五橋臂逆變器驅動雙異步電機調速系統的調制方法研究

劉 嘉，梅 楊，王莉娜，孫 凱

(1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191;2.北方工業大學電力電子與電氣傳動工程中心，北京100144;3.清華大學電力系統及大型發電設備安全控制國家重點實驗室，北京100084)

1 引言

隨著電力電子技術的發展，交流變頻調速系統在工業傳動領域中逐漸占據了主導地位。交流傳動系統憑借其維護方便、電機結構簡單、可實現高速驅動等優點［1］，廣泛應用于能源、機械、交通等國民經濟的各個部門。傳統的變頻調速系統多由一臺逆變器驅動一臺異步電機運行，然而，在諸如電動汽車［2］、電動機車［3］及一些工業生產場合常需要驅動兩臺或者多臺電機并聯運行［4］。

針對實際應用中的需求，本文對五橋臂逆變器驅動雙異步電機調速系統進行研究，并實現了通過一臺五橋臂逆變器驅動兩臺異步電機獨立運行。與通過多臺逆變器驅動多臺電機相比，該系統降低了成本、體積和重量［2］。

目前，對于五橋臂逆變器驅動雙異步電機系統中逆變器調制方式的相關研究并不多見。法國科研人員［5］提出了一種通用多橋臂逆變器控制方法，通過逆變器輸出線電壓給定值的瞬時值，得出作用模式編號，再通過查表得出各開關器件的開關狀態，產生相應的驅動信號。該方法適用于任意橋臂數量的逆變器，但隨著橋臂數目增加，實現難度及復雜度也隨之升高。日本學者Matsuse也提出了一種五橋臂逆變器的調制方法［6］，其將逆變器控制周期分為兩部分，根據所驅動的兩臺電機各線電壓的大小確定PWM信號占空比及模式，進而確定逆變器的驅動信號。該方法由于驅動信號并不中心對稱，且驅動信號跳變時刻分布不均，故難以采用DSP實現。本文提出一種適用于五橋臂逆變器的改進型七段式PWM調制方法。該方法將逆變器控制周期分為兩部分并采用傳統SVPWM方法生成逆變器開關器件的驅動信號，便于實現是該方法的一大特點。

2 五橋臂逆變器分析

五橋臂逆變器共有五個橋臂，十個開關器件。圖1為五橋臂逆變器驅動雙異步電機系統的主電路拓撲結構。為便于后文分析，將五橋臂逆變器的橋臂如圖1中分為兩部分:1號、2號、3號為一組，記為逆變器 A部分;3號、4號、5號橋臂為一組，記為逆變器B部分。其中，3號橋臂為逆變器AB兩部分的公共橋臂，也是兩臺電機的共用橋臂。

圖1 五橋臂逆變器驅動雙異步電機系統主電路拓撲結構Fig.1 Topology of dual-motor drive system's main circuit

3 五橋臂逆變器調制方法

為實現五橋臂逆變器的調制方式需完成對控制周期進行分區、確定驅動信號占空比及產生驅動信號等三步。為使得五橋臂逆變器能夠獨立驅動雙異步電機，兩電機給定定子電壓矢量 us1、us2應相互獨立。如圖2所示，矢量 us1、us2分別按照角速度 ω1、ω2獨立旋轉，矢量幅值通過異步電機恒壓頻比控制方式確定。

圖2 雙異步電機控制系統的定子電壓矢量Fig.2 Voltage space vector of dual induction motor system

3.1 控制周期的分區

為實現兩臺異步電機獨立控制，需要將逆變器的控制周期分為兩部分。前半周期為逆變器A部分的有效作用時間，后半周期為逆變器B部分的有效作用時間。當逆變器 A部分作用時，橋臂1～3由SVPWM確定各開關器件驅動信號占空比，橋臂4、5將始終保持與公共橋臂3相同的開關狀態，即在控制周期前半周期中，逆變器B部分作用的基本空間矢量均為0矢量(000或111)。同理，在控制周期的后半周期，當逆變器B部分作用時，橋臂3～5由SVPWM確定各開關器件驅動信號占空比，橋臂1與橋臂2也將始終保持與公共橋臂3相同的開關狀態。

3.2 驅動信號占空比的確定

記定子電壓矢量us1相位角為θr1，由伏秒平衡:

令式(1)實、虛部分別相等，基本空間矢量作用時間結果為

記控制周期的前半周期各橋臂上橋臂開關器件驅動信號有效時間為 Ta、Tb、Tc、Td、Te。令零矢量 u0與 u7作用時間相等，即T0=T7，可得七段式方法實現SVPWM的情況下，各開關器件有效作用時間為

同理可得后半控制周期各開關器件驅動信號的作用時間。

3.3 驅動信號的產生

表1為五橋臂逆變器的基本電壓空間矢量所對應的逆變器各橋臂上開關器件的開關狀態。其中，SABCDE1代表前半控制周期橋臂1-5上開關器件對應的開關狀態，SABCDE2代表后半控制周期橋臂1-5上開關器件對應的開關狀態，SABC代表三相逆變器的基本空間矢量所對應的各橋臂開關狀態。當逆變器工作時，開關狀態 SABCDE1與開關狀態 SABCDE2將交替驅動逆變器的五個橋臂。

表1 五橋臂逆變器基本電壓矢量對應開關狀態表Tab.1 Switch status to basic vector of 5-leg inverter

按七段式SVPWM產生方式產生五橋臂逆變器驅動信號，電壓矢量作用順序及作用時間如圖3所示(以圖2中電壓矢量位置為例)。圖中，M1表示逆變器 A部分對應的基本電壓矢量SABC，M2表示逆變器B部分對應的基本電壓矢量SABC。

圖3 五橋臂逆變器調制方式的實現Fig.3 Implementation of 5-leg inverter's control method

4 仿真及實驗研究

為驗證所提出的五橋臂逆變器的改進型七段式PWM調制方式有效性，對其進行仿真及實驗研究。仿真采用Matlab/Simulink搭建整個系統的模型，仿真重點在于五橋臂逆變器驅動信號的產生。仿真中，直流母線電壓設為200V，異步電機參數見表2。

表2 仿真中所采用的電機參數Tab.2 Parameters of motors in simulation

系統實驗平臺結構如圖4所示。其中，五橋臂逆變器采用兩塊型號為6MBP75RA120的智能功率模塊并聯組成，其中一智能功率模塊一橋臂空閑。選用TMS320x2812作為逆變器的控制器，為智能功率模塊產生PWM控制信號并完成逆變器的控制功能。系統中，電機1功率、電壓、頻率及轉速額定值分別為 1.1kW、380V、50Hz、1420r/min，電機 2 的功率、電壓、頻率及轉速額定值分別為3.7kW、380V、50Hz、1450r/min。通過調壓器對輸入三相交流電進行調整使得直流母線電壓與仿真中一致，同為200V。

圖4 五橋臂逆變器驅動雙異步電機系統實驗平臺結構Fig.4 Structure of experiment platform

圖5 系統仿真結果Fig.5 Simulation results of system

對系統進行穩態、動態運行的仿真和實驗。穩態運行時，電機1和電機2分別在同步頻率為20Hz和40Hz情況下穩定運行。動態實驗中，電機1速度給定值按圖中給定變化規律進行斜波或階躍變化，電機2在同步頻率為40Hz條件下穩定運行。電機1的頻率給定值及定子電流的仿真及實驗波形如圖5和圖6所示。

圖6 系統實驗結果Fig.6 Experimental results of system

由仿真及實驗結果證明所提出的適用于五橋臂逆變器的改進型七段式PWM調制方式可行且有效。

5 結論

本文對驅動雙異步電機系統的五橋臂逆變器的及其調制方式進行討論和研究，提出了一種便于實現的改進型七段式PWM調制方式。仿真及實驗結果表明調制方式有效，能夠完成對兩臺參數不同的異步電機的獨立控制，并可以在此基礎上對五橋臂逆變器驅動雙異步電機系統進行進一步的研究。

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