基于PSPICE的SVPWM仿真研究

劉 娜,張旭輝

(河南城建學(xué)院,河南平頂山467036)

0 引言

空間矢量脈沖寬度調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)是電力電子的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。與傳統(tǒng)的SPWM相比,這種調(diào)制方式下功率器件開關(guān)次數(shù)減少1/3,直流電壓利用率提高15%。由于其易于實時控制,控制方法簡單,數(shù)字化實現(xiàn)方便,因此,SVPWM技術(shù)廣泛應(yīng)用于電機控制領(lǐng)域。

1 SVPWM調(diào)制的基本原理

圖1中的三相電壓型逆變電路由三個橋臂構(gòu)成,每個橋臂有上下2個開關(guān)管,其開關(guān)狀態(tài)互補,實際調(diào)制過程中為避免上下開關(guān)管直通,會加入死區(qū)時間[2]。通常定義Sa,b,c=1為上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通時的狀態(tài),Sa,b,c=0為上橋臂開關(guān)管關(guān)閉時的狀態(tài),則S=(Sa,Sb,Sc)有圖2所示的8種開關(guān)矢量,其中6個非零矢量,2個零矢量。SVPWM的調(diào)制原理是在一個周期T內(nèi),控制鄰近參考電壓矢量和2個零矢量的作用時間,使其綜合作用效果在平均伏秒意義上與參考電壓矢量等效。

圖1 三相電壓型逆變電路

圖2 電壓空間矢量

SVPWM的調(diào)制步驟為[3-4]：

⑴判斷參考電壓矢量所在扇區(qū);

⑵計算與參考電壓矢量相鄰的兩個電壓矢量作用時間;

⑶確定電壓矢量的作用順序,計算開關(guān)作用時間,生成SVPWM波。

2 基于PSPICE的SVPWM仿真實現(xiàn)

PSPICE軟件中的ABM(Analog Behavioral Modeling)具有條件判斷、函數(shù)賦值的功能,通過函數(shù)模塊的合理組合還可以實現(xiàn)循環(huán)運算,因此很適合用于SVPWM發(fā)波方式的實現(xiàn)[5]。圖3為電壓矢量的扇區(qū)判斷流程。

若電壓矢量在第一扇區(qū),且其相鄰矢量(100)、(110)和零矢量(000)、(111)的作用時間分別為T1、T2、T0,則七段式的分配方式如圖4所示。調(diào)制實現(xiàn)中,以ABM的受控電壓源模塊產(chǎn)生圖5所示的鋸齒波作為參考值,根據(jù)圖4中各矢量的分配時間分別給定A、B、C三相橋臂上管VT1、VT2、VT3的驅(qū)動信號。以A相為例：0-T0/4時段,VT1驅(qū)動給低電平信號;T0/4-(Ts-T0/4)時段,VT1驅(qū)動給高電平信號;(Ts-T0/4)-Ts時段,VT1驅(qū)動給低電平信號。其余兩相的驅(qū)動信號給定方法相同。圖1中逆變電路三個橋臂的中點A、B、C輸出即為SVPWM調(diào)制的三相交流電壓。

圖3 電壓矢量的扇區(qū)判斷過程

圖4 第Ⅰ扇區(qū)SVPWM電壓矢量作用圖

圖5 SVPWM發(fā)波方式實現(xiàn)

3 仿真結(jié)果分析及實驗驗證

設(shè)定圖1中直流側(cè)電壓UDC=300 V,參考輸出交流電壓幅值100 V,頻率50 Hz,阻感負載R=0.2,L=0.2 mH,分別對調(diào)制頻率FS為1 800 Hz、3 600 Hz的工況進行仿真分析。

圖6為兩種調(diào)制頻率下的電壓矢量角在各扇區(qū)的變化情況。其中上圖的調(diào)制頻率為3 600Hz,電壓矢量的每個調(diào)制周期旋轉(zhuǎn)5度;下圖的調(diào)制頻率為1 800 Hz,電壓矢量的每個調(diào)制周期旋轉(zhuǎn)10度。

圖7為不同調(diào)制頻率下的三相相電流波形?？梢钥闯?由于調(diào)制頻率高時相電流中的高頻成分較容易被阻感負載濾掉,高調(diào)制頻率下的相電流更平滑。圖8是與圖7對應(yīng)的不同調(diào)制頻率下的A相電流頻率分析結(jié)果。可見提高調(diào)制頻率,可以減少低次諧波分量,降低電流諧波畸變率。

圖6 調(diào)制頻率改變時的電壓矢量角度變化規(guī)律

圖7 兩種調(diào)制頻率下的三相交流輸出電流特征

圖8 兩種調(diào)制頻率下的交流輸出電流的頻譜特征

應(yīng)用TMS320F2407實現(xiàn)上述的SVPWM發(fā)波過程,其中采樣周期T=100 μ s,死區(qū)時間Td=3.4 μ s。圖9為a相電流、uv線電壓的實驗波形,可以看出,相電流的波形接近于理想的正弦波,電流諧波含量少、波形失真較小。圖10為與之對應(yīng)的仿真波形,二者有較好的吻合度。

圖9 a相電流、uv線電壓的仿真波形

圖10 a相電流、uv線電壓的實驗波形

4 結(jié)論

本文分析了SVPWM的調(diào)制原理,基于PSPICE的行為建模方法實現(xiàn)了其發(fā)波方式并對不同調(diào)制頻率下的電路進行了仿真。對交流輸出電流的諧波分析表明,其諧波主要分布在載波頻率fs及其整數(shù)倍附近,可以通過調(diào)節(jié)調(diào)制頻率和設(shè)計合理的濾波器來降低諧波污染。同時實驗結(jié)果證明該調(diào)制方法易于硬件實現(xiàn),實時性強,穩(wěn)定可靠,具有電流諧波成分少,控制精度高的特點,是一種優(yōu)良的PWM控制方案。

[1] 陳堅.電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2002.

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