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基于DSP正弦波调制的三电平变换器

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:首先介绍了三电平PWM变换器的特点,比较了空间矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的优缺点。详细地介绍了三电平中SPWM控制的原理,并讨论了用DSPLF2407A来实现SPWM的方法。最后通过仿真和实验验证了SPWM控制方法的特点,实验证实了用DSP实现三电平SPWM的方便性。
  关键词:三电平变换器;正弦脉冲宽度调制;数字处理器
  
  1概述
  
  二极管中点钳位型的三电平逆变器[1]的主电路拓扑结构如图1所示。由于二极管的钳位,这种变换器每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的1/2,从而实现了用中低压器件完成中高容量的变换。另外,由于相电压有三种电平状态,比传统的二电平逆变器多了一个电平,其谐波水平明显低于二电平变换器,输出相同质量电流波形的时候,开关频率可以降低到两电平的1/4。最后,由于采用了不对称的双向开关,能量可以双向流动,可以很好地控制功率因数和实现电机四象限运行。然而,由于这种拓扑结构使用了12个功率管,其控制方法也随之复杂。另外,直流侧中点电位的不平衡也是制约该拓扑的一个重要因素。
  
  图1
  
  三电平变换器的控制方法主要有正弦波调制PWM(SPWM),选择性的消谐PWM(SHEPWM),空间矢量PWM(SVPWM)。
  
  三电平空间矢量控制PWM方法和两电平空间矢量的控制方法一样,也是一种建立在空间电压矢量合成概念上的PWM方法。三电平空间矢量方法的优点主要是电压利用率高,对于二极管中点钳位的变换电路可以利用冗余的电压矢量(一般都是小矢量)来实现直流侧电容电压的平衡;其缺点就是数字实现的时候计算量非常大,尤其是当电平数大于3的时候更加复杂。
  
  选择性的消谐PWM方法,通过开关时刻的优化选择,可以在较低的开关频率下,产生最优的输出电压波形,从而减小了电流纹波和电动机的脉动转矩。在输出同样质量波形的时候,它较其它的方法,开关次数最少,效率最高。因此,在高压大功率的设备上多采用SHEPWM的控制方法。但是,这种方法的一个难点就是在计算开关角的时候,要解超越方程,现在通用的牛顿迭代法中,确定开关角的初值难以选择,计算比较困难。
  
  而正弦波调制的方法的优点主要以下几点:
  
  1)SPWM实现起来比较方便,可以模拟实现也可以用数字来实现,而且用数字来实现的时候,计算量小;
  
  2)可以大大降低输出谐波含量,尤其是低频纹波,它的谐波主要集中在载波频率的K倍的位置,因此在设计滤波器的时候,比较容易实现,而且成本较低;
  
  3)对于任何数电平变换器,调制比可以在所有的工作范围内变化,注入合适的三次谐波,可以实现最大调制比1.15;
  
  4)在载波中注入合适零序列,可以较好地平衡中点电位[2]。
  
  本文在介绍三电平变换SPWM控制理论的基础上,讨论了用DSP来实现三电平SPWM控制的方法,并将仿真结果与实验结果进行了比较。
  
  2三电平载波调制理论
  
  从图1中可以看到,三电平逆变器的每一个桥臂上有4个开关管,4个反向恢复二极管和2个钳位二极管。以第一桥臂为例,其中开关管Sa1和Sa3的开关控制信号互补,Sa2和Sa4的开关控?信号也是互补的。Sa1和

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