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两电平SVPWM原理即谐波分析

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课程名称：交流牵引传动技术基础 设计题目：两电平牵引逆变器SVPWM仿真 院 系： 电气工程系 专 业： 电力机车 年 级： 09级电车一班 * 名： ** 指导教师： ***

西南交通大学峨眉校区 2012 年 10 月 25 日 西南交通大学课程设计 第I页 课 程 设 计 任 务 书

专 业 电力机车 姓 名 白宇 学 号 20097896 开题日期： 2012 年 9 月 8日 完成日期： 2012 年 10月 25 日 题 目 两电平牵引逆变器SVPWM仿真

一、设计的目的 掌握两电平电压型牵引逆变器SVPWM控制的原理，并通过matlab仿真掌握输出相电压、线电压波形及输出电压电流的谐波含量分析，提高对两点平电压型逆变器的理解和SVPWM控制的原理及算法。

二、设计的内容及要求 1、掌握两电平电压型逆变器SVPWM的原理； 2、学会用matlab对两电平逆变器进行SVPWM仿真； 3、通过仿真分析输出相电压、线电压波形； 4、通过仿真结果分析输出电压电流的谐波含量。

三、指导教师评语

四、成 绩

指导教师 (签章)

年 月 日 西南交通大学课程设计 II 第II页

摘 要 目前，在世界铁路追求高速的前提下，我国铁路也开始了高速铁路的建设，而作为我国拥有自主知识产权的CRH系列机车的生产及运营正是我国高速铁路蓬勃发展的标志。现在的过速列车普遍采用交直交电路供电，而牵引逆变器就成为当中不可或缺的一部分。而为了使逆变器的输出电压电流波形更接近正弦波，也相应的产生了很多种逆变器的控制策略。本文主要介绍了两电平牵引逆变器的工作原理及现在控制效果最好的空间电压矢量SVPWM控制原理，根据对SVPWM控制的算法的介绍，再利用Matlab中的Simlink工具箱对两电平逆变器进行SVPWM仿真，根据仿真，分析输出相电压、线电压的波形，并通过仿真结果，用FFT工具箱对输出电压电流波形进行谐波分析。

关键词：两电平牵引逆变器；SVPWM；Matlab仿真；谐波分析 西南交通大学课程设计 第III页

目 录 第一章 绪论··················································1 第二章 两电平牵引逆变器及SVPWM控制原理 2.1两电平牵引逆变器原理···································2 2.2 SVPWM基本原理········································3 第三章 SVPWM的法则推导及控制算法 3.1 SVPWM 法则推导·······································8 3.1.1 7段式SVPWM·····································9 3.2 SVPWM 控制算法······································11 3.2.1 基本矢量作用时间计算与三相 PWM 波形的合成······13 第四章 两电平牵引逆变器的SVPWM仿真 4.1 仿真电路图···········································20 4.2 仿真结果分析········································20 4.3 谐波分析（使用的内置SVPWM模块）·····················23 4.3.1 线电压谐波分析·································23 4.3.2 输出相电压的谐波分析···························25 4.3.3 输出相电流的谐波分析···························27 4.4 谐波分析（非内置SVPWM模块）··························30 4.4.1 线电压谐波分析·································30 4.4.2 输出电流谐波分析································30 4.4.3 输出相电压谐波分析······························31 结论························································32 参考文献····················································33 西南交通大学课程设计 第1页

第一章 绪 论

目前，广泛使用的PWM变频器都是主要着眼于是逆变器输出电压尽

量接近正弦波，或者说，希望输出的PWM电压波形的基波成分尽量大，谐波尽量小。至于电流波形和磁场的形状就不予考虑了。这种变频器虽然有着数学模型简单、控制线性度号和容易实现的有线，但是他也有缺点，既是电压利用率太低，为此人们又提出了三次谐波注入法等技术，来失调制度M>1而又不会出现过调制现象，但这些方法都是出于补救的目的。现在，最流行、效果最好的当属电压空间矢量SVPWM技术，电压空间矢量（SVPWM）技术，也称作磁链跟踪控制技术，它是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽 可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。本为目的在于通过对SVPWM控制的逆变电路进行仿真，得出输出电压电流波形，并通过分析波形，得出在哪种控制状态下使输出波形的谐波含量少、波形更接近理想波形及直流电压利用率高的效果，以达到提高功率因数，减少谐波污染的目的。 西南交通大学课程设计 第2页 第二章 两电平牵引逆变器及SVPWM控制原理 2.1两电平牵引逆变器原理 两电平电压型牵引逆变器的主电路如图1-1所示。

图1-1 两电平逆变器主电路 电压型逆变器的典型方式是180导通方式，任何时刻都有不同的三只开关元件导通，每次换向都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此又称纵向换相。同相中上下桥臂中的两个开关元件陈为互补元件（及控制脉冲相反），他们交替导通。再换流瞬间，为了防止同一相上下两臂的开关元件同时导通而引起直流电源的短路，通常采用“先断后通”的放法，及先给应关断的开关关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的开关元件开通信号，两者之间留一个短暂的死区时间。 早起由于开关元件频率的限制，电压型逆变器工作在方波模式下，此时输出的相电压如图2所示，可以看出相电压时六阶梯波，故而该模式又称六阶梯波模式。根据傅里叶分析可知此时的相电压中的各次谐波分量为： )sin)1((sin2inniUund

C Ud

V1

V4 V3

V6 V5

V2 D1 D2 D3 D4 D5 D6 A B C 西南交通大学课程设计 第3页

图1-2 六阶梯波模式下相电压波形

根据上市可以知道，在直流环节电压恒定的情况下，你比拿起输出的基波正弦电压是一恒定的值。为了对输出交流电压的幅值进行控制欲调节，可以采用的方法有： （1） 调节直流环节电压dU。因为通常情况下直流环节电压时从交流电网巾帼整流得到，这样就需要可控型整流或者另外再加入一个直流/直流的变换装置。前者一般采用晶闸管相控整流，但功率因数较低并且随着相控角的增加而进一步减小，严重污染电网；或者可以采用PWM蒸馏装置，但是系统成本较高。后者需要增加一个功率变换单元，大大提高系统的体积与成本。 （2） 采用图1中的PWM控制的电压型逆变器，这样将控制输出交流电压频率和幅值的功能集成于同一个功率变换单元中，不仅减小系统成本而且同时具有较快的响应，故而在大多数场合得到广泛应用。 2.2 SVPWM基本原理 SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，

U wt 0 Ud/3 2Ud/3

-Ud/3 -2Ud/3 西南交通大学课程设计 第4页 电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 波形。 如图1的逆变电路，设直流母线侧电压为Ud，逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t)，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°。假设Um为相电压有效值，f为电源频率，则有：

()cos()()cos(2/3)()cos(2/3)AmBmCmUtUUtUUtU (2-1)

其中，2ft，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：

2/34/33()()()()2jjjABCmUtUtUteUteUe (2-2)

可见 U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，Um

为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，

而空间矢量 U(t)在三相坐标轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量。 由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数(,,)xSxabc

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SVPWM的原理讲解

SVPWM的原理讲解

SVPWM的原理讲解SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）是一种基于空间矢量的脉宽调制技术，用于控制交流电机的三相逆变器。

它在电机控制中广泛应用，具有高效、低失真和高精度的优点。

本文将从原理、工作原理和优点三个方面对SVPWM进行详细介绍。

一、原理SVPWM的基本原理是将三相电压分解为alpha轴和beta轴的两个独立分量，然后根据alpha和beta的大小和相位差计算得到一个空间矢量，最后根据空间矢量的方向和大小来确定控制电压波形。

通过合理的调节控制电压的大小和频率，可以实现对电机的精确控制。

二、工作原理1. 坐标变换：将三相电压转换为alpha轴和beta轴的分量，通过如下公式计算得到alpha和beta：alpha = 2/3*Va - 1/3*Vb - 1/3*Vcbeta = sqrt(3)/3*Vb - sqrt(3)/3*Vc2. 空间矢量计算：根据alpha和beta的大小和相位差计算得到空间矢量。

空间矢量的方向和大小决定了逆变器输出电压的形状和频率。

3.脉宽调制：根据空间矢量的方向和大小来确定脉冲的宽度和频率。

通常，采用时间比较器和斜坡发生器来实现脉冲宽度调制，使得逆变器输出的脉冲宽度能够跟随空间矢量的变化。

4.逆变器控制：将调制好的脉宽信号通过逆变器输出到交流电机。

逆变器通过控制脉冲宽度和频率来改变输出电压的形状和频率，从而实现对电机的精确控制。

三、优点1.高效：SVPWM技术能够将三相电压转换为整数变化的脉宽信号，减少了功率器件的开关次数，提高了逆变器的转换效率。

2.低失真：SVPWM技术能够通过精确控制脉冲宽度和频率来改变输出电压的形状和频率，减小了电机输出的谐波失真，提高了电机的运行效果和负载能力。

3.高精度：SVPWM技术能够实现对电机的精确控制，通过调整输出电压的波形和频率，可以实现电机的恒转矩和恒转速控制，提高了电机的控制精度和稳定性。

(完整)SVPWM的原理及法则推导和控制算法详解第五修改版

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一直以来对SVPWM 原理和实现方法困惑颇多,无奈现有资料或是模糊不清，或是错误百出。

经查阅众多书籍论文,长期积累总结，去伪存真,总算对其略窥门径。

未敢私藏，故公之于众。

其中难免有误，请大家指正，谢谢！空间电压矢量调制 SVPWM 技术SVPWM 是近年发展的一种比较新颖的控制方法,是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽 可能接近于理想的正弦波形。

空间电压矢量PWM 与传统的正弦PWM 不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。

SVPWM 技术与SPWM 相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形,而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。

下面将对该算法进行详细分析阐述。

SVPWM 基本原理SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合,使其平均值与给定电压矢量相等。

在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中,可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。

两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加,从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM 波形。

逆变电路如图 2-8 示.设直流母线侧电压为dc U ，逆变器输出的三相相电压为AO U 、BO U 、CO U ，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量AO u 、BO u 、CO u ，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°。

假设m U 为相电压基波峰值，f 为电源频率，则有:(23)(23)(23)(23)()cos ()2()cos(2[]2()cos(23)[]2j tj t m AO m j t j t m BO m j t j t m CO m U U t U t e e UU t U t e e U U t U t e e ωωωπωπωπωπωωπωπ----+-+==+=-=+=+=+ （1-1） 在三相静止坐标系下，0232()() ()=()()()j AO AO j BO BO j CO CO t U t e t U t e t U t eππ-==u u u三相电压空间矢量相加的合成空间矢量s ()t u 为02323s (2(23)2(2(23)23(23)(2()()()()()()()()[]22[]2[]232j j j AO BO CO AO BO CO j t j t j t j t j m m j t j t j m j t j t j t j t j t j t m m t t t t U t e U t e U t e U U e e e e e U e e e U e e e e e e U e ππωωωπωππωπωππωωωωπωωπ-----+-+---+--=++=++=+++++=+++++=u u u u j tω在αβ坐标系下（此处用到的clark 变换或称3/2变换为等幅值变换）， α轴和β轴合成适量的分量如下，11cos 1cos 222cos(23)sin 3cos(23)022m r m m r m U t u t U t U u t U t αβωωωπωωπ⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢=-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎣⎦⎢⎥+-⎣⎦⎢⎣⎦此坐标系下，三相电压空间矢量相加的合成空间矢量s ()t u 为s ()j t m t U e ω=u （1-2）在αβ坐标系下(此处用到的clark 变换或称3/2变换为等功率变换）11cos 1222cos(23)333cos(23)022cos 3sin 2m r m r m m U t u U t u U t t U t αβωωπωπωω⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥+-⎣⎦⎢⎥⎣⎦⎡⎤=⎢⎥⎣⎦此坐标系下,三相电压空间矢量相加的合成空间矢量s ()t u 为s 3()2j tm t U e ω=u （1-3) 可见s ()t u 是一个旋转的空间矢量，且以角频率ω=2πf 按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量s ()t u 在三相坐标轴（a,b ，c ）上的投影就是对称的三相正弦量.图 1—1 逆变电路由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量,特定义开关函数Sx （x=a 、b 、c) 为：⎩⎨⎧=下桥臂导通上桥臂导通01x S (1—4) （Sa 、Sb 、Sc ）的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量 Ul(001)、U2（010）、U3（011)、U4（100)、U5(101)、U6（110）、和两个零矢量 U0（000）、U7(111），下面以其中一种开关组合为例分析，假设Sx(x=a 、b 、c ）=（100)，此时矢矢U4矢100矢⎪⎩⎪⎨⎧=++=-=--===0,,0,cN bN aNc d cN aN dc bN aN dc ca bc dc ab U U U U U U U U U U U U U U （1-5） 求解上述方程可得：Uan=2Ud/3、UbN=-Ud/3、UcN=-Ud/3。

SVPWM的原理及法则推导和控制算法详解第五修改版

SVPWM的原理及法则推导和控制算法详解第五修改版

一直以来对SVPWM原理和实现方法困惑颇多，无奈现有资料或是模糊不清，或是错误百出。

经查阅众多书籍论文，长期积累总结，去伪存真，总算对其略窥门径。

未敢私藏，故公之于众。

其中难免有误，请大家指正，谢谢！空间电压矢量调制 SVPWM 技术SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。

空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。

SVPWM 技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。

下面将对该算法进行详细分析阐述。

SVPWM基本原理SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。

在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。

两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 波形。

逆变电路如图 2-8 示。

设直流母线侧电压为dcU ，逆变器输出的三相相电压为AOU 、BOU 、COU ，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量AOu 、BOu 、COu ，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°。

假设mU 为相电压基波峰值，f 为电源频率，则有：(2(2(23)(2()cos ()2()cos(23)[]2()cos(2[]2j tj t m AO m j t j t m BO m j t j t m CO m U U t U t e e U U t U t e e U U t U t e e ωωωπωπωπωπωωπωπ----+-+==+=-=+=+=+（1-1）在三相静止坐标系下，三相电压空间矢量相加的合成空间矢量s ()t u 为0232s (23)(23)23(23)(223(2(23)()()()()()()()()[]22[]2[]232j j j AO BO CO AO BO CO j t j t j t j t j m m j t j t j m j t j t j t j t j t j t m m t t t t U t e U t e U t e U Ue e e e e U e e e U e e e e e e U e ππωωωπωππωπωππωωωωπωωπ-----+-+---+--=++=++=+++++=+++++=u u u u j tω在αβ坐标系下（此处用到的clark 变换或称3/2变换为等幅值变换）, α轴和β轴合成适量的分量如下,11cos 1cos 222cos(23)sin 3cos(23)022m r m m r m U t u t U t U u t U t αβωωωπωωπ⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢=-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎣⎦⎢⎥+-⎣⎦⎢⎣⎦此坐标系下，三相电压空间矢量相加的合成空间矢量s ()t u 为s ()j tm t U e ω=u（1-2）在αβ坐标系下（此处用到的clark 变换或称3/2变换为等功率变换）此坐标系下，三相电压空间矢量相加的合成空间矢量s ()t u 为s ()j t m t e ω=u（1-3）可见s ()t u 是一个旋转的空间矢量，且以角频率ω=2πf 按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量s ()t u 在三相坐标轴（a ，b ，c ）上的投影就是对称的三相正弦量。

svpwm三次谐波注入原理

svpwm三次谐波注入原理

svpwm三次谐波注入原理SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）是一种现代PWM技术，它通过合理的矢量控制，可以实现对三相逆变器的PWM波形进行精确控制。

而三次谐波注入则是SVPWM技术的一种改进方法，用于减小逆变器输出电流的谐波含量。

下面我将从原理、实现和优劣势三个方面来全面解释SVPWM三次谐波注入的原理。

首先，从原理来看，SVPWM三次谐波注入是通过在SVPWM控制中注入一定频率和幅值的三次谐波信号，使得逆变器输出电流中的三次谐波得到抑制。

这是因为在SVPWM控制中，逆变器输出电流的波形是由若干个基波矢量和零矢量组合而成的，通过在SVPWM控制中加入三次谐波信号，可以改变基波和零序矢量的选择，从而抑制输出电流中的三次谐波分量。

其次，从实现方面来看，SVPWM三次谐波注入需要在SVPWM控制算法中加入三次谐波信号的生成和注入模块。

具体地，需要通过计算得到三次谐波信号的频率和幅值，并将其与基波矢量和零矢量进行合理的组合，以实现对逆变器输出电流的三次谐波抑制。

这样可以在不增加硬件成本的情况下，改善逆变器输出电流的谐波含量。

最后，从优劣势方面来看，SVPWM三次谐波注入的优势在于可以有效抑制逆变器输出电流中的三次谐波，改善电力系统的谐波污染问题，提高逆变器的输出电流质量。

然而，SVPWM三次谐波注入也存在一些缺点，例如需要对SVPWM控制算法进行改进和复杂的三次谐波信号生成模块，增加了控制系统的复杂度和成本。

综上所述，SVPWM三次谐波注入通过在SVPWM控制中注入三次谐波信号，可以有效抑制逆变器输出电流中的三次谐波，改善电力系统的谐波污染问题。

然而，其实现需要对SVPWM控制算法进行改进，并且增加了一定的复杂度和成本。

在实际应用中，需要综合考虑系统的需求和成本因素，选择合适的控制策略。