Z源逆變器在永磁同步電動機驅動系統中的應用

陳利萍，張建文，嚴雙喜，王金鵬

(中國礦業大學，江蘇徐州 221008)

0 引 言

永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)因具有體積小、功率密度高、效率和功率因數高等諸多優點而越來越多地應用于各種工業場合，其傳統驅動系統由二極管整流器、直流側電容以及逆變橋構成［1］，該系統存在諸多缺點。第一，系統前端為二極管不控整流，輸出直流電壓平均值(約為輸入相電壓有效值的2.34倍)正比于輸入電壓幅值，當電網電壓發生跌落時，直流輸出電壓不可避免地隨之降低，而大多數電網電壓跌落為0.1～2 s即可恢復正常的短時故障，因此系統不具有度越電網電壓跌落的能力，PMSM控制性能將受到嚴重影響;第二，不控整流增加了電網電流的諧波含量，系統功率因數較低;第三，傳統VSI屬降壓型，當交流側負載要求輸出較高電壓時，這種普通結構的電壓型逆變器受限于電網電壓幅值，在中間直流側增加一級升壓電路雖然可以對整流輸出電壓進行升壓，但增加的升壓電路不僅增加了系統硬件成本和控制的復雜性，而且降低整個系統的可靠性;第四，傳統VSI需設置死區延遲，以防止逆變橋直通，而死區效應會引起波形的畸變，使電機產生噪聲，影響低速運行性能［1］。近年來國內外學者研究較熱的Z源逆變器(ZSI)具有直流升壓及較高的抗擾性等諸多優點［2］，將Z源逆變器應用于PMSM驅動系統能夠有效克服傳統驅動系統的不足，使系統有效度越電網電壓跌落故障，降低電網諧波電流，提高系統功率因數。本文在分析Z源PMSM驅動系統原理的基礎上，仿真驗證了所研究系統的優越性能。

1 Z源驅動系統拓撲及工作原理

圖1、圖2分別為傳統PMSM驅動系統及Z源PMSM驅動系統主電路。Z源PMSM驅動系統主電路同樣由二極管整流前端、直流側電路及逆變橋組成，不同之處在于直流側電路由Z源阻抗網絡構成，取代了傳統驅動系統中的升壓電路。

圖1 傳統PMSM驅動系統主電路

圖2 Z源PMSM驅動主電路

1.1 前端整流器分析

如圖2所示，PMSM驅動系統正常運行時，前端整流器任意兩相之間連接有輸入電容Ca、Cb、Cc，該輸入電容不僅為阻抗網絡提供直流電壓，而且可以有效抑制直通及器件換流時產生的浪涌電壓［1］。對系統進行分析，任意時刻只有電壓差最大的兩相導通，因此在一個電網電壓周期內共有六種導通模式，對應導通的二極管及連接的電容，如圖3所示。

由圖3，不同的導通二極管組合對應連接不同的電容，每一種導通模式下，系統整流部分可以簡化為一個直流電壓源串聯兩個二極管，以a、b相導通為例，系統簡化拓撲如圖4所示。因此系統在一個電網電壓周期內等效為六種導通模式下的普通Z源逆變系統，每一種導通模式下的Z源逆變系統升壓原理如下所述。

圖3 整流器六種導通模式

圖4 a、b兩相導通時系統簡化拓撲

1.2 Z源逆變器升壓原理

圖5為ZSI主電路［2］。阻抗網絡由電感L1、L2與電容 C1、C2組成(L1=L2，C1=C2)，系統正常運行于直通與非直通兩種狀態。由阻抗網絡的對稱性:

圖5 Z源逆變器主電路

在一個PWM周期Ts內，當系統運行于直通與非直通狀態時，可得式(2)、式(3)所述關系，其中直通時間為Tsh。

系統穩態運行時，由伏秒平衡原理:

逆變橋輸入直流母線電壓平均值及其峰值分別:

式中:B為直通零矢量對應的升壓因子。ZSI輸出相電壓基波幅值:

因此，配合控制直通占空比D0與調制因子M，理論上可輸出任意大小的交流電壓。調制因子M的最大取值范圍取決于逆變器的調制方法，采用SPWM時，M≤1;采用SVPWM時，M≤。為了提高直流電壓利用率，本文采用一種不引入附加開關損耗的直通分段 SVPWM［2－3］取代傳統 SVPWM，該調制法將直通狀態插入于每一個開關周期內的零矢量作用區間，不改變有效矢量作用時間，只對有效矢量作用區間進行了左右平移，因此，與恒直流輸入時采用傳統SVPWM的輸出相比，只存在部分高次諧波的差異，對負載的作用效果基本相同。

2 PMSM矢量控制

2.1 PMSM數學模型

將d軸定向于PMSM轉子磁鏈方向，可得d、q軸系下PMSM電壓、磁鏈、轉矩與運動平衡方程。

定子電壓方程:

定子磁鏈方程:

電磁轉矩方程:

運動平衡方程:

式中:ud、uq為 d、q 軸電壓;id、iq為 d、q 軸電流;R1為定子相電阻;Ld、Lq為d、q軸電樞電感;ψf為轉子磁鏈;ψd、ψq為 d、q軸磁鏈;p為電機極對數;ω 為轉子旋轉電角速度;p為微分算子;Te為電磁轉矩;B為阻力系數;J 為轉動慣量［5－7］。

2.2 Z源驅動PMSM矢量控制原理

目前PMSM矢量控制方法有id=0控制、UPF控制、恒磁鏈控制、最大轉矩電流比(MTPA)控制、弱磁控制及最大輸出功率控制等，其中id=0控制因其控制原理簡單、實現d、q軸電流靜態解耦而成為PMSM矢量控制常用的控制方法，其定子電流中只含有轉矩分量［8］。本文所述Z源驅動PMSM矢量控制系統為了有效度越電網電壓跌落等故障，在傳統控制結構的基礎上增加了逆變器直流側電壓控制部分，系統控制原理圖如圖6所示。正常狀態下，直通狀態的插入使Z源逆變器將二極管整流輸出的波動直流電壓升壓至非直通狀態時逆變橋側的穩定的直流電壓Vdc;電網電壓跌落故障時，只需要根據檢測到的降低的二極管整流輸出電壓Vo及設定的非直通狀態時逆變橋側直流電壓Vdc，即可計算出需要的直通占空比D，以動態調節D來實現穩定非直通狀態下逆變橋側直流電壓的作用。因此，系統在整個運行期間需始終采用直通分段SVPWM。

圖6 Z源驅動PMSM矢量控制系統原理圖

3 系統仿真

基于MATLAB/Simulink對Z源PMSM驅動系統進行仿真分析，PMSM參數設置如表1所示。電網相電壓幅值為90 V，在0.3～0.7 s內跌落至70 V，負載轉矩Tl在0.5 s由2 N·m突變到4 N·m，給定Vdc=250 V，電機給定轉速n*=800 r/min，載波頻率f=5 kHz，Z網絡電感LL=2 mH，Z網絡電容LC=330 μF，仿真結果如圖7所示。

表1 系統仿真參數

圖7 電網電壓跌落時系統仿真波形

4 結 語

本文將Z源逆變器應用于PMSM驅動系統，通過對直通占空比的實時調節，獲得幅值穩定的逆變橋直流側電壓，有效度越電網電壓跌落故障，提高系統的自愈性，同時省略傳統PWM調制時需考慮的死區延遲，增強系統抗干擾性能，阻抗網絡的存在降低了網側電流諧波，提高系統功率因數及可靠性，改善傳統驅動系統的諸多不足，具有良好的應用前景。

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