【正文】 ... 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(guān)頻率 ................................. 38 加入濾波電抗 ................................. 41 比較總結(jié) ........................................ 43 第 5章 結(jié)論 .......................................... 45 全文總結(jié) ........................................ 45 下一步的工作思考 ................................ 45 參考文獻(xiàn) ............................................. 46 致謝 ................................................. 47 ） III 交 — 直 — 交電力機(jī)車 逆變器 PWM 調(diào)制 摘要 電力機(jī)車由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)車。 逆變器在整個(gè)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(dòng)機(jī)運(yùn)行，它對(duì)整個(gè)牽引系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行起到重要作用。電力機(jī)車因?yàn)樗桦娔苡呻姎饣?鐵路供電系統(tǒng) 的接觸網(wǎng)或第三軌供運(yùn)行中的電力機(jī)車給，所以是一種非自帶能源的機(jī)車。采用直流制的國家主要有日本、法國、意大利等；采用單相低頻交流制的國家主要有德國、瑞典、奧地利、挪威和美國；采用單相工頻交流制的國家有法國、日本、印度、英國等。 20 世紀(jì) 70 年代開始，隨著大功率晶閘管及電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電力機(jī)車逐漸采用斬波調(diào)壓；單相工頻整流器電力機(jī)車逐步被晶閘管相控電力機(jī)車取代；在采用交流制的國家中，以瑞典為代表，包括奧地利，著重發(fā)展晶閘管相控電力機(jī)車，而德國和瑞士再使用少量相控機(jī)車的同時(shí)。以 1979 年問世的第一 臺(tái) E120 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車（原聯(lián)邦德國 BBC 公司制造）為轉(zhuǎn)機(jī)，三相交流傳動(dòng)電力機(jī)車在德國第一些國家投入運(yùn)營并得到迅速發(fā)展。 第一 階段（ 1956~1968 年）是中國電力機(jī)車早期引進(jìn)仿制階段 1956 年中國政府提出要迅速地、有步驟地研制使用電力機(jī)車。 1979 年株 洲電力機(jī)車工廠設(shè)計(jì)試制成功 SS3型機(jī)車， SS3 是在吸收了 SS1 和 SS2 的成熟經(jīng)驗(yàn)。 1985 年 9 月在株洲電力機(jī)車工廠試制成功我國第 1 臺(tái)相控電力機(jī)車 SS4 貨運(yùn)電力機(jī)車， SS4 是中國第 3 代電力機(jī)車 第三階段（ 1984~至今）是中國電力機(jī)車迅速發(fā)展階段 此階段我國第 3 代電力機(jī)車發(fā)展形成多機(jī)型系列，基本形成了較為完整的 8 軸貨運(yùn)、客運(yùn)系列。經(jīng)過消化吸收，結(jié)合中國電力機(jī)車實(shí)際和優(yōu)秀的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，先后自主研制成功第 3代機(jī)車 11 種，有 SSSS SS SS SS8 以及它們的派生型 SS4b、 SS4c、 SS6b、 SS7b、 SS7c 第。 電壓型異步電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車工作原理 機(jī)車在工作時(shí)，將電網(wǎng)歹念壓引入機(jī)車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送入①環(huán)節(jié) （整流環(huán)節(jié)），將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)②環(huán)節(jié)平滑Ａ處脈動(dòng)，送入③環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波電抗器，供給三相異步牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。 ②環(huán)節(jié) —— 直流環(huán)節(jié)濾波器基本作用是平滑Ａ處的紋波（脈動(dòng)），消除或減少諧波含量，改善機(jī)車的功率因數(shù)。 ④環(huán)節(jié) —— 電抗器，有三大作用。同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)體積減小，空間利用好，便能選擇更為合適的懸掛方式，從而簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。由于異步電動(dòng)機(jī)具有很穩(wěn)定的機(jī)械特性，因而有自然防空轉(zhuǎn)和防滑行的性能，粘著利用好，既減少了輪箍的損傷，同時(shí)又有利于提高列車的加速度，縮短機(jī)車啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間 。但是直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，由于它存在電刷和換向器，致使電機(jī)不僅工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花和環(huán)火現(xiàn)象，這就要求電機(jī)換向片之間的電壓不能過高。 交 — 直 — 交牽引系統(tǒng)采用三相交流電動(dòng)機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子沒有機(jī)械換向器，也不帶絕緣繞組，不存在換向火花和環(huán)火的現(xiàn)象，因此它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，能以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，可以滿足高功率、大容量牽引傳動(dòng)裝置的 要求。由于異步電動(dòng)機(jī)軸功率大、體積小，使得機(jī)車具有適合低速大牽引力，以較少的動(dòng)軸保證列車高速運(yùn)行時(shí)所需的功率。這就意味著鐵路電網(wǎng)所需提供的無功功率很小，接觸網(wǎng)上的損耗就很 小。因此 交 — 直 — 交牽引系統(tǒng) 將更廣泛的運(yùn)用于電力機(jī)車中。 現(xiàn)代逆變器的特點(diǎn)是趨向于采用 IGBT 及無吸收電路。 逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 逆變器主要分為電壓型逆變器和電流型逆變器，電壓型逆變器由直流電壓中間電路供給一個(gè)恒定的直流電壓，其元件過電壓的可能性較小，但由于中間電路的內(nèi)阻小，負(fù)載的故障和換流失敗，易引起過電流。故本課題采用電壓型逆變器。逆變器的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管（ BJT），功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET），絕緣柵晶體管（ IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（ GTO）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為 MOSFET，因?yàn)?MOSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用 IGBT 模塊，這是因?yàn)?MOSFET 隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而 IGBT 在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特大容量（ 100KVA 以上）系統(tǒng) 中，一般均采用 GTO 作為功率元件。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大 。各種先進(jìn)的控制方式如正弦脈寬調(diào)制（ SPWM），空間矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM），關(guān)聯(lián)指令脈寬調(diào)制等日趨成熟。 PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出 ,但是受電力電子器件發(fā)展水 平的制約 ,在上世紀(jì) 80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn) .直到進(jìn)入上世紀(jì) 80年代 ,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展 ,PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用 .隨著電力電子技術(shù) ,微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法 ,如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用 ,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展 .到目前為止 ,已出現(xiàn)了多種 PWM控制技術(shù) ,根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn) ,到目前為止主要有以下幾類方法： 等脈寬 PWM法、隨機(jī) PWM 、SPWM法、線電壓控制 PWM、電流控制 PWM、空間電壓矢量控制 PWM、矢量控制 PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM、非線性控制 PWM、諧振軟開關(guān) PWM等。電壓脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（電壓 SPWM），顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成電壓正弦的輸出，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。正弦波的頻率和幅值是可控的，只要改變正弦波的頻率，就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點(diǎn)發(fā)生改變，是輸出的逆變脈沖序列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出脈沖的電壓，其 SPWM 生成的原理如圖 所示，通過生成的 SPWM 信號(hào)來控制逆變器的開關(guān)斷從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。它們之間也必須保持 120176。為了嚴(yán)格的保證三相之間的相位差，載波比應(yīng)該設(shè)計(jì)為 3 的整數(shù)倍 ，如圖 所示，圖 為 A 相晶閘管的控制脈沖， B相和 C 相脈沖應(yīng)該分別滯后 A 相脈沖 180176。 圖 三相 SPWM 在 使用 SPWM 進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)需要考慮的問題是， SPWM 波并不是真的正弦波，只是用按照正弦規(guī)律變化的階梯來逼近正弦波，為此仍然存在大量的高次諧波，在實(shí)際控制河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 14 過程中必須采取有效的措施 來減少諧波分量。鑒于上述分析：在實(shí)際運(yùn)用中最為廣泛的是分段同步調(diào)制法，即在低頻時(shí)采用異步調(diào)制法，在其他頻段時(shí)采用同步調(diào)制法。 假設(shè)交流電機(jī)由理想對(duì)稱的正弦電壓供電，三相電壓 Au , Bu , Cu 可以用矩陣的形式表河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 15 式為 LCBAUtuuu???????????????????????3/4c o s ()3/2c o s (c o s32111????? （ ） 式中， LU 為線電壓有效值， 1? 為正弦供電電壓的角頻率。因此定子磁鏈空間矢量 s? 可通過對(duì)定子電壓空間矢量 SU 的積分近似得到 0sSS dtU ?? ?? ? （ ） 其中， 0s? 表示定子磁鏈空間矢量的初始位置。 因此一個(gè)沿圓形軌跡運(yùn)行的 SU 將在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)同樣沿圓形軌跡移動(dòng)的 s? ，而且 s? 得移動(dòng)速率與 SU 相同。反之當(dāng)下橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通而上橋臂開關(guān)器件截止時(shí)橋臂的狀態(tài)為 0，比如 { AS , BS , CS }={1,0,0}就表示 A 相上管導(dǎo)通， B 相和 C 相都是下管導(dǎo)通。為了更清楚地河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 17 表現(xiàn)這幾個(gè)矢量之間 的關(guān)系，可以將這 8 個(gè)矢量繪制在復(fù)平面上，則 6個(gè)非零矢量分別位于一個(gè)正六邊形的 6 個(gè)頂點(diǎn)位置，而 2 個(gè)零矢量位于原點(diǎn)，如圖 ，圖中可以看出，相鄰兩 個(gè)非零矢量將正六邊形外切園平分為 6個(gè)頂角都是 3/? 的扇區(qū)。由此可以想到，雖然逆變器理論上不可能產(chǎn)生真正沿圓形軌跡運(yùn)行的電壓空間矢量，但是通過 6個(gè)非零矢量和 2 個(gè)零矢量的“合理切換”，還是可以對(duì)電機(jī)定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)實(shí)施有效的控制，使其軌跡逼近正多邊形甚至圓形如圖 ，這就是定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂频幕驹怼? SVPWM 矢量組合模式的選擇 如何能降低逆變器的開關(guān)頻率是 SVPWM 矢量組合模式的關(guān)鍵之一，為了降低開關(guān)頻率，一般地，要求逆變器在每次改變輸出電壓矢量時(shí)都只改變其中一個(gè)橋臂的狀態(tài)。 （ 1） 不論 xU 在那個(gè)扇區(qū)，逆變 器輸出電壓矢量的組合都以零矢量開 始，并以零矢量結(jié)束 。 其優(yōu)勢(shì)在于 1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境 ： MATLAB 由一系列工具組成。而且新版本的 MATLAB提供了完整 的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。新版本的 MATLAB 語言是基于最為流行的 C＋＋語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與 C＋＋語言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更 加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。其擁有 600 多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。 MATLAB 的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。 5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱 ： MATLAB 對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。允許用戶編寫可以和 MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C++語言程序。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 24 7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面） ： 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5 進(jìn)行連接 。 符號(hào) （ 3） Voltage Measurement：電壓測(cè)量，其作用 是測(cè)量流經(jīng)某個(gè)器件的電壓。前二者實(shí)現(xiàn)單相變流，后 者實(shí)現(xiàn)三相變流。在本次仿真中選擇的是 IGBT/Diodes。 1)Configuration：連接方式，在本次仿真中選擇的是 Y（ grounded）星型連接。 2） Sample time：采樣時(shí)間，如果選擇此項(xiàng)，用于指定電路中線性部分的狀態(tài)空間矩陣，被離散化的采樣時(shí)間。當(dāng)存在多個(gè)輸入的時(shí)間結(jié)構(gòu)變量時(shí)，可以由一個(gè)多輸入示波器模塊產(chǎn)生。 or DC）”選項(xiàng)時(shí)，河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 30 將使 FFT 分析結(jié)果被顯示為相對(duì)于基波頻率量或者直流量而言的條線圖。當(dāng)選擇“ list（ relative to specified Ease）”選項(xiàng)時(shí)，將使 FFT 分析結(jié)果，被顯示為對(duì)于某特定基準(zhǔn)頻率的脈沖序列，這個(gè)特定的基準(zhǔn)頻率，是由“基準(zhǔn)值（ Base value）”參數(shù)選項(xiàng)來決定的。其大小應(yīng)在 0 與1之間。選擇內(nèi)部發(fā)生模式后，可在后面的選項(xiàng)中填寫開關(guān)頻率、調(diào)制深度、相位、基波頻率等信息。 其仿真圖如圖 所示 圖 三相 SPWM 逆變器的仿真模型 調(diào)制深度 m設(shè)為 1，輸出基波頻率設(shè)為 50Hz，載波頻率為基頻的 30 倍，即 1500Hz 將仿真時(shí)間設(shè)為 ，在 powergui 中設(shè)置為離散仿真模式采樣時(shí)間為 ，運(yùn)行后得仿真結(jié)果，相電流如圖 （ a）所示， A 相電壓、 A 相電流、 AB 間線電壓和直流電流波形如圖 （ b）所示。 三相負(fù)載的有功為 1KW，感性無功為 500Var，額定電壓為 413V，額定功率為 50HZ，直流電源的幅值為 530V。 （ a） 圖 相電壓、 A相電壓、 B相電流、