基于四開(kāi)關(guān)感應(yīng)電機(jī)逆變電源電壓空間矢量脈寬調(diào)制的研究

趙 克， 王廣林， 孫 力

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001;

2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，PWM控制已獲得日益廣泛的應(yīng)用，其控制也由最初的電壓正弦、電流正弦，發(fā)展到磁通正弦，PWM控制技術(shù)正在不斷的創(chuàng)新和發(fā)展。SVPWM是從電機(jī)的角度出發(fā)，控制電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，使用該方法可明顯減小逆變器的輸出電流畸變，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。此外，該方法還具有編程簡(jiǎn)單、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)，目前已有替代傳統(tǒng)SPWM控制方法的趨勢(shì)［1-2］。

本文采用一種新穎的四開(kāi)關(guān)電壓空間矢量的控制方法實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的變頻控制。四開(kāi)關(guān)電壓空間矢量的控制方法沒(méi)有零矢量，且有效電壓矢量的幅值不同，有自己的特點(diǎn)［3-4］。

1 四開(kāi)關(guān)功率電路的拓樸結(jié)構(gòu)

四開(kāi)關(guān)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相電機(jī)的其中兩相連接至橋臂中點(diǎn)，第三相連至電容中點(diǎn)，因此節(jié)省了兩只開(kāi)關(guān)管。通常三相電壓空間矢量功率開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)有8種，其中6種為有效的非零矢量，2種為零矢量。四開(kāi)關(guān)逆變器只有2個(gè)橋臂工作狀態(tài)可以改變，當(dāng)上橋臂“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1，下橋臂“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為0。即只產(chǎn)生00、01、10、11四種開(kāi)關(guān)模式。對(duì)應(yīng)的第三相繞組連接至電容中點(diǎn)，其參考電位為0。

2 四開(kāi)關(guān)電壓空間矢量控制工作原理

感應(yīng)電機(jī)的理想運(yùn)行條件是在氣隙中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這不僅要求氣隙磁鏈的軌跡為圓形，且要求軌跡的運(yùn)行在時(shí)間上均勻平穩(wěn)。傳統(tǒng)的六開(kāi)關(guān)逆變器具有6個(gè)有效的電壓空間矢量和2個(gè)零電壓。依據(jù)參考電壓矢量由2個(gè)有效矢量和零矢量合成的原理，符合伏秒平衡關(guān)系，同時(shí)滿足時(shí)間約束，保證磁鏈的突變最小。

零矢量的主要作用是使磁鏈幅值保持不變，但時(shí)間在前進(jìn)，這種延時(shí)作用可把每一段軌跡的運(yùn)行時(shí)間調(diào)整均勻。在四開(kāi)關(guān)逆變橋中不存在零電壓矢量，運(yùn)行時(shí)間的調(diào)整會(huì)遇到困難。三相輸出相電壓矢量與開(kāi)關(guān)矢量的關(guān)系如式(1)所示:

開(kāi)關(guān)狀態(tài)與相電壓和αβ坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)狀態(tài)與相電壓和αβ坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用坐標(biāo)變換或?qū)㈦妷嚎臻g矢量投影的方法得到兩相靜止坐標(biāo)系下的兩個(gè)分量uα和uβ，空間電壓矢量及其分量與開(kāi)關(guān)模式的關(guān)系如表1所示，4個(gè)基本電壓矢量將矢量空間劃為4個(gè)扇區(qū)，如圖2所示。

圖2 4種基本電壓空間矢量

3 四開(kāi)關(guān)SVPWM設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在通常的六開(kāi)關(guān)逆變器中，導(dǎo)通時(shí)間的計(jì)算公式為

式(2)中tx、ty的計(jì)算在四開(kāi)關(guān)中仍然沿用，但不再采用T0。圖3中的Uref為電壓矢量給定，U1、U2為Uref所在扇區(qū)Ⅰ中的兩個(gè)相鄰的基本電壓矢量，tx、ty為給定電壓矢量Uref等效作用于基本電壓矢量U1、U2的時(shí)間。由于tx、ty的和并不等于載波周期，必須考慮時(shí)間約束條件。

為了表述方便，定義:主扇區(qū)為給定電壓空間矢量所處的扇區(qū);輔助扇區(qū)為與主扇區(qū)正對(duì)的扇區(qū)，用于滿足載波頻率的約束;非工作扇區(qū)為與主扇區(qū)相鄰的兩個(gè)扇區(qū)。由于四個(gè)扇區(qū)的參數(shù)確定具有一定的相似性，以下只以扇區(qū)Ⅰ為例，說(shuō)明電壓空間矢量控制的參數(shù)確定原則，如圖3所示。

圖3 電壓矢量合成原理

圖3中ΔU為參考電壓Uref與最大電壓軌跡的差值。將ΔU平分為兩部分，其在兩個(gè)參考坐標(biāo)軸上的作用時(shí)間t1、t2為在扇區(qū)Ⅰ中U1、U2兩個(gè)參考電壓矢量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間增量，相同的時(shí)間增量也作用于扇區(qū)Ⅲ。這樣在扇區(qū)Ⅰ中產(chǎn)生了新的電壓矢量給定Uref+(ΔU/2)，扇區(qū)Ⅰ中電壓矢量的增量(ΔU/2)是為了滿足時(shí)間約束條件而產(chǎn)生的額外參考電壓，因此必須在輔助扇區(qū)Ⅲ中加入與之相反的電壓參考矢量(-ΔU/2)，以抵消扇區(qū)Ⅰ中由于額外的ΔU/2的參考電壓矢量所產(chǎn)生的磁鏈，這樣即可實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量控制的功能。

若滿足時(shí)間約束條件，則t10、t20、t1、t2總和應(yīng)等于載波周期Ts，有

其中:t10=t1+tx，t20=t2+ty。

以上推導(dǎo)是在滿足時(shí)間約束的條件下得到的，即滿足t1+t2＜Ts。若不滿足約束條件，即t1+t2＞Ts時(shí)，則應(yīng)按比例縮小t1、t2，使之滿足時(shí)間約束條件。

在空間矢量實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于相鄰兩個(gè)空間矢量幅值并不一致，因此需考慮各自的時(shí)間分配，而不能像六開(kāi)關(guān)時(shí)的零矢量的平均分配。“七段式”四開(kāi)關(guān)SVPWM波形如圖4所示，分別為在四個(gè)扇區(qū)矢量選擇和時(shí)間分配。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)平臺(tái)基于TMS320F2812和智能功率模塊PS21867，SVPWM算法通過(guò)DSP程序?qū)崿F(xiàn)。試驗(yàn)所選電機(jī)參數(shù)如下:電機(jī)型號(hào)為YLT035-4，額定電壓Un=380 V，額定電流In=3.5 A，額定功率Pn=600 W，額定頻率fn=50 Hz，極對(duì)數(shù)2P=4，額定轉(zhuǎn)速nn=1 410 r/min。電機(jī)的電阻和電感分別為 3.1 Ω和 8.5 r/min。母線電壓為150 V，此條件下線電壓如圖5所示。兩相相電壓在低通濾波后如圖6所示，相位相差2π/3。相電流波形顯示良好的正弦性，如圖7所示。

由于電機(jī)繞組第三相取自兩只電容的中點(diǎn)，對(duì)第三相繞組進(jìn)行工頻的充放電過(guò)程，當(dāng)采用1 500 μF、450 V的電容時(shí)，其電壓波動(dòng)仍然很明顯。電容中點(diǎn)的波形如圖8所示，幅值約為5 V。

圖4 “七段式”四開(kāi)關(guān)SVPWM波形

圖5 線電壓波形

圖6 低通濾波后兩相相電壓波形

圖7 相電流波形

圖8 電容中點(diǎn)電壓波動(dòng)

5 結(jié)語(yǔ)

采用SVPWM原理實(shí)現(xiàn)的四開(kāi)關(guān)逆變器可實(shí)現(xiàn)圓形磁場(chǎng)的建立。在這一過(guò)程中，僅由不同幅值的4個(gè)有效矢量合成，作用時(shí)間采用主扇區(qū)和輔助扇區(qū)交互作用計(jì)算而來(lái)。

應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)四開(kāi)關(guān)三相逆變電路，能夠?qū)崿F(xiàn)三相正弦電流的輸出，而電壓相位相差2π/3。試驗(yàn)證明，所提出的四開(kāi)關(guān)空間矢量控制方案是可行的。

［1］蔣志堅(jiān)，徐殿國(guó)，朱香娟.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)四開(kāi)關(guān)低成本逆變器的磁鏈軌跡改進(jìn)控制研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(11):74-79.

［2］曾立，孫友濤，熊蕊.四開(kāi)關(guān)三相逆變器的空間矢量控制［J］.通信電源技術(shù)，2006，23(2):1-6.

［3］孫丹，何宗元，IvonneYznagaBlaneo，等.四開(kāi)關(guān)逆變器供電永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(11):74-79.

［4］OLORUNFEMI O，INNOCENT E D.A dual stator winding induction generator with a four switch inverter-battery scheme for control［J］.PESC，2000(1):230-234.