城际动车组逆变器PWM调制方法的分析与仿真

孟尧+邓桂美+牛步钊

摘 要：针对城际动车组逆变器SVPWM控制策略，探讨了5段式SVPWM调制法和7段式SVPWM调制法的工作原理、调制波函数，并通过仿真验证了2种调制方法在减少逆变器输出电流谐波和转矩脉动方面的表现，为今后城际列车SVPWM调制法的应用提供参考。

关键词：城际动车组；逆变器；SVPWM；控制策略

中图分类号：TM464；U266 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.019

目前，我国城际动车组逆变器大多采用两电平空间电压矢量调制法（SVPWM）。PWM调制法是将逆变器和交流电机看作一个整体，通过逆变器不同开关状态所产生的实际磁通圆去逼近三相对称电源所产生的理想磁通圆减小输入的电流谐波，从而实现对电机的优化控制。

1 空间电压矢量调制法原理

CRH6型城际动车组逆变器每相由2个IGBT功率元件串联组成，每个功率元件反并联1个续流二极管。由于逆变器每相可输出2种电平状态，所以，三相逆变器共可输出8种电平状态。

2.3 2种常用的SVPWM调制法

为了控制器（DSP等）处理方便，在合成时，一般需要定时计算（比如每隔100us计算1次）。这样，只需算出100us内2个基本矢量的作用时间。但是，由于计算出2个时间的总合往往小于100us，因此，剩下的时间就需要根据情况插入合适的零矢量。根据零矢量插入位置的不同可以得到多种不同的调制方法，本文重点讨论了动车中最常使用的5段式SVPWM调制法和7段式SVPWM调制法。

2.3.1 5段式SVPWM调制法

对于5段式SVPWM调制法，只需在PWM周期中间插入零矢量u0，u7，具体采用哪一个值由硬件根据旋转方向和开关动作次数最少的原则自行决定。例如，在第Ⅲ扇区内，如果旋转方向为逆时针，则u4先动作，u6后动作。以此类推，动作时间可以采用表2中的数据，之后选择零矢量（硬件决定）即可减少开关次数。而零矢量的作用时间可以表示为：

2.3.2 7段式SVPWM调制法

7段式SVPWM调制法与5段式SVPWM调制法的区别在于基本矢量作用顺序的不同。7段式SVPWM调制法是以零矢量u0开始，将u7作为中间矢量。为了保证每次切换只有1个开关动作，必须人为改变作用顺序。以第Ⅰ区间为例，u2对应的开关状态为（010），u6对应的开关状态为（110）。由于初始状态为u0（000），所以，首先动作的为u2（010），然后为u6（110），之后为零矢量u7（111），这样就实现了整个过程中每次只有1个开关动作。动作顺序改变，相应的时间表也发生了改变，以满足7段式SVPWM调制法的要求。

由于每个PWM周期被分为7段，因此，每个矢量的动作时间也应当有所调整。至此，零矢量的动作时间为：

T0=T7=（T-T1-T2）/2. （12）

在每个扇区内，7段式SVPWM调制法的开关动作如图3所示。

5段式SVPWM调制法和7段式SVPWM调制法是城际动车组最常使用的2种空间矢量调制法。在电机的低频域，由于5段式SVPWM调制法产生的电机输入电流谐波相对较多，转矩脉动较大，所以，多采用7段式SVPWM调制法的输出方式；在电机的高频域，由于5段式SVPWM调制法开关动作次数较少，与7段式调制法相比，其开关损耗小，并且控制相对简单，因此，在高频域多使用5段式SVPWM调制法。

3 仿真

本文重点探讨了城际动车组最常用的5段式SVPWM调制法和7段式SVPWM调制法在减少逆变器输出电流谐波和转矩脉动方面的表现，所以，需要对电机的输入电流进行FFT分析。利用MATLAB搭建仿真电路，如图4所示。在正常工况下，将直流电压模块的电压设置为1 800 V，电机模块采用CRH6F使用的YQ285型电机参数，POWERGUI模块可以进行FFT谐波分析，multimeter和current measurement模块为采样模块，SVPWM模块采用编程的形式构建。

将仿真时间设置为0.06 s，分别采用5段式SVPWM调制法和7段式SVPWM调制法进行仿真，由此得到2种波形图，如图5和图6所示。其中，波形图中的采样数据由上自下分别为电机相电压、相电流、线电压和直流侧电流。由图5、图6可知，使用5段式SVPWM调制法和7段式SVPWM调制法可以得到相对较为平滑的电机相电流。但是，采用5段式SVPWM调制法时，直流侧电流会产生尖峰，最大数值可达到50 000 A，所以，需要采用相应的保护措施，而7段式SVPWM调制法则不需要。

4 结论

本文阐述的是使用MATLAB仿真2种调制法的真实情况。总体来说，2种空间矢量调制法都可以产生较小的谐波，在减小转矩脉动上有很好的表现。虽然使用5段式SVPWM调制法可以降低开关损耗，但是，对比5段式仿真与7段式仿真的结果可知，7段式仿真在减少谐波等方面的表现更加突出。这是因为7段式SVPWM调制法的每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束，从一个矢量切换到另一个矢量时，仅有一相状态发生改变，所以，谐波分量比较少，对电路的影响也比较小。在城际动车组运行的过程中，需要根据实际情况平衡开关损耗与谐波的关系，从而选择合适的空间矢量调制法。

参考文献

[1]Jacob，M.R.Baiju.Spread spectrum modulation scheme for two-level inverter using vector quantised space vector-based pulse density modulation[J].IET Electr Power Appl，2011，5（7）.

[2]Mcgrath B P，Holmes D G，Member S.Reduced PWM Harmonic Distortion for Multilevel Inverters Operating Over a Wide Modulation Range[J].Power，2006，21（4）.

[3]崔纳新，张承慧，杜春水.变频调速异步电动机效率优化控制的研究进展[J].电工技术学报，2004，19（5）.

[4]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[5]王强，张化光，褚恩辉，等.软开关PWM逆变器拓扑结构及效率分析[J].电机与控制学报，2009，13（3）.

[6]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

〔编辑：白洁〕