SVPWM在現(xiàn)代串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的仿真研究

摘 要：根據(jù)高電壓大容量電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速問題,提出了采用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了SVPWM的基本原理及調(diào)制算法，給出了利用Simulink的實(shí)現(xiàn)方法，建立了采用SVPWM的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果證明了該模型的有效性, 為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等許多優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛應(yīng)用。但在采用較簡單的方法調(diào)速時(shí)，性能遠(yuǎn)不如直流電動(dòng)機(jī)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是半導(dǎo)體制造技術(shù)的長足進(jìn)步，以變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速為代表的復(fù)雜調(diào)速技術(shù)控制電路因性能不斷提升、成本不斷下降而獲得了廣泛的應(yīng)用。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)多采用串級(jí)調(diào)速方法, 由于這種調(diào)速方法可以將串入附加電動(dòng)勢(shì)而增加的轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)或電動(dòng)機(jī)軸上，克服了以往轉(zhuǎn)子回路需要串電阻的缺點(diǎn)，提高了調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性，具有節(jié)能作用，可以使系統(tǒng)獲得較高的運(yùn)行效率。圖1是斬波串級(jí)調(diào)速原理圖,它在轉(zhuǎn)子直流回路中加入了直流斬波器,通過調(diào)節(jié)斬波器的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)速。斬波串級(jí)調(diào)速技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),特別在高壓大中型電動(dòng)機(jī)節(jié)能應(yīng)用方面前景光明。

對(duì)于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中逆變控制器多采用SPWM控制技術(shù),而SVPWM控制技術(shù)是一種優(yōu)化了的PWM控制技術(shù)，和傳統(tǒng)的SPWM相比，SVPWM具有直流利用率高(比傳統(tǒng)的SPWM提高了約15%)、諧波少、控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。而且電壓空間矢量的不同調(diào)制方法在不同程度上可以緩解開關(guān)頻率與開關(guān)損耗之間的矛盾。正是由于SVPWM控制技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn),使得本課題的研究具有重要的意義。

1 SVPWM脈寬調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn)

1.1 SVPWM基本原理

空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)是以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的理想圓形磁鏈軌跡為基準(zhǔn),用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁鏈圓,并由他們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài),形成PWM波形,從而達(dá)到較高的控制性能[1]。根據(jù)三相逆變器的工作原理可以知道,逆變橋共有23=8種狀態(tài),若將逆變器的8種狀態(tài)用電壓空間矢量來表示,則形成8個(gè)基本的電壓空間矢量,其中6個(gè)非零矢量,2個(gè)零矢量,每兩個(gè)電壓矢量在空間相隔60°,如圖1所示。SVPWM技術(shù)的目的是通過與基本的空間矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的組合，得到一個(gè)等效的空間旋轉(zhuǎn)電壓矢量Vref（通常稱為參考電壓矢量，其理想軌跡是一個(gè)圓）。圖2中所示六邊形內(nèi)切圓表示SVPWM欠調(diào)制方式下參考電壓的極限值[2]。

同樣，可根據(jù)參考電壓矢量的幅值和相角求取其他扇區(qū)的任一基本矢量的作用時(shí)間。在參考電壓矢量作用下，可以獲得幅值近似恒定、頂點(diǎn)沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)、平均速度可調(diào)的矢量。通過調(diào)控Vref的頻率、幅值和相位，即可實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓頻率、幅值和相位的控制。

1.2 SVPWM算法

SVPWM算法實(shí)質(zhì)是通過控制逆變器不同的開關(guān)模式,使逆變器瞬時(shí)輸出的三相脈沖電壓構(gòu)成的電壓空間矢量與所期望輸出的三相對(duì)稱正弦波電壓構(gòu)成的電壓空間矢量相等效。SVPWM信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)制需要參考電壓矢量的二維靜止坐標(biāo)系α軸和β軸的分量、以及PWM周期Ts作為輸入,其產(chǎn)生框圖如圖３所示。

1.3 SVPWM的實(shí)現(xiàn)

Matlab/Simulink為了讓用戶能夠迅速創(chuàng)建所需要的系統(tǒng)模型,提供了用以實(shí)現(xiàn)各種基本功能的大量標(biāo)準(zhǔn)模塊,并根據(jù)其功能的不同將它們歸類在不同的模塊庫中。利用這些模塊庫可以實(shí)現(xiàn)前面所分析的SVPWM算法。

SVPWM的模型框圖如圖4所示。其中包括扇區(qū)判斷、X, Y, Z的計(jì)算、T1,T2的計(jì)算、Tcm1,Tcm2,Tcm3的計(jì)算以及SVPWM產(chǎn)生等子模塊.

2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立

由圖1可見,斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對(duì)稱交流電壓源、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)、整流橋、平波電抗器、斬波單元、逆變器、逆變變壓器等部分組成。為了研究和分析SVPWM算法在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性,利用MATLAB/SIMULINK中的powersystem和Simulink模塊庫,為此系統(tǒng)建立了仿真模型, 由電機(jī)測量模塊可以直接檢測出電機(jī)的各輸出物理量。仿真結(jié)果如圖5所示。

本文根據(jù)空間電壓矢量PWM技術(shù)的基本原理,對(duì)SVPWM算法進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并用MATLAB7.1的SIMULINK對(duì)SVPWM算法進(jìn)行了仿真,得到較為理想的結(jié)果,最后建立了基于SVPWM算法的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型,結(jié)果表明該算法在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的可行性,為優(yōu)化串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。