Z源逆變器在永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳利萍，張建文，嚴雙喜，王金鵬

(中國礦業(yè)大學(xué)，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(shù)高等諸多優(yōu)點而越來越多地應(yīng)用于各種工業(yè)場合，其傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)由二極管整流器、直流側(cè)電容以及逆變橋構(gòu)成［1］，該系統(tǒng)存在諸多缺點。第一，系統(tǒng)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(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，直流輸出電壓不可避免地隨之降低，而大多數(shù)電網(wǎng)電壓跌落為0.1～2 s即可恢復(fù)正常的短時故障，因此系統(tǒng)不具有度越電網(wǎng)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(wǎng)電流的諧波含量，系統(tǒng)功率因數(shù)較低;第三，傳統(tǒng)VSI屬降壓型，當(dāng)交流側(cè)負載要求輸出較高電壓時，這種普通結(jié)構(gòu)的電壓型逆變器受限于電網(wǎng)電壓幅值，在中間直流側(cè)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(tǒng)硬件成本和控制的復(fù)雜性，而且降低整個系統(tǒng)的可靠性;第四，傳統(tǒng)VSI需設(shè)置死區(qū)延遲，以防止逆變橋直通，而死區(qū)效應(yīng)會引起波形的畸變，使電機產(chǎn)生噪聲，影響低速運行性能［1］。近年來國內(nèi)外學(xué)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(yōu)點［2］，將Z源逆變器應(yīng)用于PMSM驅(qū)動系統(tǒng)能夠有效克服傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的不足，使系統(tǒng)有效度越電網(wǎng)電壓跌落故障，降低電網(wǎng)諧波電流，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。本文在分析Z源PMSM驅(qū)動系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，仿真驗證了所研究系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

1 Z源驅(qū)動系統(tǒng)拓撲及工作原理

圖1、圖2分別為傳統(tǒng)PMSM驅(qū)動系統(tǒng)及Z源PMSM驅(qū)動系統(tǒng)主電路。Z源PMSM驅(qū)動系統(tǒng)主電路同樣由二極管整流前端、直流側(cè)電路及逆變橋組成，不同之處在于直流側(cè)電路由Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，取代了傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)中的升壓電路。

圖1 傳統(tǒng)PMSM驅(qū)動系統(tǒng)主電路

圖2 Z源PMSM驅(qū)動主電路

1.1 前端整流器分析

如圖2所示，PMSM驅(qū)動系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)提供直流電壓，而且可以有效抑制直通及器件換流時產(chǎn)生的浪涌電壓［1］。對系統(tǒng)進行分析，任意時刻只有電壓差最大的兩相導(dǎo)通，因此在一個電網(wǎng)電壓周期內(nèi)共有六種導(dǎo)通模式，對應(yīng)導(dǎo)通的二極管及連接的電容，如圖3所示。

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

圖3 整流器六種導(dǎo)通模式

圖4 a、b兩相導(dǎo)通時系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2與電容 C1、C2組成(L1=L2，C1=C2)，系統(tǒng)正常運行于直通與非直通兩種狀態(tài)。由阻抗網(wǎng)絡(luò)的對稱性:

圖5 Z源逆變器主電路

在一個PWM周期Ts內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)運行于直通與非直通狀態(tài)時，可得式(2)、式(3)所述關(guān)系，其中直通時間為Tsh。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)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(yīng)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(diào)制因子M，理論上可輸出任意大小的交流電壓。調(diào)制因子M的最大取值范圍取決于逆變器的調(diào)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(guān)損耗的直通分段 SVPWM［2－3］取代傳統(tǒng) SVPWM，該調(diào)制法將直通狀態(tài)插入于每一個開關(guān)周期內(nèi)的零矢量作用區(qū)間，不改變有效矢量作用時間，只對有效矢量作用區(qū)間進行了左右平移，因此，與恒直流輸入時采用傳統(tǒng)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(shù)學(xué)模型

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

定子電壓方程:

定子磁鏈方程:

電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁鏈;ψd、ψq為 d、q軸磁鏈;p為電機極對數(shù);ω 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度;p為微分算子;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;B為阻力系數(shù);J 為轉(zhuǎn)動慣量［5－7］。

2.2 Z源驅(qū)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(zhuǎn)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(xiàn)d、q軸電流靜態(tài)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(zhuǎn)矩分量［8］。本文所述Z源驅(qū)動PMSM矢量控制系統(tǒng)為了有效度越電網(wǎng)電壓跌落等故障，在傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了逆變器直流側(cè)電壓控制部分，系統(tǒng)控制原理圖如圖6所示。正常狀態(tài)下，直通狀態(tài)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(tài)時逆變橋側(cè)的穩(wěn)定的直流電壓Vdc;電網(wǎng)電壓跌落故障時，只需要根據(jù)檢測到的降低的二極管整流輸出電壓Vo及設(shè)定的非直通狀態(tài)時逆變橋側(cè)直流電壓Vdc，即可計算出需要的直通占空比D，以動態(tài)調(diào)節(jié)D來實現(xiàn)穩(wěn)定非直通狀態(tài)下逆變橋側(cè)直流電壓的作用。因此，系統(tǒng)在整個運行期間需始終采用直通分段SVPWM。

圖6 Z源驅(qū)動PMSM矢量控制系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)仿真

基于MATLAB/Simulink對Z源PMSM驅(qū)動系統(tǒng)進行仿真分析，PMSM參數(shù)設(shè)置如表1所示。電網(wǎng)相電壓幅值為90 V，在0.3～0.7 s內(nèi)跌落至70 V，負載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速n*=800 r/min，載波頻率f=5 kHz，Z網(wǎng)絡(luò)電感LL=2 mH，Z網(wǎng)絡(luò)電容LC=330 μF，仿真結(jié)果如圖7所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖7 電網(wǎng)電壓跌落時系統(tǒng)仿真波形

4 結(jié) 語

本文將Z源逆變器應(yīng)用于PMSM驅(qū)動系統(tǒng)，通過對直通占空比的實時調(diào)節(jié)，獲得幅值穩(wěn)定的逆變橋直流側(cè)電壓，有效度越電網(wǎng)電壓跌落故障，提高系統(tǒng)的自愈性，同時省略傳統(tǒng)PWM調(diào)制時需考慮的死區(qū)延遲，增強系統(tǒng)抗干擾性能，阻抗網(wǎng)絡(luò)的存在降低了網(wǎng)側(cè)電流諧波，提高系統(tǒng)功率因數(shù)及可靠性，改善傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的諸多不足，具有良好的應(yīng)用前景。

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