三相四橋臂逆變器的空間矢量調(diào)制研究

東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 孔祖蔭 張 志 王濼涵 陳光樂 梁世武

東莞矩華超聲技術(shù)有限公司 譚開國

三相四橋臂逆變器在不平衡負(fù)載下能夠輸出三相對稱電壓，具有控制簡單，電壓利用率高，體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)。三相四橋臂逆變器被運(yùn)用在有源濾波器、UPS上解決不平衡負(fù)載的問題。本文主要介紹三相四橋臂的主電路，并介紹三維空間矢量調(diào)制技術(shù)在四橋臂逆變器上的運(yùn)用。并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在不對稱負(fù)載情況下的可行性。

1 三相四橋臂逆變器硬件電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器若工作在不平衡負(fù)載的情況下，傳統(tǒng)的逆變器無法保證三相輸出是對稱的，三相負(fù)載不對稱，使得三相電流不對稱，即流入節(jié)點(diǎn)的電流不為零，由于沒有中線為不平衡電流提供回路，使得三相電壓不平衡。故在傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器上增加第四個(gè)橋臂來控制中性點(diǎn)電流，使其能在不平衡負(fù)載下輸出三相對稱電壓。三相四橋臂逆變器主拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 三相四橋臂逆變器主拓?fù)?/p>

2 基于abc坐標(biāo)下的3D-SVPWM調(diào)制

由于四橋臂逆變器多了一個(gè)橋臂，三橋臂逆變器所使用的二維空間矢量調(diào)制已不再適用。3D-SVPWM是二維空間矢量的延伸。在abc坐標(biāo)系下不需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，減少了計(jì)算量。空間矢量調(diào)制不用像SPWM一樣對每個(gè)橋臂的調(diào)制信號單獨(dú)計(jì)算，調(diào)制波由算法生成，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

2.1 三維空間矢量開關(guān)狀態(tài)

四橋臂逆變器每個(gè)橋臂有2種開關(guān)狀態(tài)，共有24=16種開關(guān)狀態(tài)。同一個(gè)橋臂的開關(guān)管不用同時(shí)導(dǎo)通，在實(shí)際應(yīng)用中也會加上死區(qū)時(shí)間防止同橋臂開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。對橋臂上兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)定（表1）義如下：

表1 開關(guān)狀態(tài)表

這16種開關(guān)狀態(tài)構(gòu)成如圖2所示的12面體。

圖2 abc坐標(biāo)系下的12面體

2.2 電壓矢量占空比計(jì)算

為方便判斷電壓矢量所在的空間區(qū)域，設(shè)k1-k6六個(gè)參數(shù)，并定義指針函數(shù)rp來選擇相應(yīng)的四面體。

由式(2)可知，rp有24種狀態(tài)，即有24個(gè)相應(yīng)的空間四面體，每個(gè)四面體由3個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量組成。三個(gè)非零開關(guān)矢量相應(yīng)占空比計(jì)算如下：

d1，d2，d3表示開關(guān)矢量相對應(yīng)的占空比，Udna，Udnb，Udnc表示第n個(gè)非零開關(guān)矢量在abc坐標(biāo)下的投影。

例如對rp=5進(jìn)行計(jì)算電壓矢量相對應(yīng)的占空比：可知是由U2，U10，U12開關(guān)矢量組成的四面體，其相應(yīng)占空比計(jì)算：

2.3 開關(guān)矢量選擇順序

開關(guān)電壓矢量作用順序主要有兩種：單零矢量開關(guān)順序（7段式）和雙零矢量開關(guān)順序（9段式），本文主要使用雙零矢量開關(guān)順序，此類方法有開關(guān)次數(shù)多，開關(guān)損耗大，但輸出波形脈動(dòng)小，THD較小等特點(diǎn)。例如當(dāng)rp=5時(shí)，相對應(yīng)的四個(gè)橋臂開關(guān)切換順序如圖3所示。

圖3 rp=5時(shí)開關(guān)矢量順序

2.4 開關(guān)矢量作用時(shí)間計(jì)算

例如rp=5時(shí)，四個(gè)橋臂開關(guān)作用時(shí)間：設(shè)Ts為開關(guān)周期，T0，T1，T2，T3分別為零矢量與三個(gè)非零矢量的作用時(shí)間。則則四橋臂對應(yīng)時(shí)間Ta，Tb，Tc，Tn為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4、圖5所示的三相負(fù)載分別為80Ω，40Ω，20Ω，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在不平衡負(fù)載下，電壓波形對稱，三相電流相互獨(dú)立，能夠很好地解決不平衡負(fù)載下中性點(diǎn)漂移的問題。

圖4 不對稱負(fù)載下三相電壓

圖5 不對稱負(fù)載下三相電流

本文課題是基于三維空間矢量調(diào)制三相四橋臂逆變器的研制。分析了三相四橋臂的特點(diǎn)及應(yīng)用；介紹了三維空間矢量調(diào)制技術(shù)，并通過仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明三相四橋臂逆變器能夠承載不平衡負(fù)載，且使用3D-SVPWM調(diào)制方法能夠提高母線電壓利用率。