用于逆变器死区补偿的空间矢量脉宽调制策略

CN11-2223/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2008,Vol.48,No.7w3

http://qhxbw.chinajournal.net.cn

用于逆变器死区补偿的空间矢量脉宽调制策略

程小猛,　陆海峰,　瞿文龙,　张　星,　樊　扬,　伍理勋,　蒋时军

2.中国南车集团株洲电力机车研究所,株洲412001)

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(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室,北京100084;

摘　要:为了解决零电流附近死区补偿失误的问题,提出一种空间矢量脉宽调制策略。在对传统死区补偿方法进行分析的基础上,采用两相调制方法,根据负载功率因数角所处的范围选取各扇区内的零矢量类型。该策略使电流过零相桥臂不换流,避免对该相的死区补偿,从而无需检测电流极性。实验结果表明:该策略可以有效地解决零电流附近的死区补偿问题,并可以将开关次数减小到三相调制方法的66.7%,从而降低开关损耗。它易于实现,应用场合广泛。关键词:异步电机;脉宽调制;死区效应;开关损耗中图分类号:TM343

文章编号:1000-00(2008)07-1077-04

文献标识码:A

目前,基于脉宽调制(pulse-widthmodulation,

PWM)技术的电压源型逆变器(voltagesourceinverter,VSI)在交流传动中得到了广泛的应用,但同时也带来了一些不良影响,如死区效应、开关损耗,以及电机轴承的损坏等。

为了防止同一桥臂的2个开关管直通,必须在开关动作期间插入死区时间,这势必导致输出电压的误差。该误差是谐波的重要来源,它不但增加了系统的损耗,甚至还可能造成系统失稳。随着电力电子变换器向高频化发展,死区效应的影响越来越明显。文献中已经提出过多种死区补偿方法,这些方法一般都需要负载电流方向信息。然而,由于零电流箝位现象

[6]

[1,4-5]

[1]

[2]

[3]

[1]

SVPWMstrategyforinverterdead-time

compensation

CHENGXig1,LUHaifeng1,QUWenlong1,ZHANGXing1,

FANYang,WULixun,JIANGShijun

1

2

2

存在,又由于电流检测装置本身的

零点飘移,电流在过零点附近的方向难以准确检测,

[5]

错误的检测结果会导致错误的补偿电压。

文[6]利用零矢量的方法减小电流在零点附近的开关次数。这种方法不但难以实现,而且在一定程度上增大了电机的转矩脉动。文[5]采用预测电流过零点的方法进行补偿,实现较为简单,但对电机参数十分敏感。

为了解决传统死区补偿方法在零电流附近失误的问题,本文提出一种空间矢量PWM(spacevectorPWM,SVPWM)策略。

(1.StateKeyLaboratoryofControlandSimulationofPowerSystemsandGenerationEquipment,DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;

2.ZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstitute,

Zhuzhou412001,China)

Abstract:strategy

Aspacevectorpulse-widthmodulation(SVPWM)was

developed

to

avoid

thefailureof

dead-time

compensationnearthezero-currentpoint.Atwo-phasemodulationmethodisused,withthenullswitchingstateineachsectorselectedaccordingtothepowerfactorangle.Asaresult,whenthecurrentispassingzero,thecorrespondingphasedoesnotcommuteanddead-timecompensationisavoided;thus,thesystemdoesnothavetodetectthecurrentdirection.Testresultsshowthatthestrategyeffectivelycompensatesfordead-timeeffects,

evennearthe

zero-currentpoint.Furthermore,switchingactionsarereducedto66.7%ofthethree-phasemodulationmethods,whichleadstolowerswitchinglosses.Themethodiseasytoimplementandcanbewidelyapplied.

Keywords:inductionmachine;pulse-widthmodulation;dead-time

effect;switchingloss1　传统方法及其存在的问题

理想情况下,PWM技术要求同一桥臂的上下管互补导通。然而,若开通速度比关断速度快,将会造成桥臂直通而损坏器件,因此,必须插入死区。死区时间的插入是通过对开通信号延迟Td时间来实

收稿日期:2007-06-20

基金项目:国家“八六三”高技术项目(2005AA501130)作者简介:程小猛(1984—),男(汉),山东,博士研究生。通讯联系人:瞿文龙,教授,E-mail:qwl@mail.tsinghua.edu.cn1078

清华大学学报(自然科学版)2008,48(7)

现的。以A相桥臂为例,由于电机是感性负载,iA方向不同时,续流路径和输出电压都不一样。如果输出电压与目标电压不同,将导致输出电压的误差,该误

[1]

差与相电流的方向有关,它的积累效应足以使定子电压波形畸变,并在开关频率较高、输出频率较低时,畸变会更加严重。

另外,死区导致的零电流箝位现象会使电流在过零点附近加重畸变。如果死区开始时相电流接近零,那么在随后的死区时间内,反并联二极管续流。当电流下降到零后,不能反向,在剩余的死区时间内将保持为零。通常,它对系统的影响并不严重。但在轻载和低频情况下,电流的幅值较小且开关序列的变化缓慢,这意味着在多个连续的开关周期内,电流总是小得足以重现零电流箝位现象。这样,电流就长期处于过零点附近,从而产生了严重畸变。文献中已经提出很多方法对其进行补偿。但是,这些死区补偿方法均要求电流方向信息,在电流过零点附近并不能很好地工作。这是因为,零电流箝位现象使得电流过零缓慢,并且电流检测装置本身也存在零点飘移,电流方向信号难以准确检测,错误的电流方向信息反而恶化了死区补偿的效果。

　　从式(1)可见,当iA=0时,iS恰好位于虚轴上。由于30°≤󰀁≤90°,电压空间矢量uS必然位于扇区Ⅰ或扇区Ⅵ,即图1a和图1b所示的2种位置。

2　SVPWM策略

根据每个PWM周期内参与调制的相数不同,

SVPWM可以分为三相调制和两相调制等类型。在三相调制SVPWM中,每个PWM周期,都包含着(000)和(111)2个零矢量;而对于两相调制SVPWM,每个PWM周期的零矢量为(000)和(111)矢量中的一个,因此就存在着零矢量选择的自由度。本文试图利用这个自由度,解决零电流附近的死区补偿问题。假设定子电流矢量iS滞后于定子电压矢量uS的角度为󰀁。下面根据󰀁所处的范围进行讨论。

情况1　当30°≤󰀁≤90°时。

图1中的各个六边形表示了SVPWM的电压矢量输出范围,它被划分为6个扇区(扇区Ⅰ到Ⅵ)。下面以A相电流过零时刻为例进行分析。如果iA=0,则根据复矢量的定义,电流空间矢量为

iA2j2󰀂/3iS=3(1e02j2󰀂/3(1e3

e

j4󰀂/3

j4󰀂/3[2]

图1　情况1的空间矢量位置关系

采用两相调制SVPWM,当uS位于扇区Ⅵ时选择(000)作为零矢量,而在扇区Ⅰ时选择(111)作为

零矢量,则开关序列如图2所示,其中SA、SB、SC分别为三相的输出状态。从图2中可以看出,A相桥臂在这2个扇区中都没有换流。那么,当iA接近于零时,A相不存在死区,也就避免了电流方向检测。此时,B相与C相电流并不处于过零区域,它们的方向通常可以准确检测,从而传统的死区补偿方法能够有效地工作。因此,通过合理地选择两相调制SVPWM的零矢量,可以避免对电流过零相进行死区补偿,从而解决了该相电流方向信号检测不准确带来的问题。

图2还表明,在每个扇区中都有一相桥臂不换流,可以减少开关损耗。

e)iB=iC)iB=jiC1(iB-iC).(1)3图2　扇区Ⅵ和扇区Ⅰ的开关序列程小猛,等:　用于逆变器死区补偿的空间矢量脉宽调制策略

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对于B相和C相电流过零的情况,也可以进行类似的分析,最终选出各扇区零矢量列在表1中,称为方案1。

表1　不同扇区零矢量选择方案1零矢量(111)(000)

扇区序号Ⅰ,Ⅱ,ⅣⅢ,Ⅴ,Ⅵ

定义参数K为

K=4sign(u1)+2sign(u2)+sign(u3).(3)其中:

sign(x)=

1,0,

x≥0;x<0.

(4)

不难求得K与󰀁关系如下:

K=1,2,3,4,5,6,

-150°<󰀁<-90°;90°<󰀁<150°;-180°<󰀁≤-150°或150°≤󰀁≤180°;-30°<󰀁<30°;-90°≤󰀁≤-30°;30°≤󰀁≤90°.

(5)

　　情况2　当90°<󰀁<150°时。

类似于情况1进行分析,得出6个扇区的零矢量

列在表2中,称为方案2。可见,方案2中的各零矢量恰为方案1中各零矢量取反得到。

表2　不同扇区零矢量选择方案2零矢量(000)

(111)

扇区序号Ⅰ,Ⅱ,ⅣⅢ,Ⅴ,Ⅵ

　　从式(5)可见,由K的数值即可以确定󰀁所处的范围。本文提出的SVPWM策略的实现流程如图3所示。

　　情况3　当-90°≤󰀁<-30°时。

类似于情况1进行分析,得出6个扇区的零矢量列表,与方案2相同。

情况4　当-150°<󰀁<-90°时。

类似于情况1进行分析,得出6个扇区的零矢量列表,与方案1相同。

情况5　-30°<󰀁<30°,150°≤󰀁≤180°或-180°<󰀁≤-150°时。

在这种情况下通过分析可见,无论采用方案1还是方案2,都不能保证电流过零期间该相桥臂不换流。此时,直接采用传统的三相调制SVPWM。幸而,功率因数较大,在异步电机传动系统中,通常处于重载工况,如第1节所述,零电流箝位现象在这种工况下并不严重。

图3　SVPWM策略实现流程图

3　SVPWM策略的实现

实现该方案的关键在于判断当前󰀁所处范围,进而决定SVPWM方案。下面介绍1种计算量很小的判断方法。

假设ud、uq、id与iq分别为电压和电流空间矢量在直角坐标系下的分量,将其进行如下变换后得到一个3维向量。

1

u1u2=u31-21-2-03232udid+uqiquqid-udiq.(2)4　实验结果

在一台4kW恒压频比控制的异步电机驱动系统中进行了对比实验。电机的额定电流为8A,额定转速为1500r/min,直流母线电压为120V,死区时间为5 s,PWM周期为250 s。

轻载情况下(K=6)的一相定子电流和PWM信号的波形如图4所示。从图中可以看出,在电流过零期间,对应相桥臂的开关不动作,所以无需死区补偿。另外,由于每半个电周期有60°不换流,因此其开关次数减少为三相调制SVPWM的66.7%,开关损耗也降低了。

由第1节的分析可知,在低频轻载工况下,死区1080

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　　从图7可以看出,应用本文提出的方法后,电流波形非常理想,从而验证了本策略的有效性。

图8为采用PBDTC方法时的重载(K=4)实验结果。从图中波形可见,电流波形很接近正弦。这是因为,此时的电流幅值较大,零电流箝位现象并不严重,PBDTC本身死区补偿效果良好。

图4　轻载PWM信号和相电流波形

效应是最严重的,因此,在空载(K=6)时频率为1Hz的工况下做了对比实验,其结果如图5至图7所示。从图5a和图5b可以看出,当不进行死区补偿时,电流波形产生了严重的畸变,由于零电流箝位现象存在,过零点附近畸变尤为明显。如果采用了基于脉冲的死区补偿方法(pulse-baseddead-timecompensator,PBDTC),可以获得如图6a所示的较好的电流波形。但是在过零点附近电流波形依然存在畸变,如图6b所示。究其原因,是因为过零点附近的电流方向检测错误,导致PBDTC补偿失误。

[1]

图8　重载相电流波形

5　结　论

本文提出一种SVPWM策略,实验结果表明:该策略可以有效地解决以往死区补偿技术中普遍存

在的零电流附近补偿失误的问题,同时可以减小开关损耗。本方法实现简单,不需要增加硬件成本,具有实际应用价值。

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图5　无死区补偿方法的电流波形

图6　PBDTC补偿方法的电流波形

图7　本文策略的电流波形1992:317-322.