丁菊霞，蔣奎

（1.西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系，四川峨眉山 614202；2.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016）

CRH3動車組牽引逆變器3種調制策略研究與仿真

丁菊霞1，蔣奎2

（1.西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系，四川峨眉山 614202；2.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016）

為了研究CRH3動車組牽引逆變器所適合的調制策略，分別分析了正弦脈寬調制（SPWM）、電流滯環(huán)PWM（CHBPWM）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）這3種調制方法的基本原理，證明了SVPWM調制直流電壓利用率最高，并通過Matlab/Simulink對分別采用3種調制策略的電機逆變器控制系統(tǒng)進行對比仿真分析。仿真結果表明，采用SVPWM調制時的定子相電流畸變率和電磁轉矩脈動均很小，是適合CRH3動車組牽引逆變器采用的一種調制策略。

CRH3動車組；正弦脈寬調制；電流滯環(huán)脈寬調制；空間矢量脈寬調制；仿真

CRH3型動車組是由我國唐山軌道客車有限公司和西門子公司合作生產的高速動車組，其運營速度達350 km/h。CRH3型動車組采用電壓型兩電平三相逆變器［1-2］，并采用矢量控制策略［2］對電機進行控制，而逆變器有多種調制方式，如SP-WM 調制［3］、CHBPWM 調制［4］、SVPWM 調制［4］、SHEPWM［3］、最小紋波電流PWM［5］等。

本文針對CRH3動車組牽引逆變器，分別對SPWM調制、CHBPWM調制及SVPWM調制的原理進行了對比分析，并把3種調制方法分別應用于電機矢量控制系統(tǒng)中，通過Matlab/Simulink軟件對其進行計算機模擬仿真，對3種調制策略的定子相電流、電機輸出電磁轉矩波形進行了比較分析。

1 SPWM調制

CRH3動車組牽引逆變器采用電壓型二電平三相逆變器，牽引逆變器拓撲如圖1所示。

當逆變器采用SPWM雙極性調制時，a，b，c三相共用一個三角載波uc，而調制信號ura，urb，urc依次相差120°。三相按相電壓分別進行調制，輸出相電壓PWM波形，如圖2所示。

圖1 牽引逆變器拓撲結構Fig.1 Traction inverter topology structure

圖2 SPWM調制電壓波形Fig.2 SPWM modulation voltage waveforms

把逆變器輸出相電壓、線電壓通過傅里葉級數展開，可得相電壓、線電壓基波幅值

動車組牽引逆變器采用SPWM調制時，通常低頻段采用異步調制方式，以改善系統(tǒng)的低頻性能、減少負載轉矩脈動和噪聲；高頻段采用分段同步調制，不同頻段取不同N值，使輸出波形對稱。

2 CHBPWM調制

CHBPWM調制屬于電流控制型調制方式，即反饋逆變器的輸出電流，與電流給定值經滯環(huán)電流比較器比較后，得到相應橋臂開關器件的開關狀態(tài)，使實際電流跟蹤給定電流變化。以其中一項為例，CHBPWM調制原理［1］如圖3所示。

圖3 滯環(huán)電流PWM調制原理Fig.3 The principle of CHBPWM

圖3中，HBC為滯環(huán)電流比較器，環(huán)寬為2Δi。將給定電流i*與輸出實際電流i進行比較，若i＜i*-Δi，HBC輸出高電平，驅動上橋臂功率開關器件T1導通，變流器輸出正電壓，使i增大，當i增長到超出環(huán)寬時，即i＞i*+Δi時，使HBC翻轉，輸出低電平，關斷T1，并經延時后驅動T2，電流i逐漸減小，直到到達滯環(huán)偏差的下限值i*-Δi，使HBC再翻轉，又重復使T1導通。這樣，T1與T2交替工作，使輸出電流i保持在給定值之間的偏差范圍內，呈鋸齒狀跟蹤給定正弦電流，因此，逆變器實質上成為了一個帶有一定峰-峰值紋波的電流源。從圖4中可以看到，輸出電流十分接近正弦波。

圖4 滯環(huán)電流PWM調制電流波形Fig.4 CHBPWM modulation current waveforms

CHBPWM調制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，可降低開關頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關頻率增大了。通常希望能夠設置一個綜合考慮諧波成分以及逆變器開關損耗的最優(yōu)帶寬。

CHBPWM調制方法最大的優(yōu)點是電路簡單，且動態(tài)性能好、輸出電壓不含特定頻率的諧波分量，可直接限制器件的峰值電流。缺點是PWM開關頻率不固定，從而造成嚴重的噪音，和其他方法相比，同一開關頻率下輸出電流中所含諧波較多。

3 SVPWM調制

3.1 SVPWM調制原理

牽引逆變器拓撲結構如圖1所示。定義上橋臂為“1”狀態(tài)，下橋臂為“0”狀態(tài)，則逆變電路共有8種開關組合模式。8種開關模式下的空間電壓矢量圖如圖 5所示［1］。

圖5 空間電壓矢量圖Fig.5 Space voltage vector diagram

當定子相電壓ua，ub，uc為三相對稱正弦電壓時，可以推導出us是一個以電源頻率ω為角速度作恒速旋轉的空間矢量［1］。

3.2 SVPWM調制算法

通過8種電壓矢量的不同組合，使定子磁鏈軌跡逼近圓形或正多邊形，以第I扇區(qū)為例，圖6為由基本電壓空間矢量u1，u2合成期望輸出電壓矢量us。

圖6 電壓空間矢量線性組合Fig.6 Voltage space vector linear combination

由伏秒平衡原理解得t1，t2［1］。隨著參考電壓空間矢量us模的增加，t1，t2也線性增大，t0逐漸變小，但要使合成電壓矢量在線性區(qū)內就必須滿足

由式（2）和式（3）可得即SVPWM方式比SPWM方式的直流電壓利用率最多可提高15.47%。

4 3種調制方法仿真比較

4.1 CRH3動車組電機逆變器控制系統(tǒng)

無論是采用SPWM，CHBPWM還是SVPWM調制，其目標均是產生變壓變頻的三相交流電，以驅動牽引電機，并保證牽引電機具有良好的靜、動態(tài)性能。CRH3動車組電機逆變器控制系統(tǒng)框圖如圖7所示，其中的恒速控制器采用雙滯環(huán)恒速控制器［6］，電機控制采用間接磁場定向矢量控制策略［2］。需要說明的是，圖7所示的控制框圖是以SVPWM調制為例的，當采用SPWM，CHBPWM調制時，產生觸發(fā)脈沖模塊部分有所不同。

為便于比較分析，控制系統(tǒng)參數統(tǒng)一設為CRH3動車組實際參數：逆變器輸入直流電壓3 200 V，牽引電機額定功率562 kW，額定線電壓2 700 V，額定頻率 138 Hz，極對數 2，定子電阻0.15Ω，轉子電阻0.16Ω，定子漏感1.42 mH，轉子漏感0.6 mH，互感25.4 mH，轉動慣量1.5 kg·m2。通過Matlab/Simulink分別建立基于上述3種調制策略的電機逆變器控制系統(tǒng)仿真模型。

圖7 CRH3動車組電機逆變器控制框圖Fig.7 CRH3 EMU motor inverter control block diagram

4.2 牽引逆變器3種調制方法仿真比較分析

為了比較3種調制策略應用于矢量控制系統(tǒng)中的優(yōu)劣，在t=0～0.7 s時，動車組速度給定v*=250 km/h，t=0.7～1.5 s時，速度給定為v*=30km/h；負載轉矩由實際運行速度決定［2］。本文針對3種調制策略應用于牽引逆變器，主要對定子相電流、牽引電機輸出電磁轉矩的仿真結果進行對比分析。4.2.1 牽引電機定子相電流

采用3種調制策略時電機定子a相電流波形如圖8所示。

圖8 定子a相電流仿真波形Fig.8 Simultion waveforms stator current of a phase

從圖8可以看出，當牽引逆變器采用SPWM調制方式時，定子相電流正弦度較低，存在較高的諧波含量，從而產生的定子磁鏈軌跡偏離圓形；當采用CHBPWM調制方式時，定子相電流波形正弦度相對于SPWM調制方式有較大的提高，諧波更少，說明定子相電流跟蹤給定電流性能較好；當牽引逆變器采用SVPWM調制策略時，定子相電流較SPWM，CHBPWM調制方式正弦度是最高的，諧波含量很少，從而使產生的定子磁鏈軌跡非常接近于圓形。

4.2.2 牽引電機輸出電磁轉矩

牽引電機輸出電磁轉矩仿真波形如圖9～圖11所示。從圖9～圖11可知，在t=0 s時，給定速度為250 km/h，列車運行于牽引工況，電機按牽引特性輸出電磁轉矩，在0.3 s左右時，電機輸出電磁轉矩達到穩(wěn)態(tài)與負載轉矩相等，進入恒速運行；同樣由于在t=0.7 s時給定速度降為30 km/h，列車開始制動，電機按制動特性曲線輸出電磁轉矩，在1 s左右時進入恒速運行。

圖9 SPWM調制下電機輸出電磁轉矩Fig.9 Electromagnetic torque in SPWM modulation

圖10CHBPWM調制電磁轉矩Fig.10 Electromagnetic torque in CHBPWM modulation

圖11 SVPWM調制電機電磁轉矩Fig.11 Electromagnetic torque in SVPWM modulation

通過比較分析可知，采用SPWM調制策略時，牽引電機輸出電磁轉矩脈動峰峰值約200 N·m；采用CHBPWM調制時，電機輸出電磁轉矩脈動峰峰值約60 N·m；采用SVPWM調制時，電機輸出電磁轉矩脈動峰峰值僅為10 N·m。由此可知，SVPWM調制時牽引電機輸出電磁轉矩脈動較其他兩種調制策略小得多，從而電機運行更平穩(wěn)，噪音更小。對于頻繁啟停、加減速，并且要求運行平穩(wěn)的高速動車組，SVPWM是一種較佳的調制策略，而且如果將SVPWM調制策略與矢量控制等高動態(tài)性能的控制技術相結合，將會得到很好的控制性能。

5 結論

本文闡述了CRH3動車組牽引逆變器SPWM，CHBPWM，SVPWM 3種調制方法的原理，對3種調制策略在電機逆變器矢量控制系統(tǒng)中的應用，通過Matlab/Simulink軟件進行了仿真對比分析。仿真結果表明，CHBPWM和SVPWM兩種調制策略比SPWM調制策略更優(yōu)，但采用CHBPWM調制時，定子電流的跟蹤精度與滯環(huán)環(huán)寬有關，因此，綜合比較，CRH3動車組牽引逆變器更適合采用SVPWM調制策略。

［1］ 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 馮曉云，王利軍，葛興來，等.高速動車組牽引傳動控制系統(tǒng)的研究與仿真［J］.電氣傳動，2008，38（11）：25-28.

［3］ 陳國呈.PWM逆變技術及應用［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］ 曾允文.變頻調速SVPWM技術的原理、算法與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［5］ 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)［M］.第4版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［6］ 李官軍，馮曉云，王利軍，等.高速動車組恒速控制策略的研究與仿真［J］.機車電傳動，2007（5）：12-14.

［7］ 徐德鴻，馬皓，汪槱生.電力電子技術［M］.北京：科學出版社，2010.

［8］ Bimal K Bose.現代電力電子學與交流傳動［M］.王聰，趙金，于慶廣，等，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

修改稿日期：2014-01-07

Research and Simulation on Three Modulation Strategies of Traction Inverter in CRH3 EMU

DING Ju-xia1，JIANG Kui2
（1.Department of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University Emei Campus，Emeishan614202，Sichuan，China；2.Institute of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，Jiangsu，China）

Aiming at studying the modulation strategy suitable for traction inverter of CRH3 motor train unit，the basic principle of SPWM，current hysteresis PWM and SVPWM modulation methods were analyzed respectively，and it is proved that the DC voltage utilization rate of SVPWM modulation is the highest，simulation analysis is also made by Matlab/Simulink.Simulation results show that the distortion rate of stator phase current and the ripple of electromagnetic torque are both small when using SVPWM，so SVPWM modulation strategy is suitable for traction inverter of CRH3 EMU.

CRH3 motor train unit；sinusoidal pulse width modulation（SPWM）；current hysteresis band pulse width modulation（CHBPWM）；space vector pulse width modulation（SVPWM）；simulation

TM464

A

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（2682013CX007EM）

丁菊霞（1977-），女，博士研究生，副教授，Email：northdingding@163.com

2013-07-09