【正文】 ...............................4 論文主要的工作 .....................................5第 2 章 逆變器的主電路 ...................................6 逆變器主電路結構設計 ................................6 功率開關器件的選擇 .................................7第 3 章 逆變器的控制技術 ...............................9 SPWM 的特點與原理 .................................12 空間電壓矢量 SVPWM ................................14 SVPWM 的基本原理 ..............................14 逆變器輸出電壓矢量和正六邊形磁鏈軌跡控制 ......16 電壓空間矢量的合成方法 ........................18 SVPWM 矢量組合模式的選擇 .......................19第 4 章 逆變器控制仿真 ..................................22 器件介紹及參數(shù)設置 ................................24 基于 SPWM 的逆變器仿真 .............................33 電壓空間矢量 SVPWM ................................35 減少低次諧波的方案 ................................38 增加開關頻率 ..................................38 加入濾波電抗 ..................................41 比較總結 ..........................................43第 5 章 結論 ............................................45 全文總結 ..........................................45 下一步的工作思考 ..................................45參考文獻 ................................................46致謝 ....................................................47交—直—交電力機車逆變器 PWM 調制摘要電力機車由牽引電動機驅動車輪的機車。 但 是 對于交—直—交電力機車這種大功率場合，由于逆變器的的開關頻率較低，將會產生很大的低次諧波，輕則影響系統(tǒng)的性能，重則將導致整個調速系統(tǒng)的控制失敗，因此需要對其進行 PWM 調制。電力機車具有功率大、過載能力強、牽引力大、速度快、整備作業(yè)時間短、維修量少、運營費用低、便于實現(xiàn)多機牽引、能采用再生制動以及節(jié)約能量等優(yōu)點。從主電路系統(tǒng)的特點可以看出電力機車最近幾十年來的發(fā)展過程。著力發(fā)展三相交流傳動電力機車。從 80 年代末 90 年代初開始，世界上特別是西歐和日本，隨著既有電力機車的更新?lián)Q代和高速鐵路的蓬勃發(fā)展，電力機車的研制迅速向交流傳動。1957 年參照蘇聯(lián) H60型單相引燃管整流器電力機車，開始研究設計電力機車。并在 SS1 基礎上改進設計的。1986 年中國鐵路牽引動力政策改為“大力發(fā)展電力牽引，合理發(fā)展內燃牽引”以及發(fā)展“重載高速”機車。1996 年 AC4000 交流傳動電力機車研制成功，這是我國電力機車事業(yè)發(fā)展上的一個重要的里程碑，是我國鐵路電傳動機車開始步入交流傳動機車的發(fā)展時期。在這個系統(tǒng)中，機車先將電網的交流能量轉換為直流能量，然后進一步轉換成電壓和頻率可調的交流能量。采用不同的整流電路，其濾波電路也不同，功能有所差別。降低電機、電纜中的高頻成分，控制噪聲的傳播，抑制電機啟動過程中的諧波分量；保證頻繁斷開電機電路時不損壞變頻器；通過三相霍爾電流傳感器對變頻器輸出端采取完善的短路保護措施。從而限制了直流電動機的功率和容量，滿足不了鐵路牽引向高速、重載方向發(fā)展的要求。隨著變流技術的發(fā)展變流元件從不控的二極管、半控晶閘管，發(fā)展到全控的 GTO、IGBT、IGCT，容量不斷加大，開關頻率不斷提高使得脈寬調制技術成為可能，逆變器的輸出具有平滑調節(jié)供電頻率和電壓的性能交—直—交牽引系統(tǒng)由這種變流器供電，就可獲得極好的調速性能。與同樣功率等級的直流電機比較，異步電機的質量低 30%左右，因此減少了簧下質量，減小對線路的作用力。那么在給定的電網功率下，使用一定功率的機車就越多，并且等效干擾電流小于 2A。 論文主要的工作逆 變 器 在 整 個 牽 引 系 統(tǒng) 中 起 到 把 直 流 電 逆 變 成 為 三 相 交 流 電 的 作 用 ， 供 給 電 動 機 運行 ， 它 對 整 個 牽 引 系 統(tǒng) 是 否 能 正 常 運 行 起 到 重 要 作 用 。逆變器過去采用的功率器 件有晶閘管、GTO、功率晶體管等，IGBT 技術是近年來逐漸發(fā)展成熟起來的，由于 IGBT 具有工作頻率高、自我保護能力強、控制較簡單的優(yōu)點，現(xiàn)在逆變器采用的 功率器件主要是 IGBT。 再 生 制 動 時 ， 為 了 使 電 流 反 向 ， 與 晶 閘 管 反向 了 二 極 管 ， 因 此 晶 閘 管 毋 需 反 向 耐 壓 ； 電 流 型 逆 變 器 由 直 流 電 流 中 間 電 路 供 給 一 個恒 定 的 直 流 電 流 ， 由 于 將 電 感 串 聯(lián) 在 中 間 電 路 中 ， 有 較 大 的 阻 抗 ， 半 導 體 器 件 一 般 不會 產 生 過 電 流 。為了使直流電逆變成為三相可調交流電，需對晶閘管的開關斷時間進行調制，在逆變器運行時，每個工作狀態(tài)下都有 3 只晶閘管同時導通，其中每個橋臂上都只有一只晶閘管導通，形成三相負載同時通電，這樣就可把直流電逆變成為三相可控交流電。在電力機車上的開關器件常用 IGBT 和 GTO，開關 IGBT 元件稱為絕緣門極雙極型晶體管，它兼有功率 MOOSFET 高輸入阻抗特性（電壓控制型）和雙極型器件的通態(tài)特性，同時開關頻率也遠高于 GTO 元件。MOSFET 驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。使用這些先進的控制方式可以很大的提高逆變器的工作效率。 由 于 正弦PWM（SPWM）和電壓空間矢量（SVPWM）是應用最多的兩種逆變器控制技術。SPWM（正弦脈寬調制）是將正弦波變成寬度漸變的脈沖波，其中的脈沖波的寬度變化規(guī)律完全符合正弦的變化規(guī)律。 圖 的 生 成 方 法三相橋式逆變器的主電路如圖 所示。的相位差。和 240176。根據實驗課知，當三角載波的頻率越高，出現(xiàn)的諧波幅度就會越小，SPWM 的電流波形就越好，因而，希望可以盡量提高載波頻率來降低電流的諧波分量。SPWM 性能如下：1）直流電壓利用率只有 %2）其輸出電壓諧波主要是頻率為開關頻率及開關頻率倍數(shù)的諧波，而 THD 指標隨開關頻率的提高而降低，而同一開關頻率下，THD 的變化趨勢是隨輸出頻率的提高而增大3）采用注入三次諧波可以提高直流電壓利用率，最大可以達到 115% 空間電壓矢量 SVPWM電壓空間矢量脈沖寬度調制技術是從交流電機的角度出發(fā)，以控制交流電機磁鏈空間矢量軌跡逼近圓形為調制目的，以求減小電機的轉矩脈動、改善電機的運動性能。采用電壓空間矢的概念，LU1定子電壓空間矢量 可定義為S )(323432??jCjBAS euu??（）與此類似，還可以定義出交流電機的定子電流空間矢量 和定子磁鏈空間矢量 ：SI s? )(323432??jCjBAS eiiI??（） )(3432????jCjBAS e（）其中， ， ， 和 , , 分別代表電機的三相定子電流和定子磁鏈。0s? 當交流電機由對稱正弦電壓供電時，電壓空間矢量 沿著一個半徑為 的圓形軌SULU跡勻速運行，其運動速率等于 。電壓空間矢量脈s?s沖寬度調制正是以調節(jié)交流電機定子磁鏈空間矢量 軌跡為目的對 進行直接控制的一sS種調制方法。逆變器 8 種開關組合模式所對應的三相輸出相電壓瞬時值（相對于三相對稱星接負載的中點 N）和電壓空間矢量分別如式（ ）和表 所示。3/?圖 逆變器輸出電壓空間矢量由于逆變器輸出電壓空間矢量只可能處于 7 個離散的位置（ 和 所處的位置相同）上，7U0因此理論上講是不可能產生真正的連續(xù)電壓空間矢量運動的軌跡的。圖 電機的正六邊形磁鏈軌跡 電壓空間矢量的合成方法逆變器的 8 個輸出電壓空間矢量如圖 所示，下面以輸出電壓矢量處于第一扇區(qū)為例進行討論，將圖 中的第一扇區(qū)重新繪制在圖 中，該扇區(qū)邊界方向上的兩個矢量分別為 和 。如表 中所式第 1 扇區(qū)的矢量組合模式 , , , , , , ，其特點是，每個開0U12721U0關周期都以 （{0 0 0}）開始，從 變化到 （{1 0 0}）時只有 A 相橋臂的狀態(tài)發(fā)生U了改變；從 變化到 （{1 1 0}）也只有 B 相橋臂的開關狀態(tài)發(fā)生改變，其他可以類12推。（2）為了產生表 所要求的矢量組合，可按圖 所示控制逆變器的 3 個橋臂的開關狀態(tài)（僅以 在第 1 扇區(qū)為例，其他扇區(qū)的詳細情況可依理畫出） ，其中 ， ，x 1t2是按式（）求出的零矢量及兩個非零矢量 和 的作用時間0t 1U2圖 SVPWM 輸出電壓矢量的切換（3）在每個開關周期，各相橋臂的狀態(tài)都會發(fā)生.（ 4） 除 了 占 空 比 是 O％ 或 100％ 的 情 況 ， 每 個 PWM 周 期 所 有 開 關 管 均 開 關 兩 次（ 5） 每 一 個 扇 區(qū) 有 固 定 的 開 關 順 序 ； （ 6） 七 段 中 作 用 矢 量 的 切 換 只 改 變 一 個 開 關 管 的 狀 態(tài)七 段 式 的 開 關 模 式 開 關 次 數(shù) 較 多 ， 但 得 到 的 輸 入 電 流 的 諧 波 含 量 最 少 ， 是 一 種 最 優(yōu) 的 開 關 模 式第 4 章 逆變器控制仿真MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 mathworks 公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據可視化、數(shù)據分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調試系統(tǒng)，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優(yōu)化和容錯處理。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。新版本的 MATLAB 對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據的表現(xiàn)等） ，MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。一般來說，它們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。另外，MATLAB 網頁服務程序還容許在 Web 應用中使用自己的 MATLAB 數(shù)學和圖形程序。 器件介紹及參數(shù)設置（1）DC Voltage Source；直流電壓源，其功能是為電路提供一個理想的直流電壓（a）所示，正端使用一個“+”標明。其符圖 電壓測量符號（4）Universal Bridge：通用橋式電路，其作用是在仿真中可以直接用作逆變器或整流器，其圖標和參數(shù)設置對話框如““所示（a）（b）圖 通用橋式電路符號及參數(shù)設置對話框 參數(shù)設置如下所述。由于本次仿真是關于三相逆變器的仿真，所以選擇三個橋臂、6 個開關器件。 5）Ron：器件內阻 6）Forward voltages【Device Vf，Diode Vfd】：器件導通壓降 7） 【Tf（s） Tt(s)】：器件關斷的時間 8）Measurements：是否進行電氣測量(5) ThreePhaseVI Measurement；三相的 V I 測量，這是測量三相交流電的相電壓與相電流其圖標與參數(shù)設置對話框如圖 （a）和（b）所示。2）Nominal phasetophase voltage Vn（Vrms）：額定電壓，設為 413V3）Nominal frequency fn（Hz）：額定頻率，設為 50Hz4）Active power P（W）：有功功率，設為 1000W5）Inductive reactive powe