【正文】 多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 圖 將 xU 在 1U 和 2U 兩個方向上進行矢量分解，就可以得到 xU 的兩個分矢量，分別標注為1xU 和 2xU 通過簡單的推導可得 ?????????????s in32)6c o s (3221XXXXUUUU （ ） 河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 19 如果調(diào)制深度 M定義為 2/d XUUM ? （ ） 那么 式（ ） 又可以寫為 ?????????????s in32)6c o s (3221MUUMUUdXdX （ ） 前面已經(jīng)講到， dU32 實際上就是逆變器 6 個非零矢量的幅值，也就是 1U 和 2U 的幅值，因此 式（ ） 又可以寫成 ???????????s in)6c o s (2211MUUUMUUUdXdX （ ） 將 t? 按照式 （ ） 的計算結(jié)果分為 1t ， 2t ， 0t 共三部分，即 ????????????????????????210222111s i n)6c o s (tttttMtUUttMtUUtXX??? （ ） 如果 xU 作用的時間 t? 本身很小，那么在該時間段內(nèi)， xU 總的作用效果就可以用 1U 和2U 和零矢量 0U 分時作用效果之和來近似等效，即有 00221121( tUtUtUtUUtU XXX ??????? （ ） 可見，通過控制逆變器輸出矢量 1U 和 2U 以及零矢量作用時間之比例，就可以在一個相對較小的時間間隔內(nèi)，近似等效和成所需要的輸出矢量 xU 。其余的兩個矢量 7U 和 0U 的幅值都為 0，稱為零電壓矢量空間，簡稱為零矢量。定子磁鏈空間矢量 s? 的運動方向始終與定子電壓空間矢量 SU 的方向相同。 SVPWM 的基本原理 SVPWM 的基本原理可以從交流電機電壓空間矢量、磁鏈空間矢量以及電流空間矢量的概念 出發(fā)進行推導和分析。圖 中線電壓 UV 即 U 相與 V 相之間的線電壓的波形。為此三相 SPWM最基本的設計原則之一就是，用于產(chǎn)生三相 SPWM 脈沖的三個正弦調(diào)制信號，即圖 中的 U相調(diào)制波、 V 相調(diào)制波、 W 相調(diào)制波。 （ 1） SPWM法： SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的 ,目前使用較廣泛的 PWM法 .前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時 ,其效果基本相同 .SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ) ,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM波形即 SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷 ,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等 ,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值 .該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案 . 河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 10 1）等面積法：該方案實際上就是 SPWM法原理的直接闡釋 ,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波 ,然后計算各脈沖的寬度和間隔 ,并把這些數(shù)據(jù)存于微機中 ,通過查表的方式生成 PWM信號控制開關(guān)器件的通斷 ,以達到預期的目的 .由于此方法是以 SPWM控制的基本原理為出發(fā)點 ,可以準確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻 ,其所得的的波形很接近正弦波 ,但其存在 計算繁瑣 ,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大 ,不能實時控制的缺點 . 2）硬件調(diào)制法：硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的 ,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號 ,把接受調(diào)制的信號作為載波 ,通過對載波的調(diào)制得到所期望的 PWM波形 .通常采用等腰三角波作為載波 ,當調(diào)制信號波為正弦波時 ,所得到的就是 SPWM波形 .其實現(xiàn)方法簡單 ,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路 ,用比較器來確定它們的交點 ,在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制 ,就可以生成 SPWM波 .但是 ,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜 ,難以實現(xiàn)精確的控制 . 3）軟件生成 法：由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成 SPWM波形變得比較容易 ,因此 ,軟件生成法也就應運而生 .軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法 ,其有兩種基本算法 ,即自然采樣法和規(guī)則采樣法 . 4）自然采樣法：以正弦波為調(diào)制波 ,等腰三角波為載波進行比較 ,在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷 ,這就是自然采樣法 .其優(yōu)點是所得 SPWM波形最接近正弦波 ,但由于三角波與正弦波交點有任意性 ,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距 ,從而脈寬表達式是一個超越方程 ,計算繁瑣 ,難以實時控制 . 5）規(guī)則采樣法：規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用 方法 ,一般采用三角波作為載波 .其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波 ,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷 ,從而實現(xiàn) SPWM法 .當三角波只在其頂點 (或底點 )位置對正弦波進行采樣時 ,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬 ,在一個載波周期 (即采樣周期 )內(nèi)的位置是對稱的 ,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣 .當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時 ,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬 ,在一個載波周期 (此時為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對稱 ,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣 . 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進 ,其主要優(yōu)點就是是計算簡單 ,便于在線實時運算 ,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦 .其缺點是直流電壓利用率較低 ,線性控制范圍較小 . 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中 . 河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 11 6）低次諧波消去法：低次諧波消去法是以消去 PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法 .其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開 ,表示為 tt nanu ?? sin? ,首先確定基波分量 a1的值 ,再令兩個不同的 an=0,就可以建立三個方程 ,聯(lián)立求解得 a1,a2及 a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波 . 該方法雖然可以很好地消除所指 定的低次諧波 ,但是 ,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大 ,而且同樣存在計算復雜的缺點 .該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中 . 7）梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的 ,從而忽視了直流電壓的利用率 ,如 SPWM法 ,其直流電壓利用率僅為 %.因此 ,為了提高直流電壓利用率 ,提出了一種新的方法 梯形波與三角波比較法 .該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號 ,三角波為載波 ,且使兩波幅值相等 ,以兩波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn) PWM控制 . 由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時 ,其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值 ,從而可以有效地提高直流電壓利用率 .但由于梯形波本身含有低次諧波 ,所以輸出波形中含有 5次 ,7次等低次諧波 . （ 2）空間電壓矢量控制 PWM：空間電壓矢量控制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM法 .它以三相波形整體生成效果為前提 ,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的 ,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通 ,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān) ,形成 PWM波形 .此法從電動機的角度出發(fā) ,把逆變器和電機看作一個整體 ,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制 ,使電機獲得 幅值恒定的圓形磁場 (正弦磁通 ). 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式 .磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量 ,若采樣時間足夠小 ,可合成任意電壓矢量 .此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時提高 15%,諧波電流有效值之和接近最小 .磁通閉環(huán)式引 入磁通反饋 ,控制磁通的大小和變化的速度 .在比較估算磁通和給定磁通后 ,根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量 ,形成 PWM 波形 .這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足 ,解決了電機低速時 ,定子電阻影響大的問題 ,減小了電機的脈動和噪音 .但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié) ,系統(tǒng)性能沒有得到根本性的 改善 河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 12 SPWM 的特點與原理 由于本文采用的是電壓型逆變器 故采用的 SPWM 調(diào)制方法是電壓 SPWM。 河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 8 IGBT 元件和 GTO 元件的基本性能對比可見下圖 表 IGBT元件和 GTO元件的基本性能對 比 項目 GTO 元件 IGBT 元件 電壓（ V） 4500(6000) 3300(4000) 電流（ A） 3000~4000（可關(guān)斷電流） 1200 開關(guān)頻率（ HZ） 500 5000 開關(guān)損耗 大 小 通態(tài)損耗 小 大 吸收回路損耗 大 小 驅(qū)動功率 大 小 di/dt,du/dt 限制 嚴格 不嚴 保護功能 外設 完善的自我保護 河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 9 第 3 章 逆變器的控制技術(shù) 現(xiàn)代電力電子技術(shù)，特別是數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，促進了電力機車逆變器系統(tǒng)及控制技術(shù)的發(fā)展。如圖 三相逆變器主電路所示 圖 電路 功率開關(guān)器件的選擇 三相逆變器的開關(guān)器件采用 IGBT。吸收電路逆變器通過采用無感復合母排技術(shù)、低感電容技術(shù)來盡可能消除產(chǎn)生過電壓的因素，從而盡可能避免過電壓情況的發(fā)生，同時也消除了吸收電路所產(chǎn)生的損耗，這樣，既簡化了電路結(jié)構(gòu)，又降低了逆變 器的損耗 ，提高了效率，同時還因逆變器發(fā)熱量的降低而使得逆變器的體積重量 也得以減小。較于其它機車成本較低。 交 — 直 — 交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動系統(tǒng)具有良好的牽引和制動性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機功率大、 質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡便、河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 5 維修工作少、易于標準化、通用化和模塊化等優(yōu)越性。 交 — 直 — 交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動系統(tǒng)具有良好的牽引和制動性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機功率大、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡便、維修工作少、易于標準化、通用化和模塊化等優(yōu)越性 課題研究的背景及意義 電力機車的牽引系統(tǒng)可分為直流牽引傳動系統(tǒng)、交 — 直牽引傳動系統(tǒng)、交 — 直 — 交牽引傳動系統(tǒng)，過去，在具有調(diào)速的牽引傳動范圍內(nèi)大多采用直流傳動，這是由于直流牽引電動機的磁場電流和電樞電流可以單獨控制，起動調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩特性比較理想，并容易獲得良好的動態(tài)響應。由于 .三相異步電動 機結(jié)構(gòu)中無換向器，所以相同功率的電機，異步電動機的重量輕、體積小，可使機車轉(zhuǎn)向架簧下部分重量相應減少，在機車通過曲線時，輪軌之間側(cè)向壓力也就相應減少，這對高速行車尤為重要。具體電路可以是不可控整流橋、相控整橋流、四象限脈沖變流器。 1985 年和 1986 年進口 8K 和 6K 機車的同時，引進了大量先進技術(shù)。產(chǎn)品 SS1 型成批生產(chǎn)，自主研制成功 SS2 型。另一方面。電力機車也隨之由直流制機車發(fā)展到交流機車和多流制機車。因此交 — 直 — 交電力機車已成為目前應用最廣泛的電力機車 。 PWM 調(diào)制作為交流調(diào)速系統(tǒng)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設計的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能。 20 世紀 70 年代以前，直流電力機車普遍采用直流牽引電動機和高壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)；低頻交流電力機車幾乎全部采用單相交流整流子 牽引電動機高壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)系統(tǒng)。目前這些國家早已停止了用于本國的直流傳動和交直傳動電力機車的生產(chǎn) 河北機電職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計 （論文） 2 、中國電力機車發(fā)展概況 中國電力機車在 40 多年的風雨中不斷發(fā)展進步，前后共經(jīng)歷了 3 個階段，開發(fā)了 4代產(chǎn)品。 SS3 機車綜合性能優(yōu)于 SS1型。同時還研制成功了第 4代機車 C4000 型交流傳動機車。 ③環(huán)節(jié) —— 逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時為了機車調(diào)速的需要，它具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)。三相異步電機結(jié)構(gòu)簡單，幾乎無需維修。 從 20世紀 60 年代開始，人們將長期使用的串勵直流電動機（所謂的純直流傳動）改為使 用它勵直流電動機，即采用可控硅電源供給它勵電動機勵磁（所謂的交 — 直流傳動）。近年生產(chǎn)的交流傳動電力機車，網(wǎng)側(cè)采用了四象限脈寬調(diào)制整流器。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(guān)頻