一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法.pdf

本发明公开了一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，包含以下顺序的步骤：确定空间电压矢量指令值V*在复平面上的扇区；计算空间电压矢量指令值V*在第I扇区时基本矢量的作用时间；计算空间电压矢量指令值V*在第II扇区、第III扇区、第IV扇区、第V扇区、第VI扇区时基本矢量作用时间。本发明的计算方法，统一了各个扇区基本矢量作用时间的计算公式，简化了计算过程。

权利要求书1.  一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：S1.确定空间电压矢量指令值V*在复平面上的扇区；S2.计算空间电压矢量指令值V*在第I扇区时基本矢量的作用时间；S3.计算空间电压矢量指令值V*在第II扇区、第III扇区、第IV扇区、第V扇区、第VI扇区时基本矢量作用时间。2.  根据权利要求1所述的空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：定义复平面上逆时针顺序大于等于0弧度小于π/3弧度扇区为第I扇区，大于等于π/3弧度小于2π/3弧度扇区为第II扇区，大于等于2π/3弧度小于π弧度扇区为第III扇区，大于等于π弧度小于4π/3弧度扇区为第IV扇区，大于等于4π/3小于5π/3扇区为第V扇区，大于等于5π/3弧度小于2π扇区定义为第VI扇区，根据空间电压矢量指令值V*＝Ur(cos(ωt)+jsin(ωt))中的ωt的数值确定空间电压矢量指令值V*在复平面上所处的扇区，当ωt≥2π时，令ωt的数值减去2π弧度，Ur是一个电压常数，j是复数单位，ω是电网电压角频率，单位为弧度每秒，t为时间，单位为秒。3.  根据权利要求1所述的空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，步骤S2或S3中，所述基本矢量涉及PWM整流器拓扑，PWM整流器的拓扑为：第一开关管V1和第一二极管VD1反并联，第二开关管V2和第二二极管VD2反并联，第三开关管V3和第三二极管VD3反并联，第四开关管V4和第四二极管VD4反并联，第五开关管V5和第五二极管VD5反并联，第六开关管V6和第六二极管VD6反并联，反并联的两个元件平行但是导通方向相反，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第五二极管VD5的阴极并联在一起，第二二极管VD2、第四二极管VD4、第六二极管VD6的阳极并联在一起，第一二极管VD1的阳极和第四二极管VD4的阴极在节点A相连，第三二极管VD3的阳极和第六二极管VD6在节点B相连，第五二极管VD5的阳极和第二二极管VD2的阴极在节点C相连，电网的三相电压ea、eb、ec分别串联一个等值的电感L连接到PWM整流器的三 相桥臂中点A、B、C，直流电容Cd连结在第五二极管VD5的阴极和第二二极管VD2的阳极之间，直流电容Cd的电压为vdc，与第五二极管VD5的阴极相连的一端为正，与第二二极管VD2的阳极相连的一端为负，负载电阻RL和直流电容Cd并联。4.  根据权利要求3所述的空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，所述的第一开关管V1导通时记为1开关状态，第一开关管V1关断时记为0开关状态，第三开关管V3导通时记为1开关状态，第一开关管V3关断时记为0开关状态，第五开关管V5导通时记为1开关状态，第五开关管V5关断时记为0开关状态，用三个有顺序的数字表示某一时刻PWM整流器的开关状态，则开关状态000作用时按照矢量合成公式合成的矢量为V0、开关状态111作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V7，矢量V0和矢量V7重合于同一个基本矢量0，开关状态001作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V1，矢量V1与基本矢量重合，开关状态010作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V2，矢量V2与基本矢量重合，开关状态011作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V3，矢量V3与基本矢量重合，开关状态100作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V4，矢量V4与基本矢量重合，开关状态101作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V5，矢量V5与基本矢量重合，开关状态110作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V6，矢量V6与基本矢量重合。5.  根据权利要求3所述的空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，所述的开关管为控制开通或控制关断的电力电子器件，具体为MOSFET或IGBT。6.  根据权利要求1所述的空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，步骤S2或S3中，所述基本矢量是指由PWM整流器三相桥臂中点A、B、C点电压Va、Vb、Vc按照矢量合成公式 确定的7个不同的基本矢量0、vdc为直流电容Cd上的电压，PWM整流器每个桥臂的一对开关管同一时刻只有一个导通。7.  根据权利要求1所述的空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，所述的步骤S2具体为：当空间电压矢量指令值V*位于第I扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，满足的关系为Ts为采样周期，t4为基本矢量作用的时间，t6为基本矢量作用的时间，vdc为直流电容Cd上的电压，Ur是一个电压常数；则计算出的结果为t4=3Urvdcsin(ωt+2π/3),t6=3Urvdcsin(ωt).]]>8.  根据权利要求1所述的空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，其特征在于，所述的步骤S3具体为：当空间电压矢量指令值V*位于第II扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>两边同时乘以e-jπ/3并且将t4和t6换成对应的t6和t2，得出基本矢量的作用时间t6=3Urvdcsin(ωt+2π/3-π/3),]]>基本矢量的作用时间t2=3Urvdcsin(ωt-π/3);]]>当空间电压矢量指令值V*位于第III扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>两边同时乘以e-j2π/3并且将t4和t6换成对应的t2和t3，得出基本矢量作用的时间t2=3Urvdcsin(ωt+2π/3-2π/3),]]>基本矢量作用的时间t3=3Urvdcsin(ωt-2π/3);]]>当空间电压矢量指令值V*位于第IV扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>两边同时乘以e-jπ并且将t4和t6换成对应的t3和t1，得出基本矢量作用的时间t3=3Urvdcsin(ωt+2π/3-π),]]>基本矢量作用的时间t1=3Urvdcsin(ωt-π);]]>当空间电压矢量指令值V*位于第V扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>两边同时乘以e-j4π/3并且将t4和t6换成对应的t1和t5，得出基本矢量作用的时间t1=3Urvdcsin(ωt+2π/3-4π/3),]]>基本矢量作用的时间t5=3Urvdcsin(ωt-4π/3);]]>当空间电压矢量指令值V*位于第VI扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>两边同时乘以e-j5π/3并且将t4和t6换成对应的t5和t4，得出基本矢量作用的时间t5=3Urvdcsin(ωt+2π/3-5π/3),]]>基本矢量作用的时间t4=3Urvdcsin(ωt-5π/3);]]>其中vdc为直流电容Cd上的电压，Ur是一个电压常数。

说明书一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法
技术领域
本发明涉及PWM变流器领域，特别涉及一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法。
背景技术
空间矢量脉冲宽度调制技术在PWM整流器中有着广泛的应用。空间矢量脉冲宽度调制技术根据给定的空间电压矢量指令值判断空间电压矢量指令值所处的扇区，在不同的扇区分别计算基本矢量的作用时间，由于每个扇区的基本矢量不同，每个扇区的等式有很大的不同，计算量大。
现有技术中，基本矢量作用时间计算方法存在如下缺点：六个扇区中，每个扇区都需要解出一个由实数轴方程和虚数轴方程组成的方程组才能得到基本矢量的作用时间，计算量大，计算复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，包含以下顺序的步骤：
S1.确定空间电压矢量指令值V*在复平面上的扇区；
S2.计算空间电压矢量指令值V*在第I扇区时基本矢量的作用时间；
S3.计算空间电压矢量指令值V*在第II扇区、第III扇区、第IV扇区、第V扇区、第VI扇区时基本矢量作用时间。
所述的步骤S1具体为：定义复平面上逆时针顺序大于等于0弧度小于π/3弧 度扇区为第I扇区，大于等于π/3弧度小于2π/3弧度扇区为第II扇区，大于等于2π/3弧度小于π弧度扇区为第III扇区，大于等于π弧度小于4π/3弧度扇区为第IV扇区，大于等于4π/3小于5π/3扇区为第V扇区，大于等于5π/3弧度小于2π扇区定义为第VI扇区，根据空间电压矢量指令值V*＝Ur(cos(ωt)+jsin(ωt))中的ωt的数值确定空间电压矢量指令值V*在复平面上所处的扇区，当ωt≥2π时，令ωt的数值减去2π弧度，Ur是一个电压常数，j是复数单位，ω是电网电压角频率，单位为弧度每秒，t为时间，单位为秒。
步骤S2或S3中，所述基本矢量涉及PWM整流器拓扑，PWM整流器的拓扑为：第一开关管V1和第一二极管VD1反并联，第二开关管V2和第二二极管VD2反并联，第三开关管V3和第三二极管VD3反并联，第四开关管V4和第四二极管VD4反并联，第五开关管V5和第五二极管VD5反并联，第六开关管V6和第六二极管VD6反并联，反并联的两个元件平行但是导通方向相反，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第五二极管VD5的阴极并联在一起，第二二极管VD2、第四二极管VD4、第六二极管VD6的阳极并联在一起，第一二极管VD1的阳极和第四二极管VD4的阴极在节点A相连，第三二极管VD3的阳极和第六二极管VD6在节点B相连，第五二极管VD5的阳极和第二二极管VD2的阴极在节点C相连，电网的三相电压ea、eb、ec分别串联一个等值的电感L连接到PWM整流器的三相桥臂中点A、B、C，直流电容Cd连结在第五二极管VD5的阴极和第二二极管VD2的阳极之间，直流电容Cd的电压为vdc，与第五二极管VD5的阴极相连的一端为正，与第二二极管VD2的阳极相连的一端为负，负载电阻RL和直流电容Cd并联。
所述的第一开关管V1导通时记为1开关状态，第一开关管V1关断时记为0开关状态，第三开关管V3导通时记为1开关状态，第一开关管V3关断时记为0开关状态，第五开关管V5导通时记为1开关状态，第五开关管V5关断时记为0 开关状态，用三个有顺序的数字表示某一时刻PWM整流器的开关状态，则开关状态000作用时按照矢量合成公式合成的矢量为V0、开关状态111作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V7，矢量V0和矢量V7重合于同一个基本矢量0，开关状态001作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V1，矢量V1与基本矢量重合，开关状态010作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V2，矢量V2与基本矢量重合，开关状态011作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V3，矢量V3与基本矢量重合，开关状态100作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V4，矢量V4与基本矢量重合，开关状态101作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V5，矢量V5与基本矢量重合，开关状态110作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V6，矢量V6与基本矢量重合。
所述的开关管为控制开通或控制关断的电力电子器件，具体为MOSFET或IGBT，0代表零电位。
步骤S2或S3中，所述基本矢量是指由PWM整流器三相桥臂中点A、B、C点电压Va、Vb、Vc按照矢量合成公式确定的7个不同的基本矢量0、vdc为直流电容Cd上的电压，PWM整流器每个桥臂的一对开关管同一时刻只有一个导通。
所述的步骤S2具体为：当空间电压矢量指令值V*位于第I扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，满足的关系为V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6,]]>Ts为采样周期，t4为基本矢量作用的时间，t6为基本矢量作用的时间，vdc为直流电容Cd上的电压，Ur是一个电压常数；则计算出的结果为
t4=2Urvdcsin(ωt+2π/3),t6=3Urvdcsin(ωt).]]>
所述的步骤S3具体为：
当空间电压矢量指令值V*位于第II扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-jπ/3并且将t4和t6换成对应的t6和t2，得出基本矢量的作用时间t6=3Urvdcsin(ωt+2π/3-π/3),]]>基本矢量的作用时间t2=3Urvdcsin(ωt-π/3);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第III扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-j2π/3并且将t4和t6换成对应的t2和t3，得出基本矢量作用的时间t2=3Urvdcsin(ωt+2π/3-2π/3),]]>基本矢量作用的时间t3=3Urvdcsin(ωt-2π/3);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第IV扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-jπ并且将t4和t6换成对应的t3和t1，得出基本矢量作用的时间t3=3Urvdcsin(ωt+2π/3-π),]]>基本矢量作用的时间t1=3Urvdcsin(ωt-π);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第V扇区时，采用基本矢量和基本 矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-j4π/3并且将t4和t6换成对应的t1和t5，得出基本矢量作用的时间t1=3Urvdcsin(ωt+2π/3-4π/3),]]>基本矢量作用的时间t5=3Urvdcsin(ωt-4π/3);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第VI扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-j5π/3并且将t4和t6换成对应的t5和t4，得出基本矢量作用的时间t5=3Urvdcsin(ωt+2π/3-5π/3),]]>基本矢量作用的时间t4=3Urvdcsin(ωt-5π/3);]]>
其中vdc为直流电容Cd上的电压，Ur是一个电压常数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明只需要根据第I扇区内实数轴方程和虚数轴方程组成的方程组计算出第I扇区内基本矢量作用的时间，然后通过角度变换直接得到其余五个扇区内基本矢量作用的时间，避免了在每个扇区内都要解方程组，使得计算得以简化。
附图说明
图1为PWM整流器电路拓扑；
图2为基本矢量在复平面上的分布图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1是PWM整流器电路拓扑图，第一开关管V1和第一二极管VD1反并联，第二开关管V2和第二二极管VD2反并联，第三开关管V3和第三二极管VD3反并联，第四开关管V4和第四二极管VD4反并联，第五开关管V5和第五二极管VD5反并联，第六开关管V6和第六二极管VD6反并联，反并联的两个元件平行但是导通方向相反，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第五二极管VD5的阴极并联在一起，第二二极管VD2、第四二极管VD4、第六二极管VD6的阳极并联在一起，第一二极管VD1的阳极和第四二极管VD4的阴极在节点A相连，第三二极管VD3的阳极和第六二极管VD6在节点B相连，第五二极管VD5的阳极和第二二极管VD2的阴极在节点C相连，电网的三相电压ea、eb、ec分别串联一个等值的电感L连接到PWM整流器的三相桥臂中点A、B、C，直流电容Cd连结在第五二极管VD5的阴极和第二二极管VD2的阳极之间，直流电容Cd的电压为vdc，与第五二极管VD5的阴极相连的一端为正，与第二二极管VD2的阳极相连的一端为负，负载电阻RL和直流电容Cd并联，开关管指的是可以控制开通也可以控制关断的电力电子器件，包括MOSFET、IGBT等，0代表零电位。
图2是基本矢量在复平面上的分布图，PWM整流器三相桥臂中点A、B、C点电压Va、Vb、Vc按照矢量合成公式确定的7个不同的基本矢量0、vdc为直流电容Cd上的电压，PWM整流器每个桥臂的一对开关管同一时刻只有一个可以导通，本发明中规定第一开关管V1导通时记为1开关状态，第一开关管V1关断时记为0开关状态，第三开关管V3导通时记为1开关状态，第一开关管V3关断时记为0开关状态，第五开关管V5导通时记为1开关状态，第五开关管V5关断时记为0开关状态，用三个有顺序的数字表示某一时刻PWM整流器的开关状 态，则开关状态000作用时按照矢量合成公式合成的矢量为V0、开关状态111作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V7，矢量V0和矢量V7重合于同一个基本矢量0，开关状态001作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V1，矢量V1与基本矢量重合，开关状态010作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V2，矢量V2与基本矢量重合，开关状态011作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V3，矢量V3与基本矢量重合，开关状态100作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V4，矢量V4与基本矢量重合，开关状态101作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V5，矢量V5与基本矢量重合，开关状态110作用时按照矢量合成公式合成的的矢量为V6，矢量V6与基本矢量重合，Re代表实轴，Im代表虚轴。
一种空间矢量脉冲宽度调制中基本矢量作用时间计算方法，包含以下顺序的步骤：
第一步，确定空间电压矢量指令值V*在复平面上的扇区：复平面上逆时针顺序大于等于0弧度小于π/3弧度扇区为第I扇区，大于等于π/3弧度小于2π/3弧度扇区为第II扇区，大于等于2π/3弧度小于π弧度扇区为第III扇区，大于等于π弧度小于4π/3弧度扇区为第IV扇区，大于等于4π/3小于5π/3扇区为第V扇区，大于等于5π/3弧度小于2π扇区定义为第VI扇区，根据空间电压矢量指令值V*＝Ur(cos(ωt)+jsin(ωt))中的ωt的数值确定空间电压矢量指令值V*在复平面上所处的扇区，当ωt≥2π时，令ωt的数值减去2π弧度，Ur是一个电压常数，j是复数单位，ω是电网电压角频率，单位为弧度每秒，t为时间，单位为秒；
第二步，计算空间电压矢量指令值V*在第I扇区时基本矢量的作用时间：当空间电压矢量指令值V*位于第I扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，满足的关系为V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6,]]>Ts为采样周期，t4为基本矢量作用的时间，t6为基本矢量作用的时间；计算出的结果为t4=3Urvdcsin(ωt+2π/3),t6=3Urvdcsin(ωt);]]>
第三步，计算空间电压矢量指令值V*在第II扇区、第III扇区、第IV扇区、第V扇区、第VI扇区时基本矢量作用时间：
当空间电压矢量指令值V*位于第II扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-jπ/3并且将t4和t6换成对应的t6和t2，得出基本矢量的作用时间t6=3Urvdcsin(ωt+2π/3-π/3),]]>基本矢量的作用时间t2=3Urvdcsin(ωt-π/3);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第III扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-j2π/3并且将t4和t6换成对应的t2和t3，得出基本矢量作用的时间t2=3Urvdcsin(ωt+2π/3-2π/3),]]>基本矢量作用的时间t3=3Urvdcsin(ωt-2π/3);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第IV扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-jπ并且将t4和t6换成对应的t3和t1，得出基本矢量作用的时间t3=3Urvdcsin(ωt+2π/3-π),]]>基本矢量作用的时间t1=3Urvdcsin(ωt-π);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第V扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-j4π/3并且将t4和t6换成对应的t1和t5，得出基本矢量作用的时间t1=3Urvdcsin(ωt+2π/3-4π/3),]]>基本矢量作用的时间t5=3Urvdcsin(ωt-4π/3);]]>
当空间电压矢量指令值V*位于第VI扇区时，采用基本矢量和基本矢量等效合成空间电压矢量指令值V*，通过在等式
V*Ts=Urejωt=23vdcej0×t4+23vdcejπ/3×t6]]>
两边同时乘以e-j5π/3并且将t4和t6换成对应的t5和t4，得出基本矢量作用的时间t5=3Urvdcsin(ωt+2π/3-5π/3),]]>基本矢量作用的时间t4=3Urvdcsin(ωt-5π/3).]]>
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。