一种消除共模电压整数倍载波频率处边带谐波的调制方法

1.本发明涉及一种锯齿波载波的三相两电平逆变器调制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，逆变器通常采用pwm技术。pwm技术虽然能够降低系统的低次谐波损耗，具有提高系统动态响应性能的优点，但会对系统造成危害。pwm技术会造成电机系统逆变器输出端电压不平衡，产生共模电压。共模电压幅值过大会击穿轴承油膜，降低轴承使用寿命。共模电压所包含的复杂的高频谐波会对共模回路造成冲击，使系统产生共模电流，对系统周围的其他电气设备发射电磁干扰。当共模电压所造成的共模电流过大时，会影响系统的正常运行，需要抑制其幅值及高频谐波。
3.目前，传统逆变器驱动三相电机系统共模电压抑制策略主要是降低共模电压的幅值。对于共模电压整数倍载波频率附近的边带谐波所带来的谐波污染，现有的调制策略没有起到抑制作用。为进一步减小共模电压对系统造成的不利影响，有必要研究共模电压边带谐波抑制策略，在抑制其幅值的同时抑制边带谐波。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种消除共模电压整数倍载波频率处边带谐波的调制方法，通过在合成参考电压矢量的过程中重新选择有效电压矢量，使载波周期之间的共模电压波形完全相同，根据此共模电压波形的特性，该调制方法能够在降低共模电压幅值的同时完全消除共模电压整数倍载波频率附近边带谐波，有效地减小了由共模电压幅值及其边带谐波所带来的不利影响。针对此调制方法所带来的开关频率的上升，借助锯齿波载波来减小每个载波周期的开关次数，进一步降低共模电压对系统造成的危害。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种消除共模电压整数倍载波频率处边带谐波的调制方法，所述方法借助有效电压矢量合成虚拟电压矢量并使载波周期之间的共模电压波形相同，同时使用锯齿波载波，减少每个载波周期的开关次数，具体步骤如下：步骤一、根据空间矢量调制策略的六个有效电压矢量v1~v6，将相邻的两个有效电压矢量合成一个虚拟电压矢量，得到虚拟电压矢量v
12
、v
23
、v
34
、v
45
、v
56
、v
61
，其中：虚拟电压矢量v
12
由有效电压矢量v1与v2合成；虚拟电压矢量v
23
由有效电压矢量v2与v3合成；虚拟电压矢量v
34
由有效电压矢量v3与v4合成；虚拟电压矢量v
45
由有效电压矢量v4与v5合成；虚拟电压矢量v
56
由有效电压矢量v5与v6合成；虚拟电压矢量v
61
由有效电压矢量v6与v1合成；步骤二、根据步骤一得到的虚拟电压矢量v
12
、v
23
、v
34
、v
45
、v
56
、v
61
，重新定义六个扇区：虚拟矢量v
12
与v
23
之间为第一扇区，虚拟矢量v
23
与v
34
之间为第二扇区，虚拟矢量v
34
与v
45
之间为第三扇区，虚拟矢量v
45
与v
56
之间为第四扇区，虚拟矢量v
56
与v
61
之间为第五扇区，虚拟矢量v
61
与v
12
之间为第六扇区；步骤三、利用两个虚拟电压矢量作为新的有效电压矢量合成参考电压矢量，用相
位相反的有效电压矢量合成零电压矢量，载波为锯齿波；步骤四、六个有效电压矢量分别对应共模电压两个极性，根据伏秒平衡原理，改变所选有效电压矢量的先后作用顺序，使每个载波周期内正极性共模电压的作用时间等于负极性共模电压的作用时间，均为载波周期的一半，同时在一个基波周期内的每个载波周期之间共模电压波形完全相同，其中：参考电压矢量分别位于六个扇区内时有效电压矢量的选择及作用顺序如下：第一扇区内有效电压矢量选择：v1与v4合成零电压矢量，v
12
与v
23
合成参考电压矢量，作用顺序为：v1→v3
→v4
→v2
；第二扇区内有效电压矢量选择：v2与v5合成零电压矢量，v
23
与v
34
合成参考电压矢量，作用顺序为：v3→v5
→v4
→v2
；第三扇区内有效电压矢量选择：v3与v6合成零电压矢量，v
34
与v
45
合成参考电压矢量，作用顺序为：v3→v5
→v6
→v4
；第四扇区内有效电压矢量选择：v1与v4合成零电压矢量，v
45
与v
56
合成参考电压矢量，作用顺序为：v5→v1
→v6
→v4
；第五扇区内有效电压矢量选择：v2与v5合成零电压矢量，v
56
与v
61
合成参考电压矢量，作用顺序为：v5→v1
→v2
→v6
；第六扇区内有效电压矢量选择：v3与v6合成零电压矢量，v
61
与v
12
合成参考电压矢量，作用顺序为：v1→v3
→v2
→v6
。
6.相比于现有技术，本发明具有如下优点：1、本发明运用有效电压矢量合成新电压矢量、用相位相反的有效电压矢量合成零电压矢量、锯齿波载波的方法，使每个载波周期内共模电压波形完全相同，实现了系统共模电压幅值的抑制及其数倍载波频率附近边带谐波的消除。
7.2、本发明的调制方法能够在抑制共模电压幅值的同时有效地消除整数倍载波频率附近的边带谐波，减小了共模电压对系统造成的不利影响，同时载波采用锯齿波，开关损耗不会大幅增加，具有很高的研究价值与应用价值。
附图说明
8.图1为本发明提出的调制策略扇区定义与参考矢量合成示意图；图2为本发明提出的调制策略在新定义的扇区内pwm波形及共模电压波形；图3为采用本发明调制策略载波周期内共模电压波形；图4为采用本发明调制策略电机共模电压在0~40khz范围内傅里叶展开；图5为采用azspwm1调制策略电机共模电压在0~40khz范围内傅里叶展开；图6为两种调制策略在150khz~30mhz的傅里叶展开。
具体实施方式
9.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
10.如图1所示，6个虚线箭头为6个有效电压矢量合成的虚拟电压矢量，其中虚拟电压
矢量v
12
由有效电压矢量v1与v2合成；虚拟电压矢量v
23
由有效电压矢量v2与v3合成；虚拟电压矢量v
34
由有效电压矢量v3与v4合成；虚拟电压矢量v
45
由有效电压矢量v4与v5合成；虚拟电压矢量v
56
由有效电压矢量v5与v6合成；虚拟电压矢量v
61
由有效电压矢量v6与v1合成。虚线所示的正六边形由6个虚拟电压矢量构成，扇区是根据虚线构成的正六边形重新定义的，其中虚拟电压矢量v
12
与v
23
之间为第一扇区；虚拟电压矢量v
23
与v
34
之间为第二扇区；虚拟电压矢量v
34
与v
45
之间为第三扇区；虚拟电压矢量v
45
与v
56
之间为第四扇区；虚拟电压矢量v
56
与v
61
之间为第五扇区；虚拟电压矢量v
61
与v
12
之间为第六扇区。
11.以参考电压矢量在第一扇区为例，其合成过程中虚拟电压矢量选择v
12
与v
23
，零电压矢量选择有效电压矢量v1与v4合成。虚拟电压矢量及用于合成零电压矢量的有效电压矢量作用时间的计算与svpwm调制策略相似。所选用的有效电压矢量中，用于合成零电压矢量的v1、v4矢量，合成v
12
的v1、v2矢量，合成v
23
的v2、v3矢量的作用时间是分别相等的。根据共模电压的计算公式可知，v1、v3矢量会产生负极性的共模电压，v2、v4矢量会产生正极性的共模电压，因此，载波周期内正极性共模电压的作用时间等于负极性共模电压的作用时间，均为载波周期的一半。根据伏秒平衡原理，改变矢量作用顺序而不改变矢量的作用时间并不影响最终的实现效果。在每个载波周期内将产生负（正）极性共模电压的有效矢量放在一起，将产生正（负）极性共模电压的有效矢量放在一起，尽可能少得增加开关次数，在一个载波周期内将矢量作用顺序设置为v1→v3
→v4
→v2
，共模电压在载波周期内的波形变换为先负极性持续二分之一个载波周期，然后正极性持续二分之一个载波周期。在此扇区的每个载波周期内共模电压波形均完全相同。
12.与上述参考电压矢量位于第一扇区同理，参考电压矢量分别位于六个扇区内时有效电压矢量的选择及具体作用顺序如下：第一扇区内有效电压矢量选择：v1与v4合成零电压矢量，v
12
与v
23
合成参考电压矢量，作用顺序为：v1→v3
→v4
→v2
。
13.第二扇区内有效电压矢量选择：v2与v5合成零电压矢量，v
23
与v
34
合成参考电压矢量，作用顺序为：v3→v5
→v4
→v2
。
14.第三扇区内有效电压矢量选择：v3与v6合成零电压矢量，v
34
与v
45
合成参考电压矢量，作用顺序为：v3→v5
→v6
→v4
。
15.第四扇区内有效电压矢量选择：v1与v4合成零电压矢量，v
45
与v
56
合成参考电压矢量，作用顺序为：v5→v1
→v6
→v4
。
16.第五扇区内有效电压矢量选择：v2与v5合成零电压矢量，v
56
与v
61
合成参考电压矢量，作用顺序为：v5→v1
→v2
→v6
。
17.第六扇区内有效电压矢量选择：v3与v6合成零电压矢量，v
61
与v
12
合成参考电压矢量，作用顺序为：v1→v3
→v2
→v6
。
18.理论上每个扇区内pwm波形及共模电压波形如图2所示。由于没有用到零电压矢量，将共模电压的幅值抑制到v
dc
/6。每个载波周期内共模电压波形均完全相同，对其进行傅里叶分析可知，能够完全消除整数倍载波频率附近的边带谐波成分。
19.将载波频率设置为10 khz，采用本发明调制策略电机产生的共模电压波形如图3所示。由图3可知，此策略能够实现每个载波周期内共模电压波形完全相同。对此波形在0~40khz范围内进行傅里叶分解，如图4所示。采用azspwm1调制策略，对电机共模电压在0~
40khz范围内进行傅里叶分解，如图5所示。对两种调制策略在150khz~30mhz进行傅里叶展开，其对比图如图6所示。由上可知，本发明调制策略下共模电压整数倍载波频率附近的边带谐波均被消除。本发明的调制策略能够在抑制共模电压幅值的同时有效地消除整数倍载波频率附近的边带谐波，能够进一步降低共模电压对系统造成的危害。