三相逆變電路扇區(qū)的分類與選擇

扇區(qū)的分類與選擇：

根據(jù)下圖我們可以了解到三相逆變電路一共有6個開關(guān)管，由于不能形成短路，所以每兩個開關(guān)管可以構(gòu)成一個組合，這樣的組合共有3個。

我們分別用字母A，B，C來代表該三組開關(guān)管。假設(shè)0表示上開關(guān)管閉合，下開關(guān)管斷開；1表示下開關(guān)管閉合，上開關(guān)管斷開。

因此這樣一共有8種組合形式，分別為：000,001,010,011,100,101,110,111

我們可以很容易看出當(dāng)出現(xiàn)000或者111時，電路處于斷開的狀態(tài)，此時電路是輸出為0，因此有效的開關(guān)組合只有6種。以下分別列舉了6中開關(guān)狀態(tài)下的輸出相電壓與線電壓：

根據(jù)上表我們可知每種狀態(tài)可生成一個向量可組成一個正六邊形，將空間均分為6部分。具體如下圖所示：

我們在正六邊形中做一個內(nèi)切圓，其中圓的半徑就是該逆變器所能輸出的最大電壓。由于我們采用的是等幅值變換，故：

根據(jù)上圖可知：

故：

只要市網(wǎng)電壓的線電壓小于等于直流電源的電壓逆變器就可以正常工作。為了能夠確定任意時刻合成向量的位置，我們需要將向量空間進行劃分為6個區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)由區(qū)域的邊界向量作為基向量進行合成。為了確定合成向量的區(qū)域，我們采用三條經(jīng)過原點的直線來判斷合成向量的位置。如下圖所示：

如上圖所示的三條直線L1,L2,L3可以用來判斷響亮所在區(qū)域。令

通過上表可知，經(jīng)過判斷N的大小就可以確定合成向量目前所處的區(qū)間了。將上述的區(qū)間選擇方法用PSIM搭建硬件電路如下：

從V56到V61分別表示扇區(qū)I到扇區(qū)VI，我們可以從上圖看出，隨著時間的推移，合成向量依次經(jīng)過I,II,III,IV,V,VI六個扇區(qū)，其仿真結(jié)果也是符合要求的。

合成向量的表示方法：

接下來就是我們通過控制開關(guān)管的開通順序來產(chǎn)生所需的向量了。目前常用的分為5段式和7段式兩種開關(guān)方式。但是考慮到散熱以及諧波問題，我采用了7段式開關(guān)導(dǎo)通方式。5段式開關(guān)方式雖然相對于7段式開關(guān)方式減少了三分之一的開關(guān)次數(shù)，但是由于一種開關(guān)狀態(tài)長期導(dǎo)通會導(dǎo)致開關(guān)管的散熱不平衡，每組中的兩個開關(guān)管使用頻率不平衡。同時，5段式產(chǎn)生的諧波含量較多并且諧波頻率較低，對后續(xù)的濾波要求較高。

除此之外，7段式可以有兩次產(chǎn)生的向量與要求向量重合，可以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確型，而且高頻率的開關(guān)產(chǎn)生的諧波頻率較高相對容易剔除。盡管如此，5段式相對于7段式還存在一個顯著的優(yōu)勢就是能量損耗。開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷損耗占系統(tǒng)損耗相當(dāng)大一部分，因此在降低開關(guān)管損耗方面的5段式明顯占優(yōu)。綜上所述，我們?nèi)嗄孀兪菫榱瞬⒕W(wǎng)對電壓質(zhì)量要求較高，因此還是選擇了7段式。

以區(qū)域I為例，我們來分析一下7段式的具體開關(guān)操作：

由于開關(guān)模式000與111逆變器斷開，那么產(chǎn)生的電壓為0所以處于原點位置。

圖中的紅色線條的開關(guān)方式為：000，100，110，111，110，100，000。

藍色線條的開關(guān)方式為：111，110，100，000，100，110，111。

注意觀察上述開關(guān)方式我們可以發(fā)現(xiàn)，每次開關(guān)狀態(tài)發(fā)生調(diào)整基本上只改變了一組開關(guān)管并且做到了每個開關(guān)管開斷頻率平衡均勻散熱。

不妨我們采用紅色路徑，同理去分析其他區(qū)域的開關(guān)順序如下表：

開關(guān)管導(dǎo)通時間的計算：

目前我們已經(jīng)解決了向量的表示問題以及開關(guān)管的導(dǎo)通順序，我們現(xiàn)在只需要通過計算每個管子的導(dǎo)通時間來產(chǎn)生想要的向量幅值及角度即可。我們?nèi)匀灰詤^(qū)間I為例，計算當(dāng)向量處于該區(qū)間時的開關(guān)管導(dǎo)通時間的計算。

假設(shè)開關(guān)管的導(dǎo)通信號PWM的周期為Tpwm。根據(jù)上圖可知，

根據(jù)上面我們的開關(guān)管導(dǎo)通順序可知在I區(qū)域?qū)樞驗?00，100，110，111，110，100，000。為了盡可能使每個開關(guān)動作時間均勻分布，我們采用以下開關(guān)導(dǎo)通時間分布：

同理，我們可以算出在其他區(qū)域時的開關(guān)時間：

觀察上表，我們可以發(fā)現(xiàn)，開通時間的表達式許多相同，因此我們可以通過條件判斷來選擇表達式。不妨令

那么上表就可簡化為：

如果其中兩個開關(guān)管導(dǎo)通方式的導(dǎo)通時間之和超過Tpwm，則就超出了逆變器可以輸出的范圍。因此，這種情況下需要進行調(diào)制如下所示：

將上述的開關(guān)管導(dǎo)通時間計算在電路仿真中進行驗證如下圖所示：

實驗結(jié)果及分析：

V53，V54，V55分別表示X，Y，Z的結(jié)果。由于合成向量在坐標(biāo)系中做圓周運動，因此在坐標(biāo)軸中的投影是一個正弦信號，所以每個開關(guān)狀態(tài)的導(dǎo)通時間也是一個隨時間變化的正弦信號。

開關(guān)管切換時間計算：

根據(jù)上述我們已經(jīng)可以計算出三相逆變橋的開關(guān)管的導(dǎo)通順序以及每個狀態(tài)的開關(guān)時間。目前我們需要計算出每個扇區(qū)每個開關(guān)狀態(tài)的切換時間，也就是生成相對應(yīng)的開關(guān)管的控制信號，該控制方式就被稱為SVPWM控制。

仍然以扇區(qū)I為例，我們可以根據(jù)上述得出開關(guān)管的導(dǎo)通時間。因此，在每個狀態(tài)的結(jié)束就是下個狀態(tài)的切換時間，假設(shè)A組管在扇區(qū)I的導(dǎo)通時間為PWMa，B組管在扇區(qū)I的導(dǎo)通時間為PWMb，C組管在扇區(qū)I的導(dǎo)通時間為PWMc，其余扇區(qū)以此類推。故：

根據(jù)上式以及上圖我們可以得出下述表格：

根據(jù)上述表格我們可以計算出每個開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)切換時間，但是為了能夠在準(zhǔn)確的時間發(fā)出準(zhǔn)確的信號，我們采用與三角波（必須是等腰三角形才能保癥準(zhǔn)確的時間輸出相對應(yīng)的電平）相比較的辦法實現(xiàn)。其中三角波頻率為40K，峰峰值電壓應(yīng)該恰好等于Tpwm/2，保證其底角為45度。

根據(jù)上表可知每個扇區(qū)的開關(guān)管切換時間如何計算實現(xiàn)，因此將其轉(zhuǎn)化為硬件電路如下圖所示：

實驗結(jié)果：

在上述的理論計算與實際硬件電路的搭建過程中，我們完成了一個完整的SVPWM控制的三相逆變電路，仿真時間為0.2S。其結(jié)果如下圖所示：

**總結(jié)：**本根據(jù)上面的仿真我們可以看到逆變器在60ms后可以穩(wěn)定輸出三相電壓。