一種DPWM過調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

田 星，李 嵐

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

0 引 言

脈寬調(diào)制(以下簡(jiǎn)稱PWM)技術(shù)廣泛應(yīng)用于三相電壓源逆變器，鑒于傳統(tǒng)間矢量脈寬調(diào)制(以下簡(jiǎn)稱SVPWM)在開關(guān)管損耗、諧波畸變率、直流側(cè)電壓利用率等方面不能達(dá)到綜合最優(yōu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種基于SVPWM算法：文獻(xiàn)[1]分析推導(dǎo)了不連續(xù)脈寬調(diào)制(以下簡(jiǎn)稱DPWM)，并總結(jié)出采用DPWM策略時(shí)需要在開關(guān)損耗與諧波畸變之間權(quán)衡；文獻(xiàn)[2-3]分別研究了單一考慮開關(guān)損耗或諧波畸變情況下，采用DPWM1相電壓調(diào)制波諧波畸變率小，采用DPWM3時(shí)逆變器開關(guān)損耗最小；文獻(xiàn)[4]提出了擴(kuò)大線性調(diào)制區(qū)的五段式PWM 能有效利用直流側(cè)電壓來(lái)提高逆變器輸出基波電壓；文獻(xiàn)[5]分析了SPWM優(yōu)化過調(diào)制具有諧波少的優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)[6]總結(jié)出過調(diào)區(qū)調(diào)制度與諧波畸變率的密切聯(lián)系。

針對(duì)上述算法均未考慮開關(guān)管損耗、諧波畸變率、直流側(cè)電壓利用率三者統(tǒng)一效果的不足，本文提出了一種改進(jìn)的DPWM過調(diào)制技術(shù)，通過在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真證明，調(diào)速系統(tǒng)性能在多方面得以提升進(jìn)而達(dá)到了綜合最優(yōu)的效果。

1 SVPWM過調(diào)制原理

SVPWM基本電壓矢量及扇區(qū)分布如圖1所示。

圖1 空間電壓矢量及扇區(qū)分布圖

根據(jù)伏秒平衡原理:

UTS=UxT1+UyT2

(1)

式中：U為給定電壓矢量(逆變器輸出電壓矢量)；Ux、Uy為合成給定電壓矢量的兩個(gè)相鄰基本電壓矢量，并按照逆時(shí)針方向規(guī)定順序?yàn)閁x在前，Uy在后；T1為Ux作用時(shí)間，T2為Uy作用時(shí)間；TS為開關(guān)周期。定義調(diào)制比m：

(2)

式中：Ud為直流側(cè)電壓值。

根據(jù)調(diào)制比m不同，分為3個(gè)區(qū)域：當(dāng)m<0.906時(shí)為線性調(diào)制區(qū)；0.906≤m<0.952時(shí)為過調(diào)制I區(qū)；0.952≤m<1時(shí)為過調(diào)制Ⅱ區(qū)。

圖2為過調(diào)制區(qū)合成電壓矢量的軌跡圖。

圖2 過調(diào)制I區(qū)和過調(diào)制II區(qū)合成電壓矢量軌跡

過調(diào)制I區(qū)αr和Ⅱ區(qū)αh簡(jiǎn)化公式[7]：

(3)

(4)

下面定義變量γ：

計(jì)算各個(gè)區(qū)域合成給定矢量的基本電壓矢量及零矢量作用時(shí)間T1、T2、T0。

(1)SVPWM線性調(diào)制區(qū)(m<0.906)

(5)

T0=TS-T1-T2

(2)過調(diào)制I區(qū)(0.906≤m<0.952)

(6)

T0=TS-T1-T2

(7)

T0=0

(3)過調(diào)制Ⅱ區(qū)(0.952≤m<1)

①當(dāng)0≤α<αh即γ<0時(shí)，

T1=TS，T2=0，T0=0

(8)

(9)

T0=0

T1=0，T2=TS，T0=0

(10)

通過對(duì)比不同區(qū)域時(shí)間計(jì)算公式不難發(fā)現(xiàn)，在式(5)～式(7)、式(9)中，T1與T2總是保持下列形式的關(guān)系：

(11)

文獻(xiàn)[8]介紹了SVPWM線性調(diào)制區(qū)仿真模型及軟件實(shí)現(xiàn)過程，下面承接SVPWM線性調(diào)制區(qū)的計(jì)算來(lái)推導(dǎo)過調(diào)制I區(qū)。

(12)

同理，根據(jù)過調(diào)制Ⅱ區(qū)計(jì)算公式，式(9)的實(shí)現(xiàn)也按照式(12)。

因此，只需要在根據(jù)m確定運(yùn)行區(qū)域并判斷γ大小，在不改變SVPWM線性調(diào)制區(qū)算法式(5)的基礎(chǔ)上，加入式(8)、式(10)、式(12)限制，就可以完整實(shí)現(xiàn)全區(qū)域時(shí)間參數(shù)計(jì)算。

2 DPWM過調(diào)制

2.1 SVPWM算法原理

在線性調(diào)制區(qū)內(nèi)，由給定電壓矢量U在α-β坐標(biāo)系下分量Uα、Uβ計(jì)算A、B、C和S,由S確定扇區(qū)號(hào)N，如表1所示。

(13)

表1 S與扇區(qū)號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

T1、T2可通過X、Y、Z的計(jì)算得出：

(14)

若在SVPWM線性調(diào)制區(qū)，則各扇區(qū)對(duì)應(yīng)T1、T2可直接查表2得出；若在過調(diào)制區(qū)，再加入式(8)、式(10)、式(12)修正得出。

2.2 DPWM算法原理

不連續(xù)脈寬調(diào)制DPWM實(shí)現(xiàn)開關(guān)管在一個(gè)三角載波周期內(nèi)僅使用零矢量V0或僅使用V7。如圖3所示，DPWM1是在以基本矢量V1、V3、V5為中心的60°區(qū)間選用V7，剩余區(qū)間選用V0；DPWM2是在奇數(shù)扇區(qū)選用V7，剩余區(qū)間選用V0[9]。

表2 不同扇區(qū)基本電壓矢量作用時(shí)間

圖3 DPWM1和DPWM2扇區(qū)分布圖

圖4 僅使用V0或僅使用V7時(shí)開關(guān)序列圖

僅使用V0和僅使用V7時(shí)開關(guān)序列如圖4所示。一周期開關(guān)次數(shù)由SVPWM的6次減少到4次，損耗減少1/3。由圖4得到矢量切換點(diǎn)：

(15)

(16)

綜上所述，推導(dǎo)出DPWM1、DPWM2不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的矢量切換點(diǎn)對(duì)應(yīng)值Ton1、Ton2、Ton3，如表3、表4所示。

表3 DPWM1不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的矢量切換值

表4 DPWM2不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的矢量切換值

2.3 DPWM過調(diào)制算法原理

結(jié)合DPWM和過調(diào)制原理，得到不同DPWM的調(diào)制算法，可以滿足各個(gè)區(qū)域任意調(diào)制比輸出有效的電壓矢量，其流程圖如圖5所示，此時(shí)逆變器可以輸出全區(qū)域平滑相電壓調(diào)制波。

圖5 DPWM全區(qū)域算法流程圖

圖6 3種算法下線性調(diào)制區(qū)相電壓調(diào)制波

圖6是在10 kHz開關(guān)頻率下分別采用SVPWM、DPWM1、DPWM2方法，線性調(diào)制區(qū)的50 Hz相電壓調(diào)制波，設(shè)置等腰三角載波幅值為0.000 05，可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，DPWM相電壓調(diào)制波總有被強(qiáng)制為幅值為0或0.000 05的頂點(diǎn)，此時(shí)一個(gè)橋臂上的開關(guān)不動(dòng)作，減少了1/3開關(guān)損耗。

3 DPWM過調(diào)制仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)上搭建異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)采用與仿真相同的參數(shù)，異步電機(jī)(2.2 kW,380 V)的額定轉(zhuǎn)速nN=1 420 r/min,極對(duì)數(shù)為2，定子額定電壓頻率fN=50 Hz，額定電流I1 N=5 A。直流側(cè)電壓Udc=514.59 V，定、轉(zhuǎn)子參數(shù)統(tǒng)一折算到定子側(cè)，電阻Rs=3.2 Ω,Rr=2.965 8 Ω,漏感Lls=0.014 3 H,Llr=0.014 3 H,互感Lm=0.265 4 H。將DPWM全區(qū)域算法應(yīng)用到異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，要求逆變器輸出頻率幅值均可變的電壓，滿足異步電機(jī)磁通恒定。隨著轉(zhuǎn)速升高，逆變器輸出電壓幅值增大，直流側(cè)電壓的設(shè)定已保證50 Hz時(shí)的電壓幅值(即異步電機(jī)為額定轉(zhuǎn)速)過渡到DPWM過調(diào)制區(qū)域。采用SVPWM、DPWM1和DPWM2全區(qū)域算法進(jìn)行仿真，仿真在0.2 s突加額定負(fù)載。

對(duì)0.2 s加額定負(fù)載后實(shí)現(xiàn)FFT分析，圖7為不同策略下a相相電壓調(diào)制波形。

圖7 定子相電壓調(diào)制波形及諧波分析圖

由圖7看出，相比傳統(tǒng)SVPWM線性調(diào)制，采用DPWM1過調(diào)制技術(shù)，電壓波形諧波畸變率由原來(lái)的13.42%減小為8.00%，并且相電壓基波調(diào)制波幅值由1.911×10-5提高到2.701×10-5。圖8為不同策略下a相定子電流頻譜圖。在DPWM1過調(diào)制下，定子電流波形諧波畸變率由13.21%減小為4.43%。綜上分析，采用全區(qū)域DPWM調(diào)制算法是正確可行的，并且在過調(diào)制區(qū)的作用效果尤為見效。

圖8 定子相電流調(diào)制波形及諧波分析圖

圖9為異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載時(shí)，采用SVPWM、DPWM1和DPWM2過調(diào)制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用DPWM1過調(diào)制效果綜合最佳,a相定子電流有效值約為6.36 A，大于SVPWM的5.21 A,直流側(cè)電壓約為513 V，小于SVPWM的570 V，直流側(cè)電壓利用率大幅提高；a相定子電壓出現(xiàn)不連續(xù)的空白區(qū)，在此區(qū)域a相橋臂開關(guān)管不動(dòng)作，此時(shí)a相定子電流較大，進(jìn)而減小了開關(guān)損耗；DPWM1過調(diào)制a相定子電流波形平滑，毛刺比較小。綜上分析與仿真基本吻合，說明DPWM過調(diào)制技術(shù)有效可行。

圖9 a相定子電壓電流實(shí)驗(yàn)波形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種將DPWM和過調(diào)制結(jié)合的技術(shù)，并研究了其全區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的簡(jiǎn)單算法。本算法建立在傳統(tǒng)SVPWM基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)流程并未復(fù)雜化。通過異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法正確可行，并在過調(diào)制區(qū)內(nèi)提高直流側(cè)電壓利用率、降低異步電機(jī)定子側(cè)電壓電流諧波畸變率、減少開關(guān)損耗方面有顯著作用。