王明渝， 王 磊

(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400040)

0 引言

電力電子技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)電壓型逆變器的應(yīng)用［1］。逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量顯得尤為重要。理想的電壓波形通常為純正弦波，但實(shí)際上存在著很多因素使輸出波形畸變。其中一個(gè)重要的畸變因素是同一橋臂上、下兩個(gè)器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中必有一個(gè)死區(qū)時(shí)間Td，以防止橋臂直通短路;另外一些因素如開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間等。每個(gè)PWM周期內(nèi)引起的微小畸變經(jīng)積累后，會(huì)引起輸出電壓波形較大的畸變，降低基波幅值，增加低次諧波含量，增加電機(jī)的諧波損耗等。因此，尋求一種簡(jiǎn)便、有效的死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方案很有必要。

當(dāng)前對(duì)逆變器死區(qū)的研究主要集中于電壓前饋和電流反饋補(bǔ)償，文獻(xiàn)［1］提出了一種電流反饋的死區(qū)補(bǔ)償方法，該方法簡(jiǎn)單易行，但是需要準(zhǔn)確知道直流側(cè)電壓、PWM載波頻率、死區(qū)時(shí)間，以確定死區(qū)補(bǔ)償值;并且沒(méi)有對(duì)功率器件的導(dǎo)通壓降進(jìn)行補(bǔ)償，因此存在補(bǔ)償誤差。文獻(xiàn)［2-3］提出基于永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)采用干擾觀測(cè)器的方法，對(duì)逆變器的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行在線死區(qū)補(bǔ)償，該方法由于干擾觀測(cè)器的設(shè)置，補(bǔ)償電壓存在相位滯后，同時(shí)干擾觀測(cè)器的增益選擇需要一定的經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)［4］采用預(yù)測(cè)電流控制來(lái)降低逆變器死區(qū)所導(dǎo)致的零點(diǎn)電流鉗位問(wèn)題，系統(tǒng)為局部穩(wěn)定系統(tǒng)。文獻(xiàn)［5］引入死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間來(lái)補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)，死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間包含了導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和導(dǎo)通壓降，但由于死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間未知，并且隨工作點(diǎn)的不同而發(fā)生變化，因此需要在線辨識(shí)，固定的死區(qū)補(bǔ)償有時(shí)會(huì)使得補(bǔ)償誤差加大。文獻(xiàn)［6］提出了基于電流反饋和無(wú)效器件相結(jié)合的死區(qū)補(bǔ)償方法，該方法軟、硬件結(jié)合，電流方法確定有效器件且保證有效器件的開(kāi)通時(shí)間，給無(wú)效器件仍然送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以達(dá)到有效的補(bǔ)償效果。

為改善逆變器的輸出波形，本文對(duì)典型死區(qū)補(bǔ)償方法的原理進(jìn)行了具體分析，并對(duì)其進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明了所提出方法的有效性和可行性，同時(shí)通過(guò)比較兩種補(bǔ)償方法的仿真結(jié)果，得出兩種補(bǔ)償方法的優(yōu)劣。研究對(duì)于提高和改善變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，以及對(duì)死區(qū)問(wèn)題的分析有很好的借鑒意義。

1 死區(qū)效應(yīng)分析

三相全橋正弦脈寬調(diào)制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其控制電路一般采用雙極性SPWM技術(shù)。

圖1 帶異步電機(jī)的三相PWM逆變器

在傳統(tǒng)的死區(qū)效應(yīng)分析中，并不考慮開(kāi)關(guān)管的固有特性(通態(tài)管壓降和開(kāi)關(guān)時(shí)間)的影響。若考慮開(kāi)關(guān)管固有特性［7］的影響，死區(qū)效應(yīng)如圖2所示。

［7］以IGBT為例，設(shè)開(kāi)通時(shí)間為ton，關(guān)斷時(shí)間為 toff，IGBT的導(dǎo)通壓降為 Usat，二極管的導(dǎo)通壓降為Ud，正弦波給定信號(hào)幅值為U*。以電流ia流向電機(jī)為正方向，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)取平均值進(jìn)行分析。

圖2 考慮開(kāi)關(guān)特性的逆變器死區(qū)效應(yīng)波形圖

(1)當(dāng)電流i＞0時(shí)，若D2導(dǎo)通:

若S1導(dǎo)通:

(2)當(dāng)電流i＜0時(shí)，同理可推出:

因此，當(dāng)考慮到開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響時(shí)，誤差電壓不只與輸出電流的極性有關(guān)，還與輸出電流的大小和調(diào)制波的大小有關(guān)。

通過(guò)以上推導(dǎo)，本文在考慮死區(qū)補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)對(duì)管壓降等進(jìn)行補(bǔ)償考慮，對(duì)兩種典型的死區(qū)補(bǔ)償方案進(jìn)行仿真，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。

2 死區(qū)補(bǔ)償方案

死區(qū)補(bǔ)償方法多種多樣，但從具體實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，有的采用硬件、有的采用軟件、有的采用軟硬件結(jié)合的方法，因此從中選擇具有代表性的電流反饋補(bǔ)償方法，以及基于電流反饋和無(wú)效器件相結(jié)合的補(bǔ)償方法進(jìn)行具體研究。

2.1 電流反饋死區(qū)補(bǔ)償法

文獻(xiàn)［1］提出的電流反饋型死區(qū)補(bǔ)償原理是通過(guò)檢測(cè)三相電流的極性來(lái)確定死區(qū)的補(bǔ)償電壓。即:需要檢測(cè)相電流的極性，并將其變成方波電壓，加到每相的調(diào)制波上，該方波電壓使逆變器產(chǎn)生一個(gè)與電流相位相同、與誤差波形相似的補(bǔ)償電壓。電流反饋型死區(qū)補(bǔ)償方法的原理框圖如圖3所示，由此來(lái)建立MATLAB仿真圖進(jìn)行仿真研究。

圖3 電流反饋補(bǔ)償原理框圖

圖4是電流反饋死區(qū)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償模塊。造成逆變器輸出波形畸變的原因除了死區(qū)效應(yīng)外，開(kāi)關(guān)器件的非理想特性(如導(dǎo)通壓降、開(kāi)關(guān)延遲等)也會(huì)使逆變器的輸出波形產(chǎn)生畸變，文獻(xiàn)［1］沒(méi)有考慮開(kāi)關(guān)管固有特性的影響。

圖4 電流反饋補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償模塊圖

根據(jù)前文分析，在補(bǔ)償中對(duì)開(kāi)關(guān)管固有特性同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)際補(bǔ)償值為

其中:2Udc/π是由PWM法調(diào)制的輸出電壓進(jìn)行傅里葉分解得到的基波幅值電壓;Ue為由式(6)或式(7)決定的死區(qū)誤差值。

2.2 基于無(wú)效器件補(bǔ)償方法

2.2.1 死區(qū)補(bǔ)償原理分析

文獻(xiàn)［6］提出了基于電流反饋和無(wú)效器件相結(jié)合的死區(qū)補(bǔ)償方式，該方法首先檢測(cè)逆變器輸出的電流方向，再根據(jù)電流方法確定有效器件且保證有效器件的開(kāi)通時(shí)間，該方法是在原驅(qū)動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上加以補(bǔ)償，給無(wú)效器件仍送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

由于在MATLAB中既沒(méi)有類似數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing，DSP)的死區(qū)單元，也沒(méi)有讓驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接置0或置1的功能，只能通過(guò)邏輯運(yùn)算來(lái)完成，因此，其補(bǔ)償過(guò)程與DSP補(bǔ)償過(guò)程有所不同，但結(jié)果相同，圖5即為無(wú)效器件A相補(bǔ)償框圖。

圖5 無(wú)效器件A相補(bǔ)償框圖

2.2.2 管壓降補(bǔ)償

考慮開(kāi)關(guān)器件非理想特性，根據(jù)前文考慮管壓降的死區(qū)分析，討論管壓降引起的電壓誤差。

由式(6)、(7)只考慮開(kāi)關(guān)管固有特性可得:

(1)當(dāng)電流i＞0時(shí)，

(2)當(dāng)電流i＜0時(shí)，

對(duì)開(kāi)關(guān)固有特性進(jìn)行補(bǔ)償，采用與電流反饋相同的補(bǔ)償方法，如圖5所示。實(shí)際補(bǔ)償值為

式中:Ue′為由式(9)或式(10)決定的誤差值。

3 仿真比較

為了便于對(duì)比結(jié)果，仿真中使用三個(gè)完全相同的異步電動(dòng)機(jī)，但其驅(qū)動(dòng)信號(hào)各不相同，第一臺(tái)電機(jī)采用無(wú)補(bǔ)償?shù)募尤胨绤^(qū)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng);第二臺(tái)電機(jī)的逆變器采用第一種補(bǔ)償方法補(bǔ)償后的驅(qū)動(dòng)信號(hào);第三臺(tái)電機(jī)的逆變器采用第二種補(bǔ)償方法補(bǔ)償后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下:PWM逆變器輸出頻率為60 Hz，載波頻率6 kHz，調(diào)制系數(shù)0.9，死區(qū)時(shí)間10 μs，逆變器直流側(cè)電壓600 V。電機(jī)選用三相籠型異步電機(jī)，額定容量為3 kVA，額定電壓300 V，額定頻率60 Hz，定子電阻0.019 65 Ω，定子漏感0.039 7 H，轉(zhuǎn)子電阻0.019 09 Ω，轉(zhuǎn)子漏感0.039 7 H，定子繞組互感1.354 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.095 26 kg·m2，粘滯摩擦系數(shù)0.054 79 N·m·s，極對(duì)數(shù)為2，電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行。

圖6是采用兩種補(bǔ)償方式后的電流波形的對(duì)比，圖7是兩種補(bǔ)償方法的電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比，圖8是采用兩種方法的轉(zhuǎn)速對(duì)比。圖9～11是未補(bǔ)償和采用這兩種補(bǔ)償方法補(bǔ)償后的定子電流諧波FFT分析圖。

圖6 輸出電流波形對(duì)比

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖9 未補(bǔ)償時(shí)的電流諧波分析THD=8.74%

圖10 第一種方法補(bǔ)償后的電流諧波分析THD=6.06%

圖11 第二種方法補(bǔ)償后的電流諧波分析THD=3.94%

由圖6～8未補(bǔ)償和補(bǔ)償后的對(duì)比圖可得，對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償使定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速的波形得到明顯改善。圖6～8中的圖(b)是采用方法一電流反饋死區(qū)補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償后的波形，可以看出當(dāng)死區(qū)補(bǔ)償值與理論計(jì)算值(按式(8)計(jì)算)一致時(shí)，死區(qū)效應(yīng)能夠明顯得到改善。圖6～8中的圖(c)是采用第二種方法基于電流反饋和無(wú)效器件相結(jié)合的死區(qū)補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償后的波形，可以看到該方法能夠更好地補(bǔ)償，這一點(diǎn)也可以從圖9～11看出來(lái)，不帶死區(qū)補(bǔ)償總諧波失真 (TotalHarmonicDistortion，THD)為8.74%，用方法1補(bǔ)償后THD為6.06%，用方法2補(bǔ)償后的THD為3.94%。在兩種方法補(bǔ)償中都考慮了開(kāi)關(guān)器件的固有特性。

通過(guò)以上仿真結(jié)果可以看出，對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償后，能明顯改善電機(jī)定子電流波形，其中方法2的補(bǔ)償效果要比方法1好，另外用方法2補(bǔ)償后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯改善，轉(zhuǎn)速也明顯平穩(wěn)。

從上述仿真結(jié)果可看出，電流反饋型補(bǔ)償方法，以及基于電流反饋和無(wú)效器件相結(jié)合的死區(qū)補(bǔ)償方法都能夠明顯削弱死區(qū)效應(yīng)的影響，提高系統(tǒng)的性能。但電流反饋型補(bǔ)償方法在實(shí)際應(yīng)用中需準(zhǔn)確無(wú)誤地檢測(cè)三相電流的極性，考慮零電流鉗位的影響，檢測(cè)三相電流的極性存在著滯后性和誤檢測(cè)，所以影響補(bǔ)償效果，另外需要離線測(cè)量死區(qū)設(shè)定時(shí)間，來(lái)計(jì)算出相應(yīng)的死區(qū)補(bǔ)償值。基于電流反饋和無(wú)效器件相結(jié)合的死區(qū)補(bǔ)償方法是基于DSP的死區(qū)補(bǔ)償方法，這里僅在MATLAB中對(duì)其仿真效果進(jìn)行仿真研究。該方法通過(guò)檢測(cè)電流方向，然后根據(jù)電流方向判斷有效器件，對(duì)DSP比較寄存器的值作修改，保證有效器件的開(kāi)通時(shí)間，從而起到補(bǔ)償效果。由于該方法只是在原驅(qū)動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上加以補(bǔ)償，因此在零區(qū)域不會(huì)使逆變器輸出波形產(chǎn)生畸變，能夠達(dá)到更好的補(bǔ)償效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)當(dāng)考慮死區(qū)的同時(shí)考慮到開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響時(shí)，產(chǎn)生誤差電壓不只與輸出電流的極性有關(guān)，還與輸出電流的大小和調(diào)制波的大小有關(guān)。

(2)死區(qū)效應(yīng)及開(kāi)關(guān)管的固有特性給輸出電壓、電流造成嚴(yán)重的波形畸變和基波電壓損失，而且所產(chǎn)生的低次諧波會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)死區(qū)補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，文中?duì)兩種補(bǔ)償方法進(jìn)行具體仿真研究，電流反饋補(bǔ)償以及基于電流反饋和無(wú)效器件相結(jié)合的補(bǔ)償方式，兩種補(bǔ)償方法都需要對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè)，但是第二種補(bǔ)償方法是基于DSP的死區(qū)補(bǔ)償方式，文中在MATLAB/Simulink中對(duì)其仿真效果進(jìn)行了仿真研究。可以看到其補(bǔ)償效果要比方法1好。

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