基于四開關感應電機逆變電源電壓空間矢量脈寬調制的研究

趙 克， 王廣林， 孫 力

(1．哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001;

2．哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

隨著電力電子技術和控制理論的發展，PWM控制已獲得日益廣泛的應用，其控制也由最初的電壓正弦、電流正弦，發展到磁通正弦，PWM控制技術正在不斷的創新和發展。SVPWM是從電機的角度出發，控制電機獲得幅值恒定的圓形磁場，使用該方法可明顯減小逆變器的輸出電流畸變，減少轉矩脈動。此外，該方法還具有編程簡單、數字化實現方便的特點，目前已有替代傳統SPWM控制方法的趨勢［1-2］。

本文采用一種新穎的四開關電壓空間矢量的控制方法實現感應電機的變頻控制。四開關電壓空間矢量的控制方法沒有零矢量，且有效電壓矢量的幅值不同，有自己的特點［3-4］。

1 四開關功率電路的拓樸結構

四開關逆變器的拓撲結構如圖1所示。

圖1 功率電路的拓撲結構

三相電機的其中兩相連接至橋臂中點，第三相連至電容中點，因此節省了兩只開關管。通常三相電壓空間矢量功率開關管的工作狀態有8種，其中6種為有效的非零矢量，2種為零矢量。四開關逆變器只有2個橋臂工作狀態可以改變，當上橋臂“開”狀態時，開關狀態為1，下橋臂“開”狀態時，開關狀態為0。即只產生00、01、10、11四種開關模式。對應的第三相繞組連接至電容中點，其參考電位為0。

2 四開關電壓空間矢量控制工作原理

感應電機的理想運行條件是在氣隙中形成圓形旋轉磁場，這不僅要求氣隙磁鏈的軌跡為圓形，且要求軌跡的運行在時間上均勻平穩。傳統的六開關逆變器具有6個有效的電壓空間矢量和2個零電壓。依據參考電壓矢量由2個有效矢量和零矢量合成的原理，符合伏秒平衡關系，同時滿足時間約束，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，但時間在前進，這種延時作用可把每一段軌跡的運行時間調整均勻。在四開關逆變橋中不存在零電壓矢量，運行時間的調整會遇到困難。三相輸出相電壓矢量與開關矢量的關系如式(1)所示:

開關狀態與相電壓和αβ坐標系的對應關系如表1所示。

表1 開關狀態與相電壓和αβ坐標系的對應關系

利用坐標變換或將電壓空間矢量投影的方法得到兩相靜止坐標系下的兩個分量uα和uβ，空間電壓矢量及其分量與開關模式的關系如表1所示，4個基本電壓矢量將矢量空間劃為4個扇區，如圖2所示。

圖2 4種基本電壓空間矢量

3 四開關SVPWM設計和實現

在通常的六開關逆變器中，導通時間的計算公式為

式(2)中tx、ty的計算在四開關中仍然沿用，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Ⅰ中的兩個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的時間。由于tx、ty的和并不等于載波周期，必須考慮時間約束條件。

為了表述方便，定義:主扇區為給定電壓空間矢量所處的扇區;輔助扇區為與主扇區正對的扇區，用于滿足載波頻率的約束;非工作扇區為與主扇區相鄰的兩個扇區。由于四個扇區的參數確定具有一定的相似性，以下只以扇區Ⅰ為例，說明電壓空間矢量控制的參數確定原則，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，其在兩個參考坐標軸上的作用時間t1、t2為在扇區Ⅰ中U1、U2兩個參考電壓矢量所對應的時間增量，相同的時間增量也作用于扇區Ⅲ。這樣在扇區Ⅰ中產生了新的電壓矢量給定Uref+(ΔU/2)，扇區Ⅰ中電壓矢量的增量(ΔU/2)是為了滿足時間約束條件而產生的額外參考電壓，因此必須在輔助扇區Ⅲ中加入與之相反的電壓參考矢量(-ΔU/2)，以抵消扇區Ⅰ中由于額外的ΔU/2的參考電壓矢量所產生的磁鏈，這樣即可實現電壓空間矢量控制的功能。

若滿足時間約束條件，則t10、t20、t1、t2總和應等于載波周期Ts，有

其中:t10=t1+tx，t20=t2+ty。

以上推導是在滿足時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，則應按比例縮小t1、t2，使之滿足時間約束條件。

在空間矢量實現時，由于相鄰兩個空間矢量幅值并不一致，因此需考慮各自的時間分配，而不能像六開關時的零矢量的平均分配。“七段式”四開關SVPWM波形如圖4所示，分別為在四個扇區矢量選擇和時間分配。

4 試驗結果

試驗平臺基于TMS320F2812和智能功率模塊PS21867，SVPWM算法通過DSP程序實現。試驗所選電機參數如下:電機型號為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，極對數2P=4，額定轉速nn=1 410 r/min。電機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。

由于電機繞組第三相取自兩只電容的中點，對第三相繞組進行工頻的充放電過程，當采用1 500 μF、450 V的電容時，其電壓波動仍然很明顯。電容中點的波形如圖8所示，幅值約為5 V。

圖4 “七段式”四開關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 電容中點電壓波動

5 結語

采用SVPWM原理實現的四開關逆變器可實現圓形磁場的建立。在這一過程中，僅由不同幅值的4個有效矢量合成，作用時間采用主扇區和輔助扇區交互作用計算而來。

應用在感應電機四開關三相逆變電路，能夠實現三相正弦電流的輸出，而電壓相位相差2π/3。試驗證明，所提出的四開關空間矢量控制方案是可行的。

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