（控制理论与控制工程专业论文）逆变器死区效应机理和典型补偿方法的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 目前，s p w m 交一直交逆变器已成为交流变频调速系统中普遍采用的变流 装置。但是随着现代电力电子装置开关频率的不断提高，p w m 电压型逆变器中 的死区效应问题对系统的影响日显突出。死区效应问题引起广大学者的关注，补 偿死区成为改善逆变器输出波形的一个重要课题。 本论文从分析逆变器的死区入手，详细分析了它对逆变器输出电压和整个系 统的影响，死区效应使得输出基波电压下降，相位发生变化，低次谐波增加。特 别是在输出电压很低的情况下，这种影响将会变得十分严重，转矩脉动增大，甚 至可能导致调速系统的不稳定，因此为了保证变频调速系统的良好运行，需要对 死区的不良影响进行补偿。 本文在介绍常见几种死区补偿方法基本思路的基础上，对电流反馈犁补偿方 法和基于扰动观测器的死区补偿方法进行了具体的m a t l a b 仿真研究，仿真结果表 明所提出方法的有效性和可行性。 最后，通过比较上述两种补偿方法的仿真结果，得出两种补偿方法的优劣。 本文的研究对于提高和改善变频调速系统的性能以及对死区问题的研究有 很好的借鉴意义。 关键词：p w m 逆变器死区效应补偿仿真 a b s t r a c t a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h es p w ma c d c a ci n v e r t e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e m p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e ，t h ef r e q u e n c yo ft h e s w i t c hi sb e i n gh e i g h t e n e dc o n s t a n t l y , d e a d t i m ee f f e c ti sm o r ea n dm o r es e r i o u st o a f f e c tt h ew h o l es y s t e m d e a d - t i m ee f f e c ti s s u ea r o u s e st h ea t t e n t i o no fm a n ys c h o l a r s ， t oc o m p e n s a t et h ei n f l u e n c e so fd e a d t i m eb e c o m e sa l li m p o r t a n ts u b j e c tt oi m p r o v e t h ew a v e f o r m so fi n v e r t e r f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e a d t i m ea n di t se f f e c to nt h ei n v e r t e ro u t p u t v o l t a g ea n dt h ew h o l es y s t e m t h ee f f e c to fd e a d - t i m er e s u l t si nr e d u c t i o no ft h e f u n d a m e n t a lc o m p o n e n to fi n v e r t e rv o l t a g e ，p h a s es h i f t i n ga n da d d i t i o no fu n w a n t e d l o wo r d e rh a r m o n i c s s p e c i a l l yw h e no u t p u tv o l t a g ei sv e r yl o w , t h ed i s t o r t e dv o l t a g e m a yg i v er i s e t os e r i o u sp r o b l e m sa n di n c r e a s e dt o r q u er i p p l e s , w h i c hr e s u l t si n u n s t a b l eo p e r a t i o no ft h es y s t e m s oi ti sn e c e s s a r yt oc o m p e n s a t ed e a d t i m ee f f e c tf o r t h eh i g hp e r f o r m a n c eo p e r a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m s e c o n d l y c u r r e n tf e e d b a c kf o rd e a d - t i m ec o m p e n s a t i o nm e t h o da n do n 1 i n e d e a d - t i m ec o m p e n s a t i o nm e t h o du s i n gd i s t u r b a n c eo b s e r v e ra r es t u d i e d ，o nt h eb a s e o f p r e s e n t a t i o nv a r i o u sc o m p e n s a t i o nm e t h o d s m a t l a bs i m u l a t i o ni su s e dt op r o v et h e a v a i l a b i l i t ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dt w os c h e m e s l a s t l y , t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h et w oc o m p e n s a t i o nm e t h o d si s s h o w ni nt h ep a p e rb yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep r o p o s e dt w os c h e m e s t h es t u d i e so ft h i sp a p e rh a v et h ev a l u ef o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea c m a c h i n ed r i v e ra n dt h ef u r t h e rs t u d yo ft h ed e a d - t i m ee f f e c t k e yw o r d s ：p w m ，i n v e r t e ld e a d t i m ee f f e c t ，c o m p e n s a t i o n ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同【作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豫怠泵 签字同期： 2 形7 年 j 月2 乡同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 像慈沫导师签名：镁乏 签字闩期： 2 莎7 年 7 月2 多r 签字门期：7 年月矽同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 逆变器死区的产生及影响 1 1 1 交流调速系统的发展概况 直流电气传动和交流电气传动先后诞生于1 9 世纪。在2 0 世纪8 0 年代之前， 直流电动机在变速传动领域中一直占据主导地位，而交流电动机主要用于不变速 传动。但直流电动机本身结构上的弱点，使直流调速受到了一系列限制【1 1 。从2 0 世纪6 0 年代，电气传动领域进行了一场交流电动机取代直流电动机的重要技术 变纠2 1 。1 9 6 4 年德国的a s c h o n u n g 等率先将通讯系统中的调制技术推广应用于交 流变频，构成p w m 变频器，为现代交流调速系统开辟了新的发展领域，1 9 7 1 年 e b l a s c h l c e 提出了交流电动机矢量控制原理，使交流调速得到了飞速发展【3 】。总 体上讲，交流调速理论及应用技术大致沿四个方面发展【i 】： ( 1 ) 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交 流调速的发展。目前，电力电子器件已经经历了从分立换流关断器件一自关断器 件一功率集成电路一智能模块四代的变革，其中用第二代电力电子器件制造的变 频装置在性能和价格比上已可以与直流调速装置相媲美。 ( 2 ) 脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，在交流 调速技术的普及方面发挥了重大作用。 ( 3 ) 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的 基础。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统比直流调速系统有更高的优越性。 ( 4 ) 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代 交流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。 从交流调速系统的调速方法来看，主要经历了由调压调速、电磁转差离合器 调速、串级调速、变极调速到变频调速的发展1 2 ) 。在这些调速方法中，由于变频 调速效率最高、性能最好而得到广泛的应用。 1 1 2 脉宽调制型逆变器 目前，交流变频调速系统已经在工业企业中得到了广泛应用。在交流调速系 统巾，变频器是其中的重要组成部分，在p w m 脉宽调制技术应用于变频器之后， s p w m 交一直一交变频器成为交流调速系统中普遍采用的变流装置，原理框图如 第一章绪论 图1 1 所示。其中整流器( ( j r ) 是不可控的，整流器的输出电压经电容滤波后形 成恒定幅值的直流电压，然后再经过逆变器( u i ) 输出一系列宽度不等的矩形脉 冲，用来控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期控制输出频率， 从而在逆变器上可同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压和 频率协调控制的要求。 u ru i 图1 1p w m 交一直一交变频器原理框图 脉宽调制型逆变器不仅结构简单，而且输入功率因数保持不变，输出谐波大 为减小。在采用较高的逆变器开关频率时，逆变器输出波形已非常逼近正弦，因 而成为当前应用最广的一种逆变器形式。采用脉宽调制型逆变器具有以下主要特 占【3 】 ( 1 ) 主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构。 ( 2 ) 采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1 ，且与输出电压大小无 关。 ( 3 ) 逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流滤波器参 数的影响。 ( 4 ) 可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，因而转矩 脉动小，大大扩展了传动系统的调速范围，提高了系统的性能。 1 1 3 逆变器死区的产生及影响 p w m 技术的发展促进了变频器技术的不断提高。随着各种高性能p w m 技 术的不断涌现，在交流调速和伺服系统中扮演重要角色的变频器的控制问题似乎 已完全解决，而事实并非如此，最主要的原因是逆变器中死区的存在。 逆变器是整流器的逆向变换装置，其作用是通过电力电子功率开关器件的开 通和关断，把直流电能变换成交流电能。而电力电子开关器件都具有一定的、不 可控的固有开通和关断时间，且一般开关器件的开通时间小于关断时间。在三相 桥式逆变器系统中，同一相 二、下桥臂的两个开关器件工作在互补状态。如果将 互补的控制信号加到同一相卜、下桥臂的两个开关器件的控制极上，那么这两个 开关器件将会发生“直通”现象。因此，为了保证逆变电路的安全工作，必须在 逆变器同一相上、下桥臂两个开关器件的通断信号间设置一段死区时间【2 】【4 】【5 】【6 1 ， 第一章绪论 使上桥臂导通的功率器件关闭后，经过一定的时间再使下桥臂功率器件触发，这 段时间就称为死区。在死区期间内上、下桥臂的功率器件都处于关断状态。 尽管死区时间很短，为微秒级，仅占开关周期的百分之几，单个脉冲不足以 影响系统的性能，但连续考虑一个周期的效应积累足以使电动机的定子电压受到 很大的影响，特别是在开关频率很高的场合，死区时间对变频器输出电压和输出 电流的影响也愈来愈严重。在低速以及调制频率很高时，死区将会导致逆变器输 出电压含有很大的谐波分量，进而增加电机附加损耗，使转矩发生很大的脉动， 甚至可能导致系统不稳定而发生振荡现象。尽管这些影响在载波频率较低且性能 要求不高的调速系统中表现得不很明显，但在低速运行时基波下降和谐波的影响 将达到不可容忍的程度。各种资料显示的逆变器实际输出电压频谱表明，死区的 影响在某些低速范围内可使基波下降2 5 ，同时使谐波增长了3 8 倍【7 1 。因此， 对逆变器的死区效应进行补偿是非常必要的。 1 2 死区补偿研究现状 为了进一步提高变频调速性能，死区造成的影响已经越来越引起人们的关 注，因此国内外学者开展了大量的工作，研究和探讨逆变器死区的补偿问题。 死区补偿的基本思想可以从以下方面来考虑，一方面从电源的角度出发，其 着眼点是如何使逆变器成为一个可以按照所需要求进行调频调压的三相对称正 弦波电源；另一方面从电动机的角度出发，其着眼点是如何使电动机获得一个理 想的圆形磁场，把输出电流矢量和偏差电压矢量转化到同步旋转坐标系下进行补 偿，以克服滞后性问题，但在硬件和软件的实现方面增加了复杂程度；另外还可 以从抑制谐波的角度出发，尤其是针对低频时谐波分量相对比较高的特点，计算 出特定的p w m 波，对所选用的功率器件作相应补偿【8 】o 当前对逆变器死区的研究主要集中于电压前馈和电流反馈补偿，j e o n g sj 【9 】 等人通过分析逆变器的参考电压和输出电压的误差，根据死区时间和直流母线电 压进行补偿，这种方法简单易行，但是由于没有对功率器件的导通压降进行补偿， 因此存在补偿误差：c h o ij 1 0 l 等人引入死区补偿时间来补偿死区效应，死区补 偿时间包含了导通时间、关断时间和导通压降，但是山于死区补偿时间未知，并 且随工作点的不同而发生变化，因此需要在线辨识，固定的死区补偿有时会使得 补偿误差加大；u r a s a l dn 】和k i mh 【眩】等人基于永磁同步电动机交流伺服系统 采用干扰观测器的方法对逆变器的死区效应进行存线死区补偿，该方法把逆变器 死区和开关器件的非理想特性所造成的转子交直轴电压作为干扰电压进行在线 估计，然后反馈到逆变器参考电压进行电压前馈补偿，该方法由于干扰观测器的 第一章绪论 设置，补偿电压存在相位滞后，同时干扰观测器的增益选择需要一定的经验； m u r a iy t 1 3 】等人采用裂分零电压矢量的方法来解决逆变器死区所导致的零电流钳 位问题，然而死区对于电压的影响仍然需要补偿；c h o ij 【1 4 l 等人兼顾电压补偿 和消除零电流钳位问题，但是由于补偿电压和工作点有关，通过平均电压补偿误 差电压消除零电流钳位现象仍存在补偿误差：s u m m e r st t 1 5 】等人采用预测电流控 制来降低逆变器死区所导致的零点电流钳位问题，系统为局部稳定系统。 从实现方式上死区补偿主要有两个大的方向：硬件补偿和软件补偿。硬件补 偿策略需要增加硬件，通过输出实际电压和电压参考值比较得到需要补偿的电压 信号。软件补偿采用纯软件的方法，在电机的控制程序中加入死区补偿的算法， 来实现对死区补偿的影响，这种方法不需要添加硬件，且更加灵活，适应性强。 具体的死区补偿有多种方法，如：电流反馈补偿、电压反馈补偿、死区解耦 补偿方法、死区电压矢量调制法、直接检测电流过零点的方法、预测电流过零点 的死区补偿方法、基于自适应模糊逻辑的死区补偿法、改变开关频率补偿死区法、 基于脉冲技术的补偿方法、反馈校正补偿死区等。 1 3 论文研究的内容和结构 1 3 1 本论文研究的内容 本文首先从逆变器的死区入手，详细分析死区效应的机理及对逆变器输出电 压和整个系统的影响，提出死区补偿的重要性，然后在简单介绍常见死区补偿方 法基本思路的基础上，优选典型补偿方法( 电流反馈型补偿和基于扰动观测器的 死区补偿) ，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件建造实际电动机开环系统的仿真模 型进行仿真，比较优、缺点。本文的研究内容，为今后在实际中选择死区补偿方 案提供了很好的依据。 1 3 2 本论文研究的结构 本论文共分为三章，第一章为绪论部分，包括问题的提出及对前人的研究成 果的简单叙述，并对文章的整体内容及结构进行了简单介绍；第二章对死区效应 的机理进行了分析，并重点分析了死区对逆变器输出电压及整个系统的影响，提 出死区补偿的重要性；第三章是论文的仿真研究部分，在简介常见补偿方法的基 础上，详细论述了典型补偿方法仿真研究的整个过程和实现细节，并对仿真结果 进行分析、比较。 第二章逆变器死区效应机理分析 2 1 死区效应 第二章逆变器死区效应机理分析 2 1 1s p w m 逆变器的调制原理 由于p w m 逆变器的输出电压波形非常逼近正弦波，所以也称为正弦脉宽调 制( s p w m ) 逆变器。所谓的s p w m 波形就是与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。假设把一个正弦的正半 波分为n 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面 积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等 分的中点相重合。这样由n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的 半周等效，称为s p w m 波形【3 1 。三相s p w m 逆变器就是采用一k 面所述的调制原理 将给定的正弦波调制成为一定幅值和频率的p w m 波形。 图2 1 是s p w m 变压变频器主电路的原理图，也是本论文研究问题的主电 路原理图，分为三个组成部分：整流部分( 由6 个二极管组成) 、中间部分( 由滤 波电容组成) 、逆变部分( 由v 王一v 已六个全控型功率开关器件i g b t 组成，它 们分别与一续流二极管反向并联) 。整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提 供的直流电压为以。 z王2王zs 近二掣z s 鼍z s 删z 王a 2 o b 【 cl z王2s 2s 班二v 高z 5 齑js 高j 玉 2 图2 一ls p w m 变j 卡变频器主电路原理图 从图中看到，在采用变频器供电的开环系统中，主电路并不复杂，主要在于 其控制电路。控制电路的核心是逆变器的触发信号产生部分，根据上面所述的面 积等效原则，s p w m 脉冲宽度可以严格地使用计算机计算出来，然后经过驱动 电路去触发功率器件。最简单的脉宽调制方法是利用正弦波作为基准的调制波， 用三角波作载波。当调制波与三角波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件 第二章逆变器死区效应机理分析 的通断时刻，称为自然采样法。 对于自然采样法，如果对调制正弦波的正、负半周分别用一系列正、负脉冲 等效，则这时的s p w m 波称为单极式s p w m ，这样的波形在半个周期内的脉冲电 压仅在“正”( 或“负”) 和“零”之间变化；如果让同一相上、下桥臂的两个开 关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到双极 式的s p w m 波形。s p w m 波形生成时应注意以下两点【l6 】： ( 1 ) 载波比应为3 的整数倍； ( 2 ) 尽可能抑制3 k 1 次谐波电压( k 为整数) ，尤其是低次谐波。 图2 1 所示的三相逆变器采用双极式调制方法，现在以彳相为例做具体阐述。 图2 2 所示为双极式s p w m 逆变器的三相输出波形，图( a ) 为三相调制波与双极 性三角载波，当彳相的调制波电压甜。高于载波电压”，时，v 王导通，v 疋关断， 相对于直流侧电容器上的电压中点，a 相的输出电压为+ 2 ；反之，当彳相 调制波电压。低于载波电压以时，v 王关断而v 卫导通，彳相的输出电压为 2 。所以彳相输出电压是以+ 力和2 为幅值作正负跳变的脉冲波形， 如图2 2 ( b ) 所示。同理，另外两相v e 和v 已以及v 王和v 已也是按照这样的规律 动作，逆变器输出为正负跳变的脉冲波形，分别如图2 2 中的( c ) 、( d ) 所示。图 ( e ) 是线电压甜。的p w m 波形和等效的正弦波形。 u d 2 ( b ) u 。p 避妊蹦哥哥甜拇， 搭矸龇叫觇脚硷小州 图2 2 双极式s p w m 逆变器输出波形 从图2 2 得出，当三角载波的频率很高时，逆变器的输 波形能够很好地复 现给定的正弦电压波形，通过改变调制波的幅值和频率就能够很好地控制输出电 第二章逆变器死区效应机理分析 压，使电动机达到指定的转速。 2 1 2s p w m 逆变器的死区效应 2 1 2 1s p w 逆变器的死区概念 s p w l v i 逆变器为交流调速带来了很多方便，但是逆变器中死区的存在影响 了p w m 方案的应用效果。 任何固态的电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。对于确定的开 关器件，固有的开通和关断时间是不可控的，这必然引起开关器件输出与输入控 制信号的偏移，通常称此为开关死区时间。三相桥式逆变器系统中，同一相上、 下桥臂的两个开关器件工作为互补状态。由于一般开关器件的开通时间小于关断 时间，因此如果将互补的控制信号加到同一相上、下桥臂的两个开关器件的控制 极上，那么这两个开关器件将会发生“直通”，其后果非常严重。所以，目前的 逆变器系统广泛采用时间延迟的控制技术，即将理想的控制信号上升沿延迟一段 时间，通常称此为控制死区时间。在控制死区时间内，开关器件是不可控的。 对于电压型逆变系统，其主电路的典型模式为桥式电路，现将图2 1 所示的 主电路图中的整流部分由直流电压源代替，逆变器部分和负载部分如图2 3 所示， 图中v 王、为功率元件，v d 。为续流二极管。图2 - 4 ( a ) 描述了开关死区效应波形。 图2 - 4 ( b ) 描述了控制死区效应波形( 此时认为主开关器件是理想器件) 。 图2 3 三相电压源逆变器主电路原理图 从图2 _ 4 ( a ) 可以看出，在电流大于零时，相对于理想电压波形，开关死区效 应产生一系列附加电压脉冲。即在v 工开关的一个周期内，开关死区效应产生两 个附加电压脉冲，其一是宽度为( 开关器件的开通时间) 、幅值为的负脉冲， 其二是宽度为t o ( 开关器件的关断时间) 、幅值为u 。的正脉冲。相对于理想电压 波形，实际输出电压的正向脉冲宽度都被增加了五矿一t ，而实际输出电压的反向。 脉冲宽度都被减少了t o 厅t o 。同理，对于电流小于零的情况，不难得出相反的 结论。 第二章逆变器死区效应机理分析 z 了l j 。 一j i 了 ， 了 7 对4 - y i 2 i ! 了 叫 ( a ) 开关死区( b ) 控制死区 图2 4 死区效应波形示意图 从图2 4 ( b ) 可以看出，在电流大于零时，相对于理想电压波形，控制死区效 应产生一系列附加电压脉冲。即在v 王开关的一个周期内，控制死区效应产生一 个宽度为乃( 控制死区时间) 、幅值为u d 的负脉冲。相对于理想电压波形，实际 输出电压的正向脉冲宽度都减少了乃，而实际输出电压的反向脉冲宽度都增加了 7 = ，。同理，对于电流小于零的情况，可以得出相反的结论。 一般情况下仃t 很小，而乃较大。研究结果表明：开关死区效应可以部分。 抵消控制死区效应，但是与控制死区效应相比，开关死区效应影响非常小，控制 死区效应起决定作用。因此，在分析、计算中，往往忽略开关死区效应，而只考 虑控制死区效应。我们通常所说的死区一般就是指控制死区【l 。 2 1 2 2p w 逆变器死区时间的设置方式 p w m 逆变器死区时间的设置一般根据逆变器主开关器件的开关死区时间来 确定。不同类型的开关器件，其开关死区时间是不同的。通常情况下，采用i g b t 模块的逆变器的控制死区时间一般不小于4 u s 。而死区时间设置通常有两种方式： 一种是让欲关断的元件与理想波同时关断，而让欲开通的元件延迟一段时间乃后 再开通：另一种是让欲关断的元件比理想波提前7 = f 2 关断，而让欲开通的元件比 理想波推后t j 2 开通f 1 8 】。这两种方法的实现方式不同，但总的延迟时间相同。 2 1 2 3 嗍逆变器死区效应分析 山于死区的加入，p w m 逆变器实际输出波形与理论调制波所决定的理想波 形并不相同，下面结合图2 3 进行详细的分析。死区设置方式采用上面所述的第 二种方式。 设彳相与直流电源中点间的电压u n 的理想波形如图2 5 ( a ) 所示，则实际应 用中v t 和v 咒的驱动信号波形分别如图2 5 ( b ) 和2 5 ( c ) 所示。在v 王导通期间， 逆变器输出端的实际电压u 们为+ 2 ，在v e 导通期间为一u a 2 ；在死区时间 第二章逆变器死区效应机理分析 里，v 王和v e 都不导通，这时感性负载电流需经过续流二极管v d ，或v d 。续流， 而具体由哪个二极管续流取决于电流的极性。设电流从逆变器流入负载为正，电 流从负载流出为负，则当a 相负载电流t 为正时( 见图2 3 ) 电流经v d 。续流， 在这期间实际上是将a 相接到了直流电源的负端，u m = 以2 ；同理，当a 相 电流为负时，电流经过v d ，续流，a 相被接到了电源的正端，这时u n = + 以2 。 可见，电压u 。门的正负主要由负载电流的方向决定。根据图2 5 ( d ) 中的电流方向， 逆变器的实际输出波形如图2 5 ( e ) 所示。 ( a ) ( b ) ( c ) 哆i l 口竽i厂几r t a 2n nr 厂厂 i + h 正电流 l l 一 7 1 负电流一。一1矗电流 一 _-_ l 厂 几 r 年n nr厂 。+ l i l 图2 5 死区对输出波形的影响 从图2 5 ( e ) 可以看到逆变器实际输出波形在电流为正时，所有正脉冲宽度都 减小了乃，而所有负脉冲的宽度都增加了乃；电流为负时恰好相反，所有负脉冲 宽度都减小了7 ：= ，而所有正脉冲的宽度都增加了7 ：= ，。 比较图2 5 ( a ) 和图2 5 ( e ) 可知，由于死区的存在，逆变器的实际输出波形 与理想波形相比较产生了偏差( 称为死区效应) ，误差波形如图2 5 ( f ) 所示，得 知死区造成的误差波形是由负载电流方向决定的一系列脉冲。 2 2 死区效应造成的影响 2 2 1 死区对逆变器工作的影响 尽管死区造成的单个误差电压脉冲不足以影响整个系统的性能，但其累积效 第二章逆变器死区效应机理分析 应足以使逆变器的输出电压波形发生畸变。在高载波频率p w m 逆变器中，这种 畸变不容忽视。为便于对误差脉冲的累积效应( 即死区效应) 作定量分析，假定 如下： ( 1 ) 忽略功率开关管的反向存贮时间； ( 2 ) 不考虑脉冲重叠现象； ( 3 ) 载波比足够高： ( 4 ) 误差电压脉冲呈等间距分布； ( 5 ) 逆变器电流输出波形接近正弦。 基于以上假定，根据两者面积相等的原则，将图2 5 ( f ) 所示的偏差电压脉冲 序列u e 等效为一个矩形波的偏差电压( 图中已示出) ，矩形波的周期由负载 电流的周期决定，在电流的过零点处矩形波进行正负切换，矩形波的幅值由载波 频率、死区时间及直流侧电压幅值决定。设载波频率为= ，逆变器输出电压频率 为厂，则在一个逆变器周期内宽度为r , 2 的偏差脉冲个数，l 。为： n e22jc|3(2-1) 因为负载电流的周期与逆变器的周期相同，根据等效前后的矩形波和脉冲列 二者所占面积相等的原则，有： 办专= t 2 g p 孚 所以，等效后的矩形波的幅值h 为： h = ，釉d ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 由式( 2 3 ) 可见，在直流侧电压一定的情况下，等效后的矩形脉冲的高度与死 区时间和载波频率的乘积成正比。由死区效应造成的逆变器输出电压误差在数值 上尽管很小，但它的作用不可忽视，特别是在电力电子器件采用较高的开关频率 时，以及对逆变器及伺服系统性能要求较高时，更是如此。 下面详细分析死区效应对逆变器输出电压和电流造成的影响。 如图2 - 6 所示为理想的a 相基波电压材。、电流波形t 以及等效的死区造成的 方波误差波形，这里的幅值并不代表实际量之问的比例，仅是为了说明三者 相位之间的关系，并且假设上面的电流和电压的频率相同，妒是功率囚数角。 第二章逆变器死区效应机理分析 图2 - 6a 相输出电压与电流以及等效的死区效应波形 由图2 - 6 可知，死区所形成的偏差电压始终与负载电流反相。可以写出 理想p w m 波的基波以及的表达式分别为： 吁= 悸 0 o j t 妒 n t r + g o 刎 ( ，+ 1 ) 万+ 缈( n = 0 ，1 ，2 ，3 ) ( 刀+ 1 ) 万+ 缈 0 时的实际输出电压，( g ) 为当t 0 时，导通误差时间乙+ 和产生的扰动电压平均值甜。+ 分别为： 乙+ = 乃一乙+ = 乃+ 乙一 等沪r oi - ，t o + c r d ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 其中c 为理想的导通时间，c + 为相电流为正时的有效导通时间。 类似的，当o g n i 0 时，导通误差时间乙一和产生的扰动电压平均值z o 一分 别为： c ，一= 乃一乃一= 一( 乃+ 乙一z 矿) 一等= 孚 综上，a 对0 点的扰动电压记为： 。，= u d e a d s i g n ( i 。) 其中： = 鼍乎 s 忉c ，= ! - 。乏三： 考虑功率器件上的导通压斛i l 】【3 9 】： = 鼍产c 一+ ，+ 半 其中：、乩鼬分别为导通开关器件和续流二极管的管压降。 ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 第三章典型死区补偿方法的仿真与分析 同理，b 、c 对0 点的扰动电压分别为： 。= “删s 喀玎( ) 1 , 1 。= ”删s 枷( ) 对于无中线星型连接永磁同步电机，可得电机各相的扰动电压分别为： 2l1 ，一2 j t 一一j ，一一j “。，一 2l1 材6 ，一2 t b o 一一j 甜m 一一j “m ，口 211 - 一2 了，一一j 材幻，一一j 甜m ，一 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 从上面分析可知，a 、b 、c 对0 点的扰动电压为矩形波，如图3 1 6 所示。从 图中还可以看出，在正常运行时，电机各相上的等效扰动电压为梯形波【3 引。 材厂 厂 甜h 。 厂 厂 叫。厂 厂 。l nr 图3 1 6 死区造成的扰动电压 为了分析问题的方便，将a 、b 、c 对0 点的扰动电压通过3 2 坐标变换变换 为两相旋转坐标系下的扰动电压甜撕、甜。为： 其中： 嘲圳性 聊封黧嚣勘- 2 n ，；c 如o s ( 8 + 2 2 棚r 3 ，) 而式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 的相电流在反口轴坐标系表示为： ( 3 9 ) 第三章典型死区补偿方法的仿真与分析 所以： s i g n ( i d = s i g n q q c o s o + i as i n 8 ) s i g n ( i 。) = 5 忉( c 0 s ( 秒一等)