城際動車組逆變器PWM調制方法的分析與仿真

孟堯+鄧桂美+牛步釗

摘 要：針對城際動車組逆變器SVPWM控制策略，探討了5段式SVPWM調制法和7段式SVPWM調制法的工作原理、調制波函數，并通過仿真驗證了2種調制方法在減少逆變器輸出電流諧波和轉矩脈動方面的表現，為今后城際列車SVPWM調制法的應用提供參考。

關鍵詞：城際動車組；逆變器；SVPWM；控制策略

中圖分類號：TM464；U266 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.019

目前，我國城際動車組逆變器大多采用兩電平空間電壓矢量調制法（SVPWM）。PWM調制法是將逆變器和交流電機看作一個整體，通過逆變器不同開關狀態所產生的實際磁通圓去逼近三相對稱電源所產生的理想磁通圓減小輸入的電流諧波，從而實現對電機的優化控制。

1 空間電壓矢量調制法原理

CRH6型城際動車組逆變器每相由2個IGBT功率元件串聯組成，每個功率元件反并聯1個續流二極管。由于逆變器每相可輸出2種電平狀態，所以，三相逆變器共可輸出8種電平狀態。

2.3 2種常用的SVPWM調制法

為了控制器（DSP等）處理方便，在合成時，一般需要定時計算（比如每隔100us計算1次）。這樣，只需算出100us內2個基本矢量的作用時間。但是，由于計算出2個時間的總合往往小于100us，因此，剩下的時間就需要根據情況插入合適的零矢量。根據零矢量插入位置的不同可以得到多種不同的調制方法，本文重點討論了動車中最常使用的5段式SVPWM調制法和7段式SVPWM調制法。

2.3.1 5段式SVPWM調制法

對于5段式SVPWM調制法，只需在PWM周期中間插入零矢量u0，u7，具體采用哪一個值由硬件根據旋轉方向和開關動作次數最少的原則自行決定。例如，在第Ⅲ扇區內，如果旋轉方向為逆時針，則u4先動作，u6后動作。以此類推，動作時間可以采用表2中的數據，之后選擇零矢量（硬件決定）即可減少開關次數。而零矢量的作用時間可以表示為：

2.3.2 7段式SVPWM調制法

7段式SVPWM調制法與5段式SVPWM調制法的區別在于基本矢量作用順序的不同。7段式SVPWM調制法是以零矢量u0開始，將u7作為中間矢量。為了保證每次切換只有1個開關動作，必須人為改變作用順序。以第Ⅰ區間為例，u2對應的開關狀態為（010），u6對應的開關狀態為（110）。由于初始狀態為u0（000），所以，首先動作的為u2（010），然后為u6（110），之后為零矢量u7（111），這樣就實現了整個過程中每次只有1個開關動作。動作順序改變，相應的時間表也發生了改變，以滿足7段式SVPWM調制法的要求。

由于每個PWM周期被分為7段，因此，每個矢量的動作時間也應當有所調整。至此，零矢量的動作時間為：

T0=T7=（T-T1-T2）/2. （12）

在每個扇區內，7段式SVPWM調制法的開關動作如圖3所示。

5段式SVPWM調制法和7段式SVPWM調制法是城際動車組最常使用的2種空間矢量調制法。在電機的低頻域，由于5段式SVPWM調制法產生的電機輸入電流諧波相對較多，轉矩脈動較大，所以，多采用7段式SVPWM調制法的輸出方式；在電機的高頻域，由于5段式SVPWM調制法開關動作次數較少，與7段式調制法相比，其開關損耗小，并且控制相對簡單，因此，在高頻域多使用5段式SVPWM調制法。

3 仿真

本文重點探討了城際動車組最常用的5段式SVPWM調制法和7段式SVPWM調制法在減少逆變器輸出電流諧波和轉矩脈動方面的表現，所以，需要對電機的輸入電流進行FFT分析。利用MATLAB搭建仿真電路，如圖4所示。在正常工況下，將直流電壓模塊的電壓設置為1 800 V，電機模塊采用CRH6F使用的YQ285型電機參數，POWERGUI模塊可以進行FFT諧波分析，multimeter和current measurement模塊為采樣模塊，SVPWM模塊采用編程的形式構建。

將仿真時間設置為0.06 s，分別采用5段式SVPWM調制法和7段式SVPWM調制法進行仿真，由此得到2種波形圖，如圖5和圖6所示。其中，波形圖中的采樣數據由上自下分別為電機相電壓、相電流、線電壓和直流側電流。由圖5、圖6可知，使用5段式SVPWM調制法和7段式SVPWM調制法可以得到相對較為平滑的電機相電流。但是，采用5段式SVPWM調制法時，直流側電流會產生尖峰，最大數值可達到50 000 A，所以，需要采用相應的保護措施，而7段式SVPWM調制法則不需要。

4 結論

本文闡述的是使用MATLAB仿真2種調制法的真實情況?？傮w來說，2種空間矢量調制法都可以產生較小的諧波，在減小轉矩脈動上有很好的表現。雖然使用5段式SVPWM調制法可以降低開關損耗，但是，對比5段式仿真與7段式仿真的結果可知，7段式仿真在減少諧波等方面的表現更加突出。這是因為7段式SVPWM調制法的每個周期均以零矢量開始，并以零矢量結束，從一個矢量切換到另一個矢量時，僅有一相狀態發生改變，所以，諧波分量比較少，對電路的影響也比較小。在城際動車組運行的過程中，需要根據實際情況平衡開關損耗與諧波的關系，從而選擇合適的空間矢量調制法。

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〔編輯：白潔〕