核心提示：　　在全數(shù)字高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用數(shù)字脈寬調(diào)制來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬脈寬調(diào)制。空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。SVPWM是把三相變流器的端部電壓狀態(tài)在復(fù)平面上綜合為空間電壓

　　在全數(shù)字高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用數(shù)字脈寬調(diào)制來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬脈寬調(diào)制。空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。SVPWM是把三相變流器的端部電壓狀態(tài)在復(fù)平面上綜合為空間電壓矢量，并通過(guò)不同的開關(guān)狀態(tài)形成八個(gè)空間矢量，利用這八個(gè)空間矢量來(lái)逼近電壓圓，從而形成SVPWM波。它能在較低的開關(guān)頻率下獲得較好的諧波抑制效果和比SPWM高約15%的基波電壓。同時(shí)，SVPWM調(diào)制技術(shù)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)即易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字和實(shí)時(shí)控制。

　　在不同的逼近方式下，SVPWM調(diào)制技術(shù)會(huì)有不同的效果，即產(chǎn)生的諧波也不同。本文基于SVRWM產(chǎn)生的機(jī)理，分析了SVPWM波在不同逼近方式下的諧波分布和開關(guān)效率，以及不同逼近方法下的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)諧波對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行了仿真研究，并提出了SVPWM調(diào)制技術(shù)優(yōu)化的新思路。仿真研究證明了本文所提方法的基金項(xiàng)目：江蘇省教育廳自然科學(xué)基金（00Kjm70002）192（）空間矢量PWM諧波分析及其對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響正確性和可行性。

　　2空間矢量脈寬調(diào)制基本原理由三相逆變器主電路圖（如所示）可知，逆變器必須滿足以下兩個(gè)條件：任一時(shí)刻總有三個(gè)開關(guān)處于開狀態(tài)，另三個(gè)處于關(guān)狀態(tài)；上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通。

　　三相逆變器主電路圖在滿足上述條件下，六個(gè)功率三極管有八種開關(guān)組合：八個(gè)基本空間矢量（其中6個(gè)為非零矢量）分別標(biāo)記為V1（001）、V2（010）、V3（于原點(diǎn)，相鄰非零矢量之間的夾角為60°，如所示SVPWM向量、扇區(qū)和原理圖任一電壓空間矢量可定義為：自的導(dǎo)通狀態(tài)，上開關(guān)通為1，下開關(guān)通為0，U（1為直流電壓值。

　　用基本空間矢量法估算電動(dòng)機(jī)的電壓：在任一時(shí)刻投影的電動(dòng)機(jī)的電壓矢量都落在六個(gè)扇區(qū)的一個(gè)之中，這樣在任一時(shí)刻的電動(dòng)機(jī)電壓矢量都可以通過(guò)相鄰的基本空間矢量上的兩個(gè)矢量元素估算出來(lái)（如所示）：調(diào)制的約束條件是：式（4）決定了直流電壓為Ud時(shí)采用逆變器供電時(shí)的最大電壓。把式（3）帶入式（4）得：6.的作用時(shí)間，T.為零矢量作用時(shí)間，T（）=Ts-Ti-T2，Ts= l/（Nf），N為生成PWM載波比，f為輸出電壓頻率，U.是任一時(shí)刻的電動(dòng)機(jī)電壓矢量。

　　易知，逆變器輸出最大電壓（即式（5）右邊的下限）為Ud/乃。如果反映在矢量圖上，則矢量圓是六個(gè)非當(dāng)控制系統(tǒng)給出兩相靜止坐標(biāo)系的兩個(gè)正交電零矢量組成的六邊形的內(nèi)切圓。傳統(tǒng)的SPWM的輸下面分三種逼近方法進(jìn)行討論（以第一扇區(qū)為例），仿真都是在N= 36，/=50Hz的條件下進(jìn)行的。

　　仿直結(jié)果如~5所示。

　　方法1方法2方法3第一端起始點(diǎn)插入零矢量再走矢量V4、V6，再插入零矢量V7>接著走矢量V6，V4，終點(diǎn)插入零矢量Vn，如a所示。與方法1相比，零矢量全由V.來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，而不用即在中間不插入零矢量，如a所示。與方法1相比，零矢量全由V7來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，而不用V.，即在兩端不插入零矢量，如a所示。

　　壓向量Urdref、Urqef后，SVPWM控制算法將完成以下功能：確定U.edrrf和Urqref合成的電壓向量Ur落在哪一個(gè)扇區(qū)。

　　計(jì)算該扇區(qū)內(nèi)兩相鄰向量和零向量各自所占時(shí)間。

　　式（3）中，O<0

　　3SVPWM優(yōu)化選擇與仿真研究用八個(gè)矢量來(lái)逼近圓的方法有多種，不同的逼近方法生成的PWM波的諧波分布是不一樣的，一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)的開關(guān)次數(shù)也是不一樣的。換句話說(shuō)，輸入電流的諧波分布與采樣周期中的開關(guān)次數(shù)和空間矢量逼近電壓圓的排列有很大的關(guān)系。

　　電壓矢量在每個(gè)扇區(qū)的分組為：扇區(qū)號(hào)123456矢量組比較上面三種逼近方法產(chǎn)生的SVPWM波形的波譜，可以發(fā)現(xiàn)低次諧波的區(qū)別不是很大，高次諧波主要產(chǎn)生在開關(guān)頻率（1. 8kHz）的整數(shù)倍附近。方法1和方法2產(chǎn)生的高次諧波較小，方法3產(chǎn)生的低次諧波較小。比較三種方法的線電壓頻譜，可以發(fā)現(xiàn)它們的頻譜分布與相應(yīng)的SVPWM頻譜分布一致。從開關(guān)損耗的角度比較，一個(gè)PWM周期內(nèi)，方法1要開關(guān)6次，方法2要開關(guān)4次，而方法3只要開關(guān)5次。

　　這三種逼近方法都是低功耗的逼近方式。根據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中工作頻率和開關(guān)次數(shù)的限制，在不同的頻段，可以參照仿真結(jié)果作出優(yōu)化選擇。

　　4諧波對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響由于逆變器輸出電壓中含有基波及各次諧波，它們各自在電機(jī)中將產(chǎn)生相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。為了獲得高性能的電磁轉(zhuǎn)矩，要盡可能地減少諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的影響。因?yàn)橹C波轉(zhuǎn)矩將使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其中影響較大的是5次和7次諧波。下面以5次和7次諧波為例進(jìn)行具體分析。

　　設(shè)基波電壓的相序?yàn)檎嘈颍敲从芍C波分析可知，5次諧波為逆相序，而7次為正相序。5次和7次諧波電壓在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電流都是6次諧波。如果在不考慮磁路飽和和磁滯損耗的前提下，可以考慮應(yīng)用疊加原理來(lái)考慮電磁轉(zhuǎn)矩。5次和7次產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩分別如下：5、7，Ux代表x次諧波的電壓有效值，/x代表x次諧波頻率，LS1代表定子每相漏電感，LS2代表折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相的漏電感。

　　仿真用電機(jī)模型是基于兩相靜止坐標(biāo)系的五階非線性方程。電機(jī)參數(shù)為：額定功率2.2 kW，額定電壓380 V，額定電流8. Hz，極對(duì)數(shù)2，額定轉(zhuǎn)速183. 26rad/s，額定電磁轉(zhuǎn)矩12Nm，定子電阻0.6878，定子電感83.97 mH，轉(zhuǎn)子電阻0. 8428，轉(zhuǎn)子電感85.基波與5次諧波和7次諧波以及各種組合對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩影響如~ 9（都是電機(jī)在空載條件下的仿真結(jié)果）所示。

　　從以上仿真分析可以看出，5次和7次諧波對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)存在相互抵消作用，的電磁轉(zhuǎn)5諧波優(yōu)化方案諧波抑制是SVPWM調(diào)制技術(shù)優(yōu)化的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。從現(xiàn)有的看，SVPWM調(diào)制技術(shù)幾乎處在停滯不前的狀態(tài)，技術(shù)沒(méi)有從根本上得到優(yōu)化。因?yàn)樵谥C波抑制的同時(shí)，還要考慮到開關(guān)器件功耗的優(yōu)化。目前，很多的把諧波的優(yōu)化手段集中在零矢量的分布上，主要方法有：合理的分布零矢量，使諧波的抑制和開關(guān)次數(shù)的減少達(dá)到綜合最優(yōu)。

　　在每個(gè)采樣周期不變的前提下，產(chǎn)生隨機(jī)脈沖序列，隨機(jī)改變導(dǎo)通時(shí)間，使諧波往高次分布。

　　通過(guò)某種控制策略，實(shí)時(shí)改變載波比，以改善低頻特性15.這些方法的目的就是要消除諧波，但是其中一些消除諧波的方法會(huì)給實(shí)時(shí)性能和開關(guān)器件帶來(lái)較重的負(fù)擔(dān)。從上面的仿真可以看出，充分利用諧波之間相互抑制的特點(diǎn)，比如在消除5、7次諧波時(shí)只要補(bǔ)償部分5次諧波，就可以尋找到一條新的降低或消除諧波影響的思路，簡(jiǎn)化算法，減少開關(guān)器件的負(fù)擔(dān)，在不消除某些諧波的情況下，達(dá)到消除這些諧波影響的效果。

　　值得注意的是，這些算法都沒(méi)有找到在實(shí)時(shí)控制中限制諧波的參數(shù)即沒(méi)有找到逆變器合適的非線性描述函數(shù)，原因是沒(méi)有找到控制脈沖序列的比較理想的連續(xù)函數(shù)，國(guó)外已有學(xué)者開始對(duì)這方面進(jìn)行研究。

　　6小結(jié)本文通過(guò)仿真研究分析了空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的原理及其幾種主要產(chǎn)生方法的諧波分布，并對(duì)其特點(diǎn)做了一些小結(jié)。同時(shí)，基于對(duì)諧波對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響的分析，提出了新的諧波影響抑制的思路。本文的研究對(duì)于SVPWM在交流感應(yīng)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的優(yōu)化選擇，和諧波抑制方案的確定具有實(shí)踐意義。