無共模電壓SVPWM多橋臂逆變器的拓撲結構演化與電機性能研究

孫斐然　沈建新

(浙江大學電氣工程學院　杭州　310027)

無共模電壓SVPWM多橋臂逆變器的拓撲結構演化與電機性能研究

孫斐然沈建新

(浙江大學電氣工程學院杭州310027)

摘要三相開放式繞組永磁同步電動機(PMSM)可采用單電源雙逆變器供電，與傳統單逆變器供電的PMSM相比具有可選電壓矢量多及控制方法靈活等優點，有利于改善電機驅動性能，但逆變器橋臂數量較多，硬件結構復雜。為此，針對無共模電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)控制方法，對單電源雙逆變器(即六橋臂)驅動拓撲結構進行演化，逐步減少橋臂數量，并對比分析各演化結構驅動下的電機性能。各演化結構雖然引入了額外的零序電流通路，但在無共模電壓SVPWM控制下沒有零序電壓激勵，因此并無零序電流產生，故拓撲結構的演化并不影響電機控制性能。該拓撲結構演化不僅為逆變器與電機繞組的選型設計提供參考，還揭示了無共模電壓SVPWM的本質特性。

關鍵詞：多橋臂逆變器空間矢量脈寬調制無共模電壓拓撲結構演化

0引言

與傳統兩電平逆變器相比，三電平逆變器具有開關損耗更小及輸出波形的諧波頻譜更好等優點，但其結構及PWM控制算法也要復雜得多，且存在中點電位波動問題[1-9]。雙逆變器結構的輸出電壓矢量與三電平逆變器相當[10，11]，并且無中性點波動問題，因此逐漸成為研究熱點。

雙逆變器的PWM方法各有優劣，但算法相對三電平逆變器都較為簡單[10-23]。文獻[13，14]介紹了一種新的切換模式，使得雙逆變器的開關次數大大降低。文獻[15]提出的隨機SVPWM能有效減少開關頻率的諧波成分。采用解耦SVPWM技術時，相電流的紋波含量會隨電機調制指數的增加而減小[16]。文獻[17-23]通過不同方法抑制零序電流，從而舍去隔離電源，只由單電源供電，則雙逆變器結構就可看成是六橋臂逆變器。其中，文獻[17，18]提出添加輔助開關，通過切換中性點來抑制零序電流。而在文獻[19，20]中，只采用不產生共模電壓的矢量組進行PWM。

本文以三相開放式繞組永磁同步電動機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)作為研究對象，根據無共模電壓SVPWM方法[20]對單電源雙三相(即六橋臂)逆變器驅動系統進行結構演化和性能分析，不僅簡化了驅動器拓撲，也揭示了無共模電壓SVPWM方法的本質。

1獨立電源供電雙逆變器結構

圖1為雙三相逆變器及開放式繞組永磁同步電動機驅動系統的拓撲結構。兩個逆變器(INV1和INV2)由獨立電源供電，交流側分別與開放式PMSM三相定子繞組兩端(a1、b1、c1和a2、b2、c2)相連。

圖1　三相開放式繞組PMSM的雙電源雙逆變器驅動結構Fig.1　Topology of dual power supplies and dual inverters for PMSM drive

如圖2a所示，逆變器INV1產生的空間電壓矢量為1、2、…、8，INV2產生的空間電壓矢量則為1′、2′、…、8′，每個電壓矢量對應的各橋臂的開關狀態用括號中的三位二進制數表示。若上橋臂導通、下橋臂關斷，則用“1”表示，反之為“0”。兩個逆變器的空間電壓矢量合成可得到雙逆變器的電壓矢量，如圖2b所示，其編號如14′(表示由INV1的電壓矢量V1和INV2的電壓矢量V4′合成，即V14′=V1-V4′，其余類推)等，共有54種非零電壓矢量合成方式和10種零電壓矢量合成方式。而這54種非零電壓矢量存在冗余，在空間上其實只有18個，可用圖2b中的OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG、OH、OI、OJ、OK、OL、OM、ON、OP、OQ、OR、OS表示。

圖2　雙逆變器的空間電壓矢量合成原理Fig.2　Principle of synthesis of space voltage vectors with dual inverters

2單電源雙逆變器結構與無共模電壓SVPWM

非零矢量24′、15′、35′、26′、46′、31′、51′、42′、62′、53′、13′、64′和零矢量11′、22′、33′、44′、55′、66′、77′、88′不產生共模電壓[19，20]。若只使用這些矢量進行PWM調制，則零序電流不會在繞組中流通，因此，雙逆變器不再需要通過獨立電源隔離零序電流。由單電源供電的雙逆變器(實際為六橋臂逆變器)結構如圖3所示。

圖3　三相開放式繞組PMSM的單電源雙逆變器(六橋臂)驅動結構Fig.3　Topology of single power supply and dual inverters(six-leg)for PMSM drive

脈寬調制過程中只使用無共模電壓矢量，即可實現無共模電壓SVPWM。由圖2b可知，無共模電壓的空間矢量構成了六邊形HJLNQS。其中，矢量OH、OJ、OL、ON、OQ、OS可由15′、26′、31′、42′、53′、64′或24′、35′、46′、51′、62′、13′實現[20]。零矢量選擇77′、88′。

以所需電壓矢量落在ΔOSH中為例簡要介紹上述PWM的基本原理：

1)當非零矢量采用15′、26′、31′、42′、53′、64′時，所需電壓矢量由15′、64′、77′和88′合成。逆變器INV1按照7-1-6-8-6-1-7矢量順序進行切換，逆變器INV2則按7′-5′-4′-8′-4′-5′-7′矢量順序切換。兩個逆變器的開關時序有所不同。

2)當非零矢量采用24′、35′、46′、51′、62′、13′時，所需電壓矢量由13′、24′、77′和88′合成。逆變器INV1 按照7-1-2-8-2-1-7矢量順序進行切換，逆變器INV2則按7′-3′-4′-8′-4′-3′-7′矢量順序切換。

上述兩種PWM雖然選擇了不同的矢量組，但在原理上并無差異。本文主要以矢量15′、26′、31′、42′、53′、64′、77′和88′為例進行PWM控制。

3結構拓撲演化

用繞組端號區分與之相連的逆變器橋臂，則逆變器INV1和INV2的開關狀態可表示為(ma1mb1mc1)和(ma2mb2mc2)。表1描述了逆變器橋臂在無共模電壓SVPWM過程中的開關狀態。

表1　逆變器橋臂開關管狀態

從表1可發現，b1和a2橋臂上的開關管動作總是相同的。因此，將b1和a2共用一個橋臂，如圖4所示。所以，從電機供電的角度看，在采用表1列出的無共模電壓空間矢量時，圖4所示的五橋臂拓撲結構與圖3所示的六橋臂逆變器結構相同。但從電路角度看，圖4所示的結構引入了一條繞組端點b1和a2之間的通路，由此可能會改變電機中的電流波形及轉矩性能，因此需要作性能分析與對比研究。

圖4　五橋臂逆變器驅動結構Fig.4　Topology of five-leg inverter drive

由表1還可發現，任意矢量對應的開關狀態mc1與mb2也總是相同的，故電機與逆變器可進一步演化為四橋臂結構，如圖5所示，即將繞組端c1和b2共用同一橋臂。當然，還可進一步演化，得到圖6所示的三橋臂逆變器拓撲結構，即將繞組端a1與c2也共用同一橋臂。三橋臂逆變器結構等同于b1端與a2端、c1端與b2端、a1端與c2端兩兩相連，因此將電機的開放式繞組演化為傳統的三角形聯結繞組，如圖7所示。

圖5　四橋臂逆變器驅動結構Fig.5　Topology of four-leg inverter drive

圖6　三橋臂逆變器驅動結構Fig.6　Topology of three-leg inverter drive

圖7　傳統三角形繞組電機及逆變器驅動結構Fig.7　Traditional Δ-connection winding motor and inverter

從雙逆變器(六橋臂)演化到三橋臂逆變器的過程，同時也是定子繞組由開放式逐漸變為三角形聯結的過程。在此過程中，雖然始終采用無共模電壓矢量，但電機繞組的拓撲結構已發生變化，提供了額外的零序電流通路，因此，電機性能的變化值得分析研究。

4性能分析與對比研究

表2　拓撲演化及空間電壓矢量

在Matlab/Simulink仿真研究中，開放式繞組電機選用4極三相PMSM，定子電阻為0.028 8 Ω，轉子永磁體產生正弦磁場，在電樞繞組中產生的磁鏈幅值為0.029 6 Wb，d軸與q軸電感均為0.124 mH，負載轉矩為2 N·m，額定轉速為1 000 r/min。

圖8為六橋臂逆變器驅動開放式繞組PMSM的穩態性能。其中，圖8a是相電壓波形；圖8b是相電流波形，基本為正弦形，但含有少量諧波分量，尤其是7次和11次，如圖8d所示(圖中縱坐標表示各次諧波電流的幅值相較基波的百分比)，THD為3.54%；電磁轉矩也基本穩定，轉矩脈動峰值約為0.1 N·m，即5%。

圖8　六橋臂逆變器驅動系統的性能Fig.8　Performance of six-leg inverter drive system

在演化所得的五橋臂、四橋臂和三橋臂驅動系統中，相電壓波形與六橋臂逆變器驅動系統一致。其所對應的相電流和電磁轉矩波形如圖9～圖11所示。可見電流波形都基本正弦，基波分量相當，7次和11次諧波分量略微明顯，見圖12a～圖12c，電流THD仍在3.5%左右。值得注意的是，各演化拓撲結構的驅動系統并未帶來額外的零序電流(如3次、6次、9次等諧波)。這是因為，雖然從圖3所示的單電源六橋臂開繞組系統逐步減少橋臂數量直至演化為圖6所示的三橋臂拓撲，從電路角度看是增加了零序電流的通路，但逆變器始終采用無共模電壓矢量，即沒有給電機施加零序的電壓激勵，因此對于理想的正弦型PMSM而言，不會產生零序的電流響應。由此也可知，各演化拓撲結構的電磁轉矩波形也基本相同。所以，拓撲結構的演化并未對系統性能產生不良影響。

圖9　五橋臂逆變器驅動系統的性能Fig.9　Performance of five-leg inverter drive system

圖10　四橋臂逆變器驅動系統的性能Fig.10　Performance of four-leg inverter drive system

圖11　三橋臂逆變器驅動系統的性能Fig.11　Performance of three-leg inverter drive system

圖12　不同驅動系統的相電流諧波分析Fig.12　Phase current spectra with various drive systems

5結論

針對無共模電壓SVPWM，本文對開放式繞組PMSM的雙逆變器(六橋臂)驅動結構進行演化，逐步得到五橋臂、四橋臂、三橋臂逆變器驅動系統。相比雙逆變器驅動系統，演化結構的橋臂與功率管數量減少，電路簡化；但功率管的標稱電流須相應提高。雖然演化的驅動結構引入了額外的零序電流通路，但在無共模電壓SVPWM控制下，并未引起額外的零序電流，這也是演化的驅動結構的優點之一。

無共模電壓SVPWM方法可單電源供電，調制算法簡單。本文根據結構演化過程揭示了該SVPWM實質上與單逆變器驅動三角形聯結繞組的電機的SVPWM相當。本文對采用無共模電壓SVPWM的驅動系統進行了梳理，可為逆變器與電機繞組的選型設計提供參考。

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Investigation of Topology Evolution of Common-Mode-Voltage-Free SVPWM Multi-Leg Inverter and Motor Drive Performance

Sun FeiranShen Jianxin

(College of Electrical EngineeringZhejiang UniversityHangzhou310027China)

AbstractCompared with a traditional single inverter-fed permanent magnet synchronous motor(PMSM),the 3-phase open-end winding PMSM driven by single DC supply and dual inverters is benefited from more applicable voltage vectors,more flexible control method,as well as better drive performance,but suffers from the larger number of inverter legs and more complicated hardware structure.Therefore,in this paper,the drive topology of single-supply dual-inverter,i.e.six-leg inverter,with common-mode-voltage-free(CMVF)space vector pulse width modulation(SVPWM)is evolved so as to eliminate some of the inverter legs,whilst the motor performance with each evolved topology is comparatively analyzed.It is seen that the evolved topologies induce extra paths for the zero-sequence current which,however,is not actually generated due to the absence of the zero-sequence voltage under the CMVF SVPWM control.Thus,the motor performance is hardly deteriorated by the topology evolution.The proposed topology evolution not only provides a reference for the selection and design of the inverter and motor windings,but also reveals the innate character of the CMVF SVPWM.

Keywords：Multi-leg inverter，space vector pulse width modulation，common-mode-voltage-free，topology evolution

收稿日期2015-04-01改稿日期2015-05-26

作者簡介E-mail：sunfr2405@163.com E-mail：J_X_Shen@zju.edu.cn(通信作者)

中圖分類號：TM351

國家自然科學基金資助項目(51577165，51377140)。

孫斐然女，1990年生，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機及其控制。

沈建新男，1969年生，教授，博士生導師，研究方向為電機拓撲與驅動控制、新能源技術等。