guò)程。20世紀(jì)70年代以前，直流電力機(jī)車普遍采用直流牽引電動(dòng)機(jī)和高壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)；低頻交流電力機(jī)車幾乎全部采用單相交流整流子牽引電動(dòng)機(jī)高壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)系統(tǒng)。工頻交流電力機(jī)車主要采用水銀整流器或硅整流器與脈流牽引電機(jī)和高壓側(cè)或低壓側(cè)開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代開始，隨著大功率晶閘管及電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電力機(jī)車逐漸采用斬波調(diào)壓；單相工頻整流器電力機(jī)車逐步被晶閘管相控電力機(jī)車取代；在采用交流制的國(guó)家中，以瑞典為代表，包括奧地利，著重發(fā)展晶閘管相控電力

10、機(jī)車，而德國(guó)和瑞士再使用少量相控機(jī)車的同時(shí)。著力發(fā)展三相交流傳動(dòng)電力機(jī)車。在80年代，一方面，直流斬波機(jī)車和交流相控機(jī)車技術(shù)得到進(jìn)一步完善和發(fā)展。另一方面。以1979年問世的第一臺(tái)E120型交流傳動(dòng)電力機(jī)車（原聯(lián)邦德國(guó)BBC公司制造）為轉(zhuǎn)機(jī)，三相交流傳動(dòng)電力機(jī)車在德國(guó)第一些國(guó)家投入運(yùn)營(yíng)并得到迅速發(fā)展。從80年代末90年代初開始，世界上特別是西歐和日本，隨著既有電力機(jī)車的更新?lián)Q代和高速鐵路的蓬勃發(fā)展，電力機(jī)車的研制迅速向交流傳動(dòng)。目前這些國(guó)家早已停止了用于本國(guó)的直流傳動(dòng)和交直傳動(dòng)電力機(jī)車的生產(chǎn)、中國(guó)電力機(jī)車發(fā)展概況中國(guó)電力機(jī)車在40多年的風(fēng)雨中不斷發(fā)展進(jìn)步，前后共經(jīng)歷了3個(gè)階段，開發(fā)了4代產(chǎn)品。

11、其發(fā)展和國(guó)際上發(fā)展的路徑相類似，即由直流傳動(dòng)到交直電傳動(dòng)的發(fā)展。 第一階段（19561968年）是中國(guó)電力機(jī)車早期引進(jìn)仿制階段1956年中國(guó)政府提出要迅速地、有步驟地研制使用電力機(jī)車。1957年參照蘇聯(lián)H60型單相引燃管整流器電力機(jī)車，開始研究設(shè)計(jì)電力機(jī)車。1958年仿制出第一臺(tái)電力機(jī)車，即6Y1型干線電力機(jī)車，此后經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，到1968年，6Y1型改名為SS1型，是第一代機(jī)車，開始小批量生產(chǎn)；第二階段（19681985年）是中國(guó)電力機(jī)車艱難的成長(zhǎng)階段這期間跳出了照搬國(guó)外電力機(jī)車的模式，走上了自我發(fā)展的道路。產(chǎn)品SS1型成批生產(chǎn)，自主研制成功SS2型。1979年株洲電力機(jī)車工廠設(shè)計(jì)試制成功S

12、S3型機(jī)車，SS3是在吸收了SS1和SS2的成熟經(jīng)驗(yàn)。并在SS1基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的。SS3機(jī)車綜合性能優(yōu)于SS1型。1989年開始打批量生產(chǎn)，是中國(guó)第2代干線主型機(jī)車，此期間。1985年9月在株洲電力機(jī)車工廠試制成功我國(guó)第1臺(tái)相控電力機(jī)車SS4貨運(yùn)電力機(jī)車，SS4是中國(guó)第3代電力機(jī)車第三階段（1984至今）是中國(guó)電力機(jī)車迅速發(fā)展階段此階段我國(guó)第3 代電力機(jī)車發(fā)展形成多機(jī)型系列，基本形成了較為完整的4、6、8軸貨運(yùn)、客運(yùn)系列。1986年中國(guó)鐵路牽引動(dòng)力政策改為“大力發(fā)展電力牽引，合理發(fā)展內(nèi)燃牽引”以及發(fā)展“重載高速”機(jī)車。此期間株洲電力機(jī)車工廠第工廠和株洲電力機(jī)車研究所第科研單位得以大規(guī)模改造，新

13、增很多先進(jìn)專用設(shè)備和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，引進(jìn)大量先進(jìn)技術(shù)。1985年和1986年進(jìn)口8K和6K機(jī)車的同時(shí)，引進(jìn)了大量先進(jìn)技術(shù)。經(jīng)過(guò)消化吸收，結(jié)合中國(guó)電力機(jī)車實(shí)際和優(yōu)秀的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，先后自主研制成功第3代機(jī)車11種，有SS4、SS5、SS6、SS7、SS8以及它們的派生型SS4b、SS4c、SS6b、SS7b、SS7c第。1996年AC4000交流傳動(dòng)電力機(jī)車研制成功，這是我國(guó)電力機(jī)車事業(yè)發(fā)展上的一個(gè)重要的里程碑，是我國(guó)鐵路電傳動(dòng)機(jī)車開始步入交流傳動(dòng)機(jī)車的發(fā)展時(shí)期。同時(shí)還研制成功了第4代機(jī)車C4000型交流傳動(dòng)機(jī)車。2001年我國(guó)研制出第1臺(tái)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)交流傳動(dòng)客運(yùn)電力機(jī)車，標(biāo)志著我國(guó)交流傳動(dòng)機(jī)車技術(shù)

14、跨上了一個(gè)新臺(tái)階交-直-交牽引系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)以電壓型交直交變流器供電、三相異步電動(dòng)機(jī)作牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)車為例，其包括整流器、逆變器、電抗器、三相異步電動(dòng)機(jī)等。 電壓型異步電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車工作原理機(jī)車在工作時(shí)，將電網(wǎng)歹念壓引入機(jī)車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送入環(huán)節(jié)（整流環(huán)節(jié)），將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)環(huán)節(jié)平滑處脈動(dòng)，送入環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)環(huán)節(jié)平波電抗器，供給三相異步牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的交流能量。各環(huán)節(jié)的作用分述如下：環(huán)節(jié)整流電路基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。具

15、體電路可以是不可控整流橋、相控整橋流、四象限脈沖變流器。環(huán)節(jié)直流環(huán)節(jié)濾波器基本作用是平滑處的紋波（脈動(dòng)），消除或減少諧波含量，改善機(jī)車的功率因數(shù)。采用不同的整流電路，其濾波電路也不同，功能有所差別。環(huán)節(jié)逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時(shí)為了機(jī)車調(diào)速的需要，它具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)?；虿捎秒妷合嗔浚╒VCPWM）控制技術(shù)，降低電機(jī)損耗，減少網(wǎng)壓波動(dòng)的影響。環(huán)節(jié)電抗器，有三大作用。降低電機(jī)、電纜中的高頻成分，控制噪聲的傳播，抑制電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的諧波分量；保證頻繁斷開電機(jī)電路時(shí)不損壞變頻器；通過(guò)三相霍爾電流傳感器對(duì)變頻器輸出端采取完善的短路保護(hù)措施。

16、系統(tǒng)的工作特點(diǎn)：1、功率/體積比大。由于.三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中無(wú)換向器，所以相同功率的電機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的重量輕、體積小，可使機(jī)車轉(zhuǎn)向架簧下部分重量相應(yīng)減少，在機(jī)車通過(guò)曲線時(shí)，輪軌之間側(cè)向壓力也就相應(yīng)減少，這對(duì)高速行車尤為重要。同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)體積減小，空間利用好，便能選擇更為合適的懸掛方式，從而簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。2.交流電機(jī)維修量小。三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎無(wú)需維修。3.機(jī)車具有優(yōu)異的牽引和制動(dòng)運(yùn)行性能。由于異步電動(dòng)機(jī)具有很穩(wěn)定的機(jī)械特性，因而有自然防空轉(zhuǎn)和防滑行的性能，粘著利用好，既減少了輪箍的損傷，同時(shí)又有利于提高列車的加速度，縮短機(jī)車啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間。4.簡(jiǎn)化了主線路。異步電動(dòng)機(jī)的正、反

17、轉(zhuǎn)及牽引、制動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)機(jī)車控制電路就能實(shí)現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機(jī)車主線路中的兩位置轉(zhuǎn)換開關(guān)可省去，主電路變得十分簡(jiǎn)單，使整車的可靠性大大提高，降低了使用維修費(fèi)用。交直交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的牽引和制動(dòng)性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機(jī)功率大、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡(jiǎn)便、維修工作少、易于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化等優(yōu)越性課題研究的背景及意義電力機(jī)車的牽引系統(tǒng)可分為直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、交直牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、交直交牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，過(guò)去，在具有調(diào)速的牽引傳動(dòng)范圍內(nèi)大多采用直流傳動(dòng)，這是由于直流牽引電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)電流和電樞電流可以單獨(dú)控制，起動(dòng)調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩特性比較

18、理想，并容易獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，由于它存在電刷和換向器，致使電機(jī)不僅工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花和環(huán)火現(xiàn)象，這就要求電機(jī)換向片之間的電壓不能過(guò)高。從而限制了直流電動(dòng)機(jī)的功率和容量，滿足不了鐵路牽引向高速、重載方向發(fā)展的要求。從20世紀(jì)60年代開始，人們將長(zhǎng)期使用的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)（所謂的純直流傳動(dòng)）改為使用它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，即采用可控硅電源供給它勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁（所謂的交直流傳動(dòng)）。這種牽引方式將接觸網(wǎng)的單向交流電通過(guò)可控硅整流變成直流電，通過(guò)控制勵(lì)磁電力使?fàn)恳姍C(jī)具有所要求的軟特性和良好的防空轉(zhuǎn)性能，雖然這種脈流式牽引電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)有所不同但其

19、工作原理基本上與直流電機(jī)相同，仍然無(wú)法改變電機(jī)存在的火花和環(huán)火的致命缺欠。交直交牽引系統(tǒng)采用三相交流電動(dòng)機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子沒有機(jī)械換向器，也不帶絕緣繞組，不存在換向火花和環(huán)火的現(xiàn)象，因此它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，能以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，可以滿足高功率、大容量牽引傳動(dòng)裝置的要求。隨著變流技術(shù)的發(fā)展變流元件從不控的二極管、半控晶閘管，發(fā)展到全控的GTO、IGBT、IGCT，容量不斷加大，開關(guān)頻率不斷提高使得脈寬調(diào)制技術(shù)成為可能，逆變器的輸出具有平滑調(diào)節(jié)供電頻率和電壓的性能交直交牽引系統(tǒng)由這種變流器供電，就可獲得極好的調(diào)速性能。并且從原來(lái)的開環(huán)控制，到今天的廣泛使用的矢量控制、直接扭矩控制，使得交流電動(dòng)機(jī)具有極

20、好的控制特性和動(dòng)態(tài)性能，因此它將更廣泛的用于電力機(jī)車的牽引傳動(dòng)。交直交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的牽引和制動(dòng)性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機(jī)功率大、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡(jiǎn)便、維修工作少、易于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化等優(yōu)越性。由于異步電動(dòng)機(jī)軸功率大、體積小，使得機(jī)車具有適合低速大牽引力，以較少的動(dòng)軸保證列車高速運(yùn)行時(shí)所需的功率。與同樣功率等級(jí)的直流電機(jī)比較，異步電機(jī)的質(zhì)量低30%左右，因此減少了簧下質(zhì)量，減小對(duì)線路的作用力。近年生產(chǎn)的交流傳動(dòng)電力機(jī)車，網(wǎng)側(cè)采用了四象限脈寬調(diào)制整流器。使得機(jī)車不論在額定功率，還是小負(fù)載時(shí)，在牽引或再生制動(dòng)工況，機(jī)車的功率系數(shù)都在

21、0.98以上。這就意味著鐵路電網(wǎng)所需提供的無(wú)功功率很小，接觸網(wǎng)上的損耗就很小。那么在給定的電網(wǎng)功率下，使用一定功率的機(jī)車就越多，并且等效干擾電流小于2A。當(dāng)列車需要制動(dòng)時(shí)，機(jī)車將列車的動(dòng)能變?yōu)殡娔埽答佒两佑|網(wǎng)，節(jié)約了能耗。較于其它機(jī)車成本較低。因此交直交牽引系統(tǒng)將更廣泛的運(yùn)用于電力機(jī)車中。1.4 論文主要的工作逆變器在整個(gè)牽引系統(tǒng)中起到把直流電逆變成為三相交流電的作用，供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，它對(duì)整個(gè)牽引系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行起到重要作用。但是對(duì)于交直交電力機(jī)車這種大功率場(chǎng)合，由于逆變器的的開關(guān)頻率較低，將會(huì)產(chǎn)生很大的低次諧波，輕則影響系統(tǒng)的性能，重則將導(dǎo)致整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的控制失敗，因此需要對(duì)其進(jìn)行PWM

22、調(diào)制，減少其低次諧波。PWM調(diào)制作為交流調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能第2章逆變器的主電路逆變器的任務(wù)是將直流電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載電機(jī)所需的三相交流電壓向電機(jī)供電，其輸出方式既可以選擇變壓變頻(VVVF)方式，也可以 選擇恒壓恒頻(CVCF)方式，以滿足不同負(fù)載的需要。 現(xiàn)代逆變器的特點(diǎn)是趨向于采用IGBT及無(wú)吸收電路。逆變器過(guò)去采用的功率器 件有晶閘管、GTO、功率晶體管等，IGBT技術(shù)是近年來(lái)逐漸發(fā)展成熟起來(lái)的，由于 IGBT具有工作頻率高、自我保護(hù)能力強(qiáng)、控制較簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在逆變器采用的 功率器件主要是IGBT。同時(shí)也由于采用了IGBT，逆變器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變

23、 化，這主要體現(xiàn)在功率器件的過(guò)壓保護(hù)方面，由最早采用的高損耗R-C-D阻容型過(guò) 壓吸收電路，發(fā)展到來(lái)采用的低損耗不對(duì)稱型過(guò)壓吸收電路及型過(guò)壓吸收電 路，再到現(xiàn)在的無(wú)吸收電路。吸收電路逆變器通過(guò)采用無(wú)感復(fù)合母排技術(shù)、低感電容技術(shù)來(lái)盡可能消除產(chǎn)生過(guò)電壓的因素，從而盡可能避免過(guò)電壓情況的發(fā)生，同時(shí)也消除了吸收電路所產(chǎn)生的損耗，這樣，既簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，又降低了逆變 器的損耗，提高了效率，同時(shí)還因逆變器發(fā)熱量的降低而使得逆變器的體積重量 也得以減小。逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逆變器主要分為電壓型逆變器和電流型逆變器，電壓型逆變器由直流電壓中間電路供給一個(gè)恒定的直流電壓，其元件過(guò)電壓的可能性較小，但由于中間電路

24、的內(nèi)阻小，負(fù)載的故障和換流失敗，易引起過(guò)電流。再生制動(dòng)時(shí)，為了使電流反向，與晶閘管反向了二極管，因此晶閘管毋需反向耐壓；電流型逆變器由直流電流中間電路供給一個(gè)恒定的直流電流，由于將電感串聯(lián)在中間電路中，有較大的阻抗，半導(dǎo)體器件一般不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流。再生制動(dòng)，電壓方向改變，毋需反并聯(lián)二極管。就電壓型逆變器和電流型逆變器相比較，在大功率牽引領(lǐng)域，以電壓型逆變器為主。故本課題采用電壓型逆變器。為了使直流電逆變成為三相可調(diào)交流電，需對(duì)晶閘管的開關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，在逆變器運(yùn)行時(shí)，每個(gè)工作狀態(tài)下都有3只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中每個(gè)橋臂上都只有一只晶閘管導(dǎo)通，形成三相負(fù)載同時(shí)通電，這樣就可把直流電逆變成為三相可控

25、交流電。功率開關(guān)器件的選擇三相逆變器的開關(guān)器件采用IGBT。逆變器的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管（BJT），功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），絕緣柵晶體管（IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（GTO）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，這是因?yàn)镸OSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特大容量（100KVA以上）系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。在電力機(jī)車上的開關(guān)器件常用IGBT和GTO，開關(guān)IGBT元件稱為

26、絕緣門極雙極型晶體管，它兼有功率MOOSFET高輸入阻抗特性（電壓控制型）和雙極型器件的通態(tài)特性，同時(shí)開關(guān)頻率也遠(yuǎn)高于GTO元件。由于IGBT的開關(guān)頻率高，可使PWM調(diào)制頻率提高，因此IGBT是一種鐵道牽引比較理想的變流器件。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IG

27、BT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。IGBT元件和GTO元件的基本性能對(duì)比可見下圖表2.1 IGBT元件和GTO元件的基本性能對(duì)比項(xiàng)目GTO元件IGBT元件電壓（V）4500>(6000)3300>(4000)電流（A）30004000（可關(guān)斷電流）1200開關(guān)頻率（HZ）5005000開關(guān)損耗大小通態(tài)損耗小大吸收回路損耗大小驅(qū)動(dòng)功率大小di/dt,du/dt限制嚴(yán)格不嚴(yán)保護(hù)功能外設(shè)完善的自我保護(hù)第3章 逆變器的控制技術(shù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)，特別是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了電力機(jī)車逆變器系統(tǒng)及控制技術(shù)的發(fā)展。各種先進(jìn)的控制方式如正弦脈寬調(diào)制（SPWM），空間矢

28、量脈寬調(diào)制（SVPWM），關(guān)聯(lián)指令脈寬調(diào)制等日趨成熟。使用這些先進(jìn)的控制方式可以很大的提高逆變器的工作效率。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上

29、世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn).直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù),根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn),到目前為止主要有以下幾類方法：等脈寬PWM法、隨機(jī)PWM 、SPWM法、線電壓控制PWM、電流控制PWM、空間電壓矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM、非線性控制PWM、諧振軟開關(guān)PWM等。由于正弦PWM（SPWM）和電壓空間矢量（SVPWM）是應(yīng)用最

30、多的兩種逆變器控制技術(shù)。在此主要介紹SPWM法和空間電壓矢量控制PWM。（1）SPWM法：SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案. 1）等面積法：該方案實(shí)際上就

31、是SPWM法原理的直接闡釋,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中,通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷,以達(dá)到預(yù)期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn),可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計(jì)算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大,不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn). 2）硬件調(diào)制法：硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波,通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí),所得到的就是S

32、PWM波形.其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路,用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制. 3）軟件生成法：由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生.軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法. 4）自然采樣法：以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進(jìn)行比較,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性,脈

33、沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程,計(jì)算繁瑣,難以實(shí)時(shí)控制. 5）規(guī)則采樣法：規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,從而實(shí)現(xiàn)SPWM法.當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的,這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣.當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱,這種方法稱為非對(duì)稱

34、規(guī)則采樣. 規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小. 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中. 6）低次諧波消去法：低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法.其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開,表示為,首先確定基波分量a1的值,再令兩個(gè)不同的an=0,就可以建立三個(gè)方程,聯(lián)立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波. 該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大,而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn).該

35、方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中. 7）梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的,從而忽視了直流電壓的利用率,如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86.6%.因此,為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法-梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào),三角波為載波,且使兩波幅值相等,以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制. 由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),其所含的基波分量幅值已超過(guò)了三角波幅值,從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波.（2）空間電壓矢量控制PWM：空間電壓矢量

36、控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān),形成PWM波形.此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā),把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制,使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(正弦磁通). 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式.磁通開環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量,若采樣時(shí)間足夠小,可合成任意電壓矢量.此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時(shí)提高15%,諧波電流有效值之和接近最小.磁通閉環(huán)式引入磁通反饋,控制磁通的大小和

37、變化的速度.在比較估算磁通和給定磁通后,根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢量,形成PWM波形.這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足,解決了電機(jī)低速時(shí),定子電阻影響大的問題,減小了電機(jī)的脈動(dòng)和噪音.但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善3.1 SPWM的特點(diǎn)與原理由于本文采用的是電壓型逆變器故采用的SPWM調(diào)制方法是電壓SPWM。電壓脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（電壓SPWM），顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成電壓正弦的輸出，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。SPWM（正弦脈寬調(diào)制）是將正弦波變成寬度漸變的脈沖波，其中的脈沖波的寬度變化規(guī)律完全符合正弦的變化規(guī)律。正弦

38、脈寬調(diào)制的方法也叫三角波調(diào)制方法。產(chǎn)生原理是采用一組等腰三角波信號(hào)（載波）與正弦波信號(hào)（調(diào)制波）通過(guò)比較器進(jìn)行比較，其交點(diǎn)作為晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻，當(dāng)調(diào)制波（正弦波）大于載波（三角波）時(shí)，逆變橋的晶閘管導(dǎo)通，反之，則關(guān)斷，逆變器就產(chǎn)生一組等幅不等寬的脈沖序列。正弦波的頻率和幅值是可控的，只要改變正弦波的頻率，就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點(diǎn)發(fā)生改變，是輸出的逆變脈沖序列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出脈沖的電壓，其SPWM生成的原理如圖3.1所示，通過(guò)生成的SPWM信號(hào)來(lái)控制逆變器的開關(guān)斷從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。SPWM的生成方法三相橋式逆變器的主

39、電路如圖3.1所示。為了得到三相橋式逆變器所需的三相對(duì)稱SPWM脈沖，逆變器三相輸出端A,B,C相電壓之間的相位必須互差120°。為此三相SPWM最基本的設(shè)計(jì)原則之一就是，用于產(chǎn)生三相SPWM脈沖的三個(gè)正弦調(diào)制信號(hào)，即圖3.2中的U相調(diào)制波、V相調(diào)制波、W相調(diào)制波。它們之間也必須保持120°的相位差。從原理上講，三相SPWM脈沖的產(chǎn)生可以每相調(diào)制波單獨(dú)配備一個(gè)載波，也可以三相共用一個(gè)載波。由于后者的實(shí)現(xiàn)和控制更為簡(jiǎn)單，因此絕大多數(shù)三相逆變器都采用這種方法。為了嚴(yán)格的保證三相之間的相位差，載波比應(yīng)該設(shè)計(jì)為3的整數(shù)倍，如圖3.2所示，圖3.1為A相晶閘管的控制脈沖，B相和C相脈

40、沖應(yīng)該分別滯后A相脈沖180°和240°。逆變器三相輸出端相對(duì)于直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)O的相電壓波相分別為圖3.2U相電壓、V相電壓、和W相電壓所示，三相之間線電壓波形可以通過(guò)分別將兩相電壓相減得到。圖3.2中線電壓UV即U相與V相之間的線電壓的波形。圖三相SPWM在使用SPWM進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)需要考慮的問題是，SPWM波并不是真的正弦波，只是用按照正弦規(guī)律變化的階梯來(lái)逼近正弦波，為此仍然存在大量的高次諧波，在實(shí)際控制過(guò)程中必須采取有效的措施來(lái)減少諧波分量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課知，當(dāng)三角載波的頻率越高，出現(xiàn)的諧波幅度就會(huì)越小，SPWM的電流波形就越好，因而，希望可以盡量提高載波頻率來(lái)降低電流的諧

41、波分量。在實(shí)際控制過(guò)程中，載波和調(diào)制波的頻率調(diào)整可以有如下三種方法：同步調(diào)制法、異步調(diào)制法和分段同步調(diào)制法。同步調(diào)制是指調(diào)制波和載波的比值等于常數(shù)，在調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率的同時(shí)調(diào)節(jié)載波頻率，此方法雖然使得逆變器輸出的三相波形在正、負(fù)半波上有嚴(yán)格的對(duì)稱，但是在低頻控制時(shí)，會(huì)出現(xiàn)SPWM的脈沖太少，從而加大了諧波分量，不適合低頻控制；異步調(diào)制法是指載波頻率固定不變，只改變調(diào)制波的頻率進(jìn)行調(diào)制，它雖然解決了同步調(diào)制在低頻時(shí)所產(chǎn)生的諧波分量較大的缺陷，但由于它造成了輸出三相波在正負(fù)半波的不對(duì)稱，從而會(huì)加大電機(jī)運(yùn)行的不平穩(wěn)性。鑒于上述分析：在實(shí)際運(yùn)用中最為廣泛的是分段同步調(diào)制法，即在低頻時(shí)采用異步調(diào)制法，在其

42、他頻段時(shí)采用同步調(diào)制法。SPWM性能如下：1） 直流電壓利用率只有86.6%2） 其輸出電壓諧波主要是頻率為開關(guān)頻率及開關(guān)頻率倍數(shù)的諧波，而THD指標(biāo)隨開關(guān)頻率的提高而降低，而同一開關(guān)頻率下，THD的變化趨勢(shì)是隨輸出頻率的提高而增大3） 采用注入三次諧波可以提高直流電壓利用率，最大可以達(dá)到115%3.2 空間電壓矢量SVPWM電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是從交流電機(jī)的角度出發(fā)，以控制交流電機(jī)磁鏈空間矢量軌跡逼近圓形為調(diào)制目的，以求減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、改善電機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能。與傳統(tǒng)的SPWM方法相比，SVPWM具有直流電壓利用率更高、電機(jī)的諧波電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小、電壓和頻率控制能同時(shí)完成以及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單

43、等優(yōu)點(diǎn)，目前無(wú)論在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 SVPWM 的基本原理SVPWM的基本原理可以從交流電機(jī)電壓空間矢量、磁鏈空間矢量以及電流空間矢量的概念出發(fā)進(jìn)行推導(dǎo)和分析。假設(shè)交流電機(jī)由理想對(duì)稱的正弦電壓供電，三相電壓,可以用矩陣的形式表式為 （3.1）式中，為線電壓有效值，為正弦供電電壓的角頻率。采用電壓空間矢的概念，定子電壓空間矢量可定義為 （3.2）與此類似，還可以定義出交流電機(jī)的定子電流空間矢量和定子磁鏈空間矢量： （3.3） （3.4）其中，和,分別代表電機(jī)的三相定子電流和定子磁鏈。于是，交流電機(jī)定子電壓方程可以利用空間矢量簡(jiǎn)潔地表示為 （3.5）其中，表示

44、定子電阻。 由于定子電阻一般較小，除非供電頻率很低，定子電阻壓降在定子電壓中所占有的比例往往很小，在大多數(shù)情況下都可以忽略。因此定子磁鏈空間矢量可通過(guò)對(duì)定子電壓空間矢量的積分近似得到 （3.6）其中，表示定子磁鏈空間矢量的初始位置。 當(dāng)交流電機(jī)由對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)，電壓空間矢量沿著一個(gè)半徑為的圓形軌跡勻速運(yùn)行，其運(yùn)動(dòng)速率等于。從式（3.6）可知。定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)方向始終與定子電壓空間矢量的方向相同。因此一個(gè)沿圓形軌跡運(yùn)行的將在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)同樣沿圓形軌跡移動(dòng)的，而且得移動(dòng)速率與相同。電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制正是以調(diào)節(jié)交流電機(jī)定子磁鏈空間矢量軌跡為目的對(duì)進(jìn)行直接控制的一種調(diào)制方法。

45、 逆變器輸出電壓矢量和正六邊形磁鏈軌跡控制在圖2.1所示的三相橋式逆變器中，6個(gè)開關(guān)器件總共可產(chǎn)生8種有效的開關(guān)組合模式。如用,分別表示逆變器的三個(gè)橋臂的狀態(tài)，并規(guī)定當(dāng)上橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通而下橋臂開關(guān)器件截止時(shí)橋臂狀態(tài)為1。反之當(dāng)下橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通而上橋臂開關(guān)器件截止時(shí)橋臂的狀態(tài)為0，比如,=1,0,0就表示A相上管導(dǎo)通，B相和C相都是下管導(dǎo)通。逆變器8種開關(guān)組合模式所對(duì)應(yīng)的三相輸出相電壓瞬時(shí)值（相對(duì)于三相對(duì)稱星接負(fù)載的中點(diǎn)N）和電壓空間矢量分別如式（3.7）和表3.1所示。 （3.7）表定子電壓空間矢量開關(guān)狀態(tài),定子電壓空間矢量表達(dá)式0 0 000001 0 01 1 00 1 00 1 10

46、 0 11 0 11 1 10000從表3.1可知，在逆變器種可能的開關(guān)組合模式中，有6個(gè)非零電壓空間矢量（稱為非零矢量）,它們的幅值（即電壓空間矢量的長(zhǎng)度）皆相同，都等于。其余的兩個(gè)矢量和的幅值都為0，稱為零電壓矢量空間，簡(jiǎn)稱為零矢量。為了更清楚地表現(xiàn)這幾個(gè)矢量之間的關(guān)系，可以將這8個(gè)矢量繪制在復(fù)平面上，則6個(gè)非零矢量分別位于一個(gè)正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)位置，而2個(gè)零矢量位于原點(diǎn)，如圖3.3，圖中可以看出，相鄰兩個(gè)非零矢量將正六邊形外切園平分為6個(gè)頂角都是的扇區(qū)。圖3.3逆變器輸出電壓空間矢量由于逆變器輸出電壓空間矢量只可能處于7個(gè)離散的位置（和所處的位置相同）上，因此理論上講是不可能產(chǎn)生真正的連

47、續(xù)電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)的軌跡的。當(dāng)然，根據(jù)式 ，在逆變器供電的情況下，也就不可能真正產(chǎn)生定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡。 如果在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，逆變器的輸出電壓空間矢量恒定為，根據(jù)式（3.8），交流電機(jī)定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可表達(dá)為 （3.8）在內(nèi)，如果，將沿著與相同的方向勻速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)的速率與成正比；如果，則停止運(yùn)行。由此可以想到，雖然逆變器理論上不可能產(chǎn)生真正沿圓形軌跡運(yùn)行的電壓空間矢量，但是通過(guò)6個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量的“合理切換”，還是可以對(duì)電機(jī)定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)實(shí)施有效的控制，使其軌跡逼近正多邊形甚至圓形如圖3.4所示，這就是定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂频幕驹怼?電壓空間矢量的合成方法逆變器的

48、8個(gè)輸出電壓空間矢量如圖3.3所示，下面以輸出電壓矢量處于第一扇區(qū)為例進(jìn)行討論，該扇區(qū)邊界方向上的兩個(gè)矢量分別為和。假設(shè)在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，所需要輸出的電壓空間矢量為，并且它與之間的夾角為。將在和兩個(gè)方向上進(jìn)行矢量分解，就可以得到的兩個(gè)分矢量，分別標(biāo)注為和通過(guò)簡(jiǎn)單的推導(dǎo)可得（3.9）如果調(diào)制深度M定義為（3.10）那么式（3.9）又可以寫為 （3.11）前面已經(jīng)講到，實(shí)際上就是逆變器6個(gè)非零矢量的幅值，也就是和的幅值，因此式（3.11）又可以寫成 （3.12）將按照式（3.12）的計(jì)算結(jié)果分為， 共三部分，即 （3.13）如果作用的時(shí)間本身很小，那么在該時(shí)間段內(nèi)，總的作用效果就可以用和和零矢量分

49、時(shí)作用效果之和來(lái)近似等效，即有 （3.14）可見，通過(guò)控制逆變器輸出矢量和以及零矢量作用時(shí)間之比例，就可以在一個(gè)相對(duì)較小的時(shí)間間隔內(nèi)，近似等效和成所需要的輸出矢量。 SVPWM矢量組合模式的選擇如何能降低逆變器的開關(guān)頻率是SVPWM矢量組合模式的關(guān)鍵之一，為了降低開關(guān)頻率，一般地，要求逆變器在每次改變輸出電壓矢量時(shí)都只改變其中一個(gè)橋臂的狀態(tài)。如中所式第1扇區(qū)的矢量組合模式,，其特點(diǎn)是，每個(gè)開關(guān)周期都以（0 0 0）開始，從變化到（1 0 0）時(shí)只有A相橋臂的狀態(tài)發(fā)生了改變；從變化到（1 1 0）也只有B相橋臂的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，其他可以類推。由于在每個(gè)開關(guān)周期中輸出電壓矢量都會(huì)有7次改變，因此

50、這種矢量組合模式也常被稱為7段工作模式。所在的扇區(qū)SVPWM的7段工作模式1,2,3,4,5,6,其特點(diǎn)如下。（1）不論在那個(gè)扇區(qū)，逆變器輸出電壓矢量的組合都以零矢量開始，并以零矢量結(jié)束。（2）為了產(chǎn)生所要求的矢量組合，可按所示控制逆變器的3個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)（僅以在第1扇區(qū)為例，其他扇區(qū)的詳細(xì)情況可依理畫出），其中，是按式（3.12）求出的零矢量及兩個(gè)非零矢量和的作用時(shí)間SVPWM輸出電壓矢量的切換（3）在每個(gè)開關(guān)周期，各相橋臂的狀態(tài)都會(huì)發(fā)生.（4）除了占空比是O或100的情況，每個(gè)PWM周期所有開關(guān)管均開關(guān)兩次（5）每一個(gè)扇區(qū)有固定的開關(guān)順序；（6）七段中作用矢量的切換只改變一個(gè)開關(guān)管的狀態(tài)

51、七段式的開關(guān)模式開關(guān)次數(shù)較多，但得到的輸入電流的諧波含量最少，是一種最優(yōu)的開關(guān)模式第4章 逆變器控制仿真MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)

52、行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。其優(yōu)勢(shì)在于1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境：MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MAT

53、LAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。 2）簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言：Matlab一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這

54、種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力：MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C+ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性

55、方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。 4）出色的圖形處理功能：  MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而

56、且對(duì)于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱：MATLAB對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒