一種擴(kuò)展SVPWM線性調(diào)制區(qū)及過調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)

摘要：最小脈寬限制減少了空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的線性調(diào)制區(qū)，過調(diào)制技術(shù)能提高逆變器輸出基波電壓。相對(duì)六階梯波運(yùn)行狀態(tài)，七段式脈寬調(diào)制(PWM)直流電壓利用率不高。提出平滑切換到五段式PWM的方法，能擴(kuò)大線性調(diào)制區(qū)并實(shí)現(xiàn)過調(diào)制。其優(yōu)點(diǎn)是算法簡單易用，無需計(jì)算切換角度或查表。在Matlab／Simulink仿真軟件和永磁同步電梯曳引機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明理論分析正確。
關(guān)鍵詞：空間矢量脈寬調(diào)制；過調(diào)制；電壓利用率

1 引言
PWM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于三相電壓源逆變器，在DC／AC功率轉(zhuǎn)換過程中，SVPWM方式相比傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)，其電壓利用率提高了15．5％。但SVPWM方式只能將輸出基波電壓提高到六階梯波運(yùn)行時(shí)的0．907倍，而在直流電壓受到限制又需增大輸出時(shí)，過調(diào)制方法的研究對(duì)提高電壓利用率有很大意義。
文獻(xiàn)提出一些過調(diào)制方法，但均存在不足。這里在傳統(tǒng)SVPWM方法基礎(chǔ)上，針對(duì)線性調(diào)制區(qū)損失和過調(diào)制算法，提出了擴(kuò)展線性調(diào)制區(qū)的平滑過渡方法，并且實(shí)現(xiàn)了過調(diào)制。

2 SVPWM
2．1 SVPWM常用調(diào)制方式
三相電機(jī)一般采用如圖1所示的電壓源逆變電路，上下管為互補(bǔ)的調(diào)制方式，能輸出6個(gè)基本矢量和兩個(gè)零矢量，由這6個(gè)基本矢量在空間組成正六邊形，如圖2所示。

根據(jù)電壓空間矢量理論，通過6個(gè)基本矢量和零矢量可組合成空間內(nèi)的任意電壓向量，以第I扇區(qū)為例，其表達(dá)式為：
ur=t1U0／Ts+t2U60／Ts (1)
式中：Ts為PWM周期；t1，t2為基本矢量作用時(shí)間。
通常t1+t2Ts，其余時(shí)間用零矢量來填充，零矢量作用時(shí)間為：
t0=Ts-t1-t2 (2)
將零矢量對(duì)稱放在Ts的中間和兩邊，構(gòu)成常用的七段式SVPWM，如圖3所示，能有效減少輸出的諧波分量，但開關(guān)損耗較大。

零矢量集中放在Ts中間或兩邊，每個(gè)Ts內(nèi)總有一相開關(guān)狀態(tài)不變。零矢量集中到Ts中間，a相恒為高電平，如圖4a所示。零矢量平均分到Ts兩邊，c相恒為低電平，如圖4b所示。這種五段式SVPWM有利于減少開關(guān)損耗，但在低速時(shí)會(huì)有明顯走走停停的情況。

2．2 窄脈沖限制和死區(qū)對(duì)線性調(diào)制區(qū)的影響
以為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)幺化，輸出電壓Ur標(biāo)幺化后為ur即：

設(shè)死區(qū)時(shí)間為td，窄脈沖限制為tmin，則限制時(shí)間為2td+tmin。在七段式PWM方式下，PWM輸出只能在(2td+tmin，Ts-2td-tmin)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，導(dǎo)致電壓空間正六邊形第I扇區(qū)真正能到達(dá)的區(qū)域只有圖5a所示陰影部分。在五段式PWM方式下，PWM占空比受到同樣的限制，電壓空間正六邊形真正能到達(dá)的區(qū)域只有圖5b，c所示陰影部分。

對(duì)比圖5a，b，c可見，五段式PWM相比七段式，能輸出更大幅值的電壓向量，提高了電壓利用率，但五段式PWM存在電壓跳躍區(qū)，會(huì)使輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大。
為提高電壓利用率，可采用七段式-五段式結(jié)合的方法，即一般情況下使用七段式，當(dāng)零矢量時(shí)間小于2倍限制時(shí)間，即4td+2tmin時(shí)，切換到五段式PWM，在扇區(qū)中間切換兩種五段式，能消除電壓跳躍現(xiàn)象，輸出電壓范圍可達(dá)圖5d所示陰影部分，線性調(diào)制區(qū)輸出電壓范圍(0，(Ts-2td)／Ts)。
2．3 非線性調(diào)制區(qū)的處理
以第I扇區(qū)為例，如圖6所示，五段式PWM能將線性調(diào)制區(qū)從△OAB擴(kuò)展到△OCD。當(dāng)繼續(xù)增大輸出電壓時(shí)，需采用過調(diào)制技術(shù)。

對(duì)基本向量U0和U60作垂線相交于點(diǎn)O’，對(duì)于幅值超出線性調(diào)制區(qū)的電壓向量ur1，和超出正六邊形邊界的電壓向量ur2，ur2與△LFO’交于點(diǎn)H，J，由幾何關(guān)系可得，當(dāng)μr2為|OH|時(shí)，有：
|OE|+|EH|cos(π／3)=|OF| (4)
同時(shí)又有|OE|／|OF|=t1／Ts，|EH|／|OF|=t2／Ts，因此可以用式(5)來判斷電壓向量在粗實(shí)線多邊形CDLJHF中：
t1+t2／21，if(t1>t2)， t1／2+t21，if(t2>t1) (5)
該區(qū)域內(nèi)PWM能實(shí)際輸出的點(diǎn)只有邊界LF，因此不改變輸出向量的角度，只改變幅值，將幅值拉到邊界上。
在多邊形CDLJHF以外區(qū)域，當(dāng)t1>t2時(shí)，輸出U0；當(dāng)t2>t1時(shí)，輸出U60。隨著輸出矢量的增大，輸出基本矢量的時(shí)間會(huì)逐漸增大，最后過渡到六階梯波輸出。

3 調(diào)制算法
由上述分析可知，在△OAB內(nèi)為七段式PWM，其余區(qū)域?yàn)槲宥问絇WM，在多邊形CDLJHF內(nèi)將電壓矢量拉到正六邊形邊界，之外區(qū)域輸出基本矢量，可得如圖7所示調(diào)制算法流程圖。