基于DPWM 的動(dòng)車輔助變流器仿真研究

王天博， 趙 芳

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司， 陜西 西安 710016）

引言

在電力電子領(lǐng)域中，電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）以其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種被廣泛研究應(yīng)用的脈寬調(diào)制技術(shù)[1]。SVPWM源于交流電機(jī)控制技術(shù)，通過(guò)一種特殊的開(kāi)關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，輸出三相互差120°電角度、失真較小的正弦波。由于該方式直流電壓利用率高，且易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，已被廣泛運(yùn)用到變流器控制中。

動(dòng)車的輔助變流器是輔助系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)，它主要為牽引冷卻風(fēng)機(jī)以及車廂內(nèi)部設(shè)備供電，保證高速列車長(zhǎng)時(shí)間的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[2]。使用傳統(tǒng)7 段式SVPWM調(diào)制策略時(shí)，需要6 次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)損耗逐漸增大，輔助變流器的散熱負(fù)擔(dān)加重，嚴(yán)重時(shí)將危害變流器的運(yùn)行。

為解決變流器發(fā)熱問(wèn)題，本文介紹一種不連續(xù)空間矢量調(diào)制策略（DPWM），通過(guò)分析該策略的基本原理，提出扇區(qū)內(nèi)的發(fā)波方式，并結(jié)合某型號(hào)動(dòng)車輔助變流器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過(guò)與傳統(tǒng)SVPWM方式的輸出波形對(duì)比，體現(xiàn)出DPWM的優(yōu)點(diǎn)。

1 空間矢量調(diào)制基本原理

1.1 電壓空間矢量合成

動(dòng)車輔助變流器一般采用三相橋式結(jié)構(gòu)，圖1 為輔助變流器的等效電路圖，其中abc 為三相橋臂，LC為濾波器，N 為變壓器中性點(diǎn)，U、V、W 為三相輸出。定義a、b 和c 為1 時(shí)，表示該橋臂的上管導(dǎo)通；為0時(shí)，表示該橋臂的下管導(dǎo)通。為防止橋臂短路，上下管不能同時(shí)導(dǎo)通。三相輸出電壓可使用旋轉(zhuǎn)電壓矢量Uout來(lái)表示：

輔助變流器有3 對(duì)橋臂開(kāi)關(guān)管，共有8 種組合方式，即8 種空間矢量，分別是000、001、010、011、100、101、110 和111[2]，將這8 種狀態(tài)命名為U0～U7，其中U0和U7為零矢量，該狀態(tài)下無(wú)能量流動(dòng)。

1.2 Clark 變換

由于式1 計(jì)算合成矢量較為復(fù)雜，通常使用Clark 變換，將三相電壓從abc 靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到αβ 靜止坐標(biāo)系中，計(jì)算合成矢量，變換如下：

將8 種組合的基本空間矢量映射至αβ 坐標(biāo)系中，即可以得到如圖2 所示的電壓空間矢量圖，其中有效的空間矢量將平面劃分為6 個(gè)扇區(qū)。

2 DPWM 調(diào)制的實(shí)現(xiàn)

2.1 矢量作用時(shí)間

DPWM調(diào)制與SVPWM的基本原理類似，均是在一個(gè)控制周期，選擇與參考電壓在空間上最接近的兩個(gè)電壓矢量作為基本矢量[3]，以減小開(kāi)關(guān)損耗為目的，對(duì)電壓矢量進(jìn)行排序。

六個(gè)基本電壓矢量圍成正六邊形平面，模長(zhǎng)均為2/3Udc，參考電壓矢量在正六邊形內(nèi)切圓內(nèi)旋轉(zhuǎn)，速度為調(diào)制波的角速度，該區(qū)域稱為線性調(diào)制區(qū)，在此區(qū)域工作能夠保證輸出電壓為正弦波。根據(jù)伏秒平衡原則，如圖3 所示，利用扇區(qū)Ⅰ為例分析，得到下式：式中：TS為三角載波的周期；T1、T2為兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間；T0、U0對(duì)應(yīng)零矢量作用時(shí)間和模長(zhǎng)；U6、U4為扇區(qū)Ⅰ的基本空間矢量。式3 表明了在TS周期內(nèi)參考電壓矢量的累積，與兩個(gè)基本矢量在T1、T2時(shí)間內(nèi)累積之和是等效的。

利用平行四邊形法則，將基本空間矢量分別向α軸和β 軸做投影，圖3 中T1、T2時(shí)間可由式（5）和式（6）計(jì)算：

2.2 發(fā)波方式

傳統(tǒng)SVPWM 策略為了降低輸出電壓諧波，2 個(gè)零矢量均參與到扇區(qū)內(nèi)的矢量合成，組成7 段式序列，DPWM策略在任意時(shí)刻都有某一相不進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將7 段式降為5 段式序列，在一個(gè)載波周期內(nèi)的切換次數(shù)也由6 次降低至4 次[4]，使得器件的損耗降低為SVPWM調(diào)制的2/3，將會(huì)增加一部分諧波含量。

根據(jù)插入零矢量的不同，DPWM可分為DPWMMAX、DPWMMIN、DPWM0～DPWM3，共六種。其中DPWMMAX、DPWMMIN在6 個(gè)扇區(qū)內(nèi)僅使用U0矢量或U7矢量，為半周期調(diào)制，會(huì)導(dǎo)致逆變器的橋臂損耗分布不平衡，不適用于中高壓大功率逆變器[5]。DPWM2、DPWM3對(duì)扇區(qū)進(jìn)一步劃分，每30°使用U0或U7矢量，該方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，軟件計(jì)算量較大。DPWM0、DPWM1將U0和U7輪流插入到6 個(gè)扇區(qū)中，每個(gè)扇區(qū)零矢量只使用一次，也稱作60°調(diào)制，該方式控制簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，能夠減少器件開(kāi)關(guān)損耗且功耗分布均勻。

本文使用DPWM0調(diào)制，在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ奇數(shù)扇區(qū)插入U(xiǎn)0矢量，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ偶數(shù)扇區(qū)插入U(xiǎn)7矢量，脈沖時(shí)序如圖4 所示。SA、SB、SC表示三個(gè)橋臂上管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，Ta、Tb、Tc為矢量切換時(shí)刻。對(duì)于扇區(qū)Ⅰ，為保證最少開(kāi)關(guān)次數(shù)，按照U6-U4-U0-U4-U6的順序組合基本矢量，SC保持為關(guān)斷狀態(tài)。對(duì)于扇區(qū)Ⅱ，按照U2-U6-U7-U6-U2的順序組合基本矢量，SB保持為導(dǎo)通狀態(tài)。可見(jiàn)無(wú)論在扇區(qū)內(nèi)工作還是扇區(qū)間切換，都保證每次只有一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并且是對(duì)稱發(fā)波，這樣能夠減少逆變器輸出紋波。其他扇區(qū)可按此方式發(fā)波。

6 個(gè)扇區(qū)內(nèi)3 個(gè)橋臂的矢量切換時(shí)間如表1 所示：

表1 矢量切換時(shí)間

3 仿真分析

以某型號(hào)動(dòng)車組的輔助變流器為參考，在MATLAB/Simulink 軟件中進(jìn)行建模仿真，使用阻感負(fù)載來(lái)模擬風(fēng)機(jī)、水泵，為方便對(duì)比分析，對(duì)DPWM 調(diào)制和傳統(tǒng)7 段式SVPWM調(diào)制均進(jìn)行仿真。

3.1 逆變器輸出電壓分析

下頁(yè)圖5 為采用兩種調(diào)制方式的逆變器輸出電壓對(duì)比，可見(jiàn)這兩種方式的輸出線電壓約為380 Vrms，而且波形較為平滑，無(wú)嚴(yán)重畸變。

3.2 諧波分析

下頁(yè)圖6 為輸出電壓波形的FFT 分析，可見(jiàn)由于每個(gè)扇區(qū)內(nèi)DPWM僅有1 個(gè)零矢量參與合成，使得某一相開(kāi)關(guān)管保持與直流母線相連，產(chǎn)生了較為豐富的諧波，與SVPWM 相比諧波含量較大，但總諧波失真為1.57%，而設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電壓THD≤5%，因此，能夠滿足要求。

3.3 功耗對(duì)比

圖7-1 為A 相上橋臂開(kāi)關(guān)管的功耗波形，其中虛線采用DPWM 調(diào)制，實(shí)線采用SVPWM 調(diào)制。圖7-2 為兩種功耗的差值，以DPWM 為基值進(jìn)行比較，由于DPWM調(diào)制減少了開(kāi)關(guān)動(dòng)作，功耗明顯減小。

4 結(jié)語(yǔ)

為降低輔助變流器的功耗，本文在傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制的基礎(chǔ)上，通過(guò)重新分配每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的零矢量，組成5 段式DPWM調(diào)制。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，采用DPWM調(diào)制的逆變器輸出電壓波形好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)降低了開(kāi)關(guān)管的損耗，適用于對(duì)散熱較為敏感的場(chǎng)合。