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三相逆变器SVPWM
一． 前言
牵引逆变器可以分为电压源型和电流源型两种，为同步电机供电的大多采用电流源型逆变器，为异步电机供电的大多采用电压源型逆变器，我国交流传动电力机车和高速动车组全部采用电压源型逆变器。根据列车的牵引/再生制动特性曲线可知，机车工作分为恒牵引动力起动和恒功率运行两个阶段。由于起动阶段电机工作在低频率区，为了减少谐波，逆变器采用PWM控制技术；恒功率运行时由于电机工作效率较高，逆变器采用方波控制。本文针对机车牵引常用的两电平电压源型逆变器就SVPWM控制方式进行一些相关讨论。 二． 理论分析
传统的SPWM控制技术主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，对电流波形一般只能采取间接控制。而在实际应用中，异步电机需要输入电流尽量接近正弦波，从而在空间上形成圆形旋转磁场，产生稳定的电磁转矩。如果对准这一目标，按照跟踪圆形磁场来控制PWM电压，那么控制效果就会更直接;这就是“磁链跟踪控制”的基本思想。磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以这种方法又叫做“电压空间矢量调制”，即SVPWM。 SVPWM技术最初是应用在电机调速领域的，后来扩展成为一种在整流/逆变领域应用广泛的PWM方法。
2.1 电压空间矢量的概念
电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图2-1
图2-1 电压空间矢量
这是一个特殊的坐标系，A、B、C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120度，三相定子相电压
UC分别加在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量UAO、UA、UB、
UBO、UCO它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦
规律做变化，时间相位互差120度。假设为相电压有效值，f为电源频率，则有:
UA?t??2U?cos?2?ft?
2???UB?t??2U?cos?2?ft??
3??2??UC?t??2U?cos?2?ft?3??? ?
假设单位方向矢量p?j?，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U?t?就可以表示为：
U?t??22UA?t??p?UB?t??p?UC?t??2U?ef?2?ft 323??可见U?t?是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值;当频率不变时，以电源角频率w=2为电气角速度做恒速同步旋转，哪一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。
2. 2 电压矢量与磁链矢量的关系
当用三相对称正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链
空间矢量幅值恒定，并以恒转速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场(磁链圆)。因此如果有一种方法，使逆变电路能向交流电动机提供可变电源，并能保证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频思想。
我们可以按照前面定义电压空间矢量的方法定义电流和磁链的空间矢量I?t?和??t?。因此有
U?t??RI?t??d??t?
dt当转速不是很低时，定子电阻R的压降相对很小，上式可以简化为
??t???U?t?dt 因为??t???mejwt
d?mejwt?jw?mejwt U?T??dt??
当磁链?m一定时，U?t?的大小与w成正比，或者说供电电压与频率f成正比，其方向是磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2?弧度，其运动轨迹和磁链圆重合。这样电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。
2. 3 三相逆变器的基本电压矢量
图2.2所示为三相PWM逆变器供电给异步电机的原理图。利用这种逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形轨迹为目标，就可以产生谐波少的、且直流电源电压利用率较高的输出。图2.2中的V1 - V6是6个功率开关管，引入开关函数和，分别代表三个桥臂的开关状态。
图2-2 三相PWM逆变器一异步电动机原理图
规定:当上桥臂开关管“开”状态时(此时下桥臂开关管必然是“关”状态)开关状态为1;当下桥臂开关管“开”状态时(此时上桥臂开关管必然是“关”状态)，开关状态为0。三个桥臂只有“1”和“0”两种状态，因此开关函数SX(X=A, B, C)是一个二值变量，上桥臂器件导通时SX=1，下桥臂器件导通时SX=0 .()组合在一起，一共有8种(( 23=8 )