一种SVPWM过调制算法的仿真分析**

2022-01-19王发良

南方农机 2022年1期

王发良

（景德镇学院机械电子工程学院，江西景德镇 333000）

逆变器根据驱动源可以划分为电压源和电流源两种类型[1]。在交流传动领域，电压源逆变器由于其性能优势，占据主流地位。电压源逆变器多采用SVPWM技术对输出电压进行控制，与传统的正弦脉宽调制技术相比，SVPWM技术的输出电压提升了15%[2]，然而，SVPWM技术并没有充分利用直流母线电压。为了充分利用直流母线电压，提高逆变器的最大输出电压[3]，有必要对过调制技术进行研究。课题组研究了一种SVPWM过调制技术，根据调制比的大小，划分成三个区域，三个区域采用不同的调制方法。仿真结果表明：过调制方法能够有效提高逆变器的最大输出电压。

1 SVPWM的基本原理

在一个开关周期内，对给定电压矢量相邻的两个基本电压矢量和零矢量的作用时间进行控制，使得三者的矢量和的平均值等于给定电压矢量，此即SVPWM的实质[4]。在一个采样周期内，通过控制逆变器的开关器件的状态实现对两个基本电压矢量及零矢量作用时间的控制，从而控制合成的电压矢量的运动轨迹为圆形，即利用对逆变器的开关状态的控制产生了圆形磁通，最后将实际磁通圆和参考磁通圆比较，决定逆变器的开关状态，最终产生相应的PWM波[5]。

对于任意一个给定电压矢量，都能等效为与其相邻的两个基本电压矢量和零矢量的组合。以第一扇区为例：

式中：1T、2T、0T三者之和为采样周期sT；U0为零电压矢量。

两个基本电压矢量及零矢量的作用时间分别为：

由式（1）可知，对于第一扇区而言，只要能得到式（2）所示的相应基本电压矢量和零矢量的作用时间，那么任意的参考电压都可以由基本电压空间矢量U1、U2及零矢量组合而成。同理，在其他扇区，只要合理地选择基本电压矢量、零矢量以及相应矢量的作用时间，那么对于处于任意一个扇区的任意参考电压矢量，其都能够表示为基本电压矢量和零矢量的组合。因此，只要对基本电压矢量和零矢量的作用时间进行合理选择，便可实现合成的电压矢量运动轨迹为圆形，最终实现磁链光滑。

2 SVPWM过调制原理

从上面对SVPWM原理的分析可知，SVPWM最大输出电压的幅值为六个基本电压空间矢量构成的六边形内切圆的半径，即SVPWM的最大输出电压为为了提高逆变器的最大电压输出能力，有必要对过调制技术进行研究。

为了便于后续分析，定义调制比为[7]：

式中：u ref表示给定参考电压峰值，U dc表示直流母线电压。

根据给定参考电压矢量幅值的大小，可以将电压空间矢量划分为3个区域[8]：1）当给定参考电压矢量的幅值满足此时给定电压参考矢量处于线性调制区，对应调制比满足0 ≤mi≤ 0.907；2）给定参考电压矢量幅值满足，此时给定电压参考矢量处于过调制Ⅰ区，对应的调制比满足0.907 ≤mi≤ 0.952；3）给定参考电压矢量幅值满足此时给定电压参考矢量处于过调制Ⅱ区，对应的调制比满足0.952≤mi≤1。图1为电压空间矢量示意图。

2.1 过调制区域Ⅰ区

2.2 过调制区域Ⅱ区

3 仿真分析

基于以上分析，在MATLAB/Simulink环境下搭建SVPWM过调制算法的仿真模型。仿真参数设置如下：直流母线电压为220 V，逆变器开关频率为10 kHz，负载为永磁同步电机，图2为仿真模型。

图2 SVPWM过调制仿真模型

从图3可以看出，随着逆变器输出电压的不断变大，PWM调制波形也在变化：1）当给定参考电压矢量的幅值满足时为线性调制区域，此时PWM调制波为马鞍波；2）随着输出电压的增大，且当给定参考电压矢量的幅值满足时为过调制Ⅰ区，此时PWM调制波为削顶的马鞍波；3）当给定参考电压矢量的幅值满足时，处于过调制Ⅱ区，可以看出此时PWM调制波为梯形波；4）当给定参考电压矢量的幅值进一步增大至时，此时处于六阶梯波调制区，PWM调制波为矩形波。