（电力电子与电力传动专业论文）一种“中点控制窄脉冲消除死区补偿”的三电平pwm控制算法.pdf

塑墨 一 - _ _ _ _ j _ _ _ _ _ _ _ _ - ，_ _ - - _ _ _ - - _ _ _ _ _ 一 学科：电力电子与电力传动 作者姓名：金叠 导师姓名与职称：二日江教授，二阻副教授 答辩日期：呈竺三：兰： 摘要 本文在对一种简洁高效的三电平s v p l v m 算法改进的基础上，提山一种无电流 传感器的中点电位控制和窄脉冲消除力法，同时进行了死i j ：| ：的补偿。仿真和实验结 果表明，该方法实现简单，输 i5 波形谐波龠鼙小，中点电能得剑很好的控制，并较 好地解决了帘脉冲问题。进行了死区补偿，使逆变器在低频输山时波形明显改善， 提高了系统在低频时的转矩输出。在川t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为开发平台的三电平实 验样机上取得了良好的效果。 关键词：三电平逆变器；中点l u 位；窄脉冲；北区；电流传感器 涂 消法冲算脉制窄控卅删粼阳点旷q 三 二l 的 听 一偿魁文切 论 a b s t r a c t t i t l e ：an o v e lt h r e e l e v e ls v p w m a l g o r 工t h mc o n si d e r i n gn e u t r a l p o i n t c o n t r o l n a r r o wp u l s ee l 工m 工n a t 工0 na n d d e a d tim ec o m p e n s a t10 n s u b j e c t ：p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e a u t h o r ：盔主丝 眦堑窖纽 堑协s 。r ， 缢盏 a s s o c i a t ep r o f e s s 。r a n s w e rd a t e ： 2 c r 口弓弓 a b s t r a c t o nt h eb a s iso fi m p r o v e m e n to fas i m p l eb u te f f e c t i v et h r e e l e v e ls v p w m a l g o r i t h m ， as i m p l en e u t r a lp o i n tb a l a n c i n ga n dn a r r o wp u l s ee l i m i n a t i o n a l g o r il h mw i t h o u tc u r r e n ts e n s o ri sp r o p o s e d a n dd e a dt i m ei sc o m p e n s a t e d i nt h ea l g o r i t h ma l s o t h er e s u l to fs i m u l a t i o na n dt e s tv e r i f i e dt h a tt h is a l g o r i t h mi ss i m p l et ob ec a r r i e do u t a n dh a r m o n i c si no u t p u tw a v e f o r ma r e s m a l l ， a n dn e u t r a lp o i n tv o l t a g ec a nb ec o n t r o l l e dv e r yw e l l ，a n dn a r r o w p u ls ep r o b l e mi ss o l v e da sw e l l b e c a u s ed e a d t i m ei sc o m p e n s a t e da tt h e s a m eti m e t h e o u t p u tw a v e f o r m is i m p r o v e d 。 a n do u t p u tt o r q u e is s t r e n g t h e n e di nl o wf r e q u e n c y f i n a l l y ，g o o dr e s u l tw a sa c h i e v e do n t h r e e l e v e lm o d e li n v e r t e rd e v e l o d e dw i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p k e yw o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r ：n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a l ： n a r r o wp u l s e d e a dti m e：c u r r e n ts e n s o r 刖吾 1 课题背景 近年来，在高压大功率应用场合，一种新型的变换器一多电平变换器 ( m u l t “e v e rc o n v e r t e r ) 受到越来越多的关注。多电平变换器的思想最 早是由n a b a e 于1 9 8 1 年提出的。它的一般原理是由几个电平台阶合成阶 梯波以逼近难弦输出电压。在过去两电平变换器的高压大容量应用中， 除了少数低速场合采用交一交变频方式外，通常采用交一直一交变频方式。 在这种方式中，或是将多个低压小容量变换器通过变压器采用多重化技 术获得高压大功率，或是在交流输入侧和交流输出侧分别采用变压器进 行降压和升压，中问环节仍然采用低压变换器。很显然，以上两种方法 均采用了笨重，昂贵，耗能的变压器，且对于第2 种方法还会出现中间 环节电流过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输团难等诸 多缺点。为克服这些缺点，人们希望采用直接的高压变换器方式，这就 对变换器所用器件提出了更高的要求，特别是需要承受很高的电压应力。 通常的做法是采用多个低耐压值的开关器件串联，这种方法在实现直接 高压变换的同时又一定程度降低了成本。但这利，方法存在着静态和动态 均压问题，而均压电路会导致系统复杂，损耗增加，效率下降。因此， 一种通过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需升降变压器，又无需 均压电路的“多电平变换器”应运而生。这种变换器由于输出电压电平 数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的 电压应力较小，且无需均压电路，开关损耗小，可避免大的d v d t 所导 致的各种问题。因此这种变换器在困外又被称为“完美无谐波”变换器， 而成为研究热点。 从目前所见到的相关报道，高压大功率变频器主要应用领域为节能 类应用，应用于电力、冶金等的高压大功率电机，此外城市供水系统、 供气系统、石化、矿山等也有较大的潜在市场。在大功率电机调速中， 两蜜理t 人学硕。卜学位论文 传统的两电平p w m 逆变器存在以下几个问题： ( 1 ) 因为高压导致很高的d v d t 和浪涌电压，引起电机转子绕组绝 缘击穿。 ( 2 ) 半导体开关产生很大的器件电压应力和很大的开关损耗，使效 率降低。 ( 3 ) 高频开关对附近的通讯或其它电子设备产生宽频带的e m i ( 1 0 k h z 3 0 m h z ) 。 等等。 相比较而言，多电平变换器具有开关频率较低( 在同样的基波输出 下) 元件应力较小，开关损耗较低，输出谐波较小等优点。其代价是所 需的功率器件较多，所以从提高性价比的角度，它更适合于高压大功率 电机驱动。从目前所见到的各种主电路拓扑结构来看，最终可归结为3 种基本的拓扑结构： ( 1 ) 二极管钳位( 毗o d e c l a m p ) 优点：1 电平数越多，输出电压谐波含量越少 2 开关损耗较小，效率较高 3 可控制无功功率流 缺点：l _ 需要大量钳位二极管； 2 用单个变换器难以控制无功功率流： 3 存在电容电压不平衡问题。 ( 2 ) 飞跨电容( f l y i n g c a p a c i t o r ) 优点：1 电平数越多，输出电压谐波含量越少： 2 开关损耗较小，效率较高： 3 可控制无功功率流，可用于高压直流输电。 缺点：1 需要大量的钳位电容； 2 用于有功功率传输时，控制复杂，开关频率高，开关 损耗大； 3 存在电容电压不平衡问题。 ( 3 ) 具有独立直流电源的级联逆变器( c a s c a d e d i n v e r t e r sw i t h s e p a r a t e rd cs o u r c e s ) 。 优点：1 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 开关损耗较小，效率较高： 3 无需钳位二极管和电容，易于封装； 4 基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟， 易于模块化； 5 不存在电容电压平衡问题。 缺点：需多个独立电源。 2 市场前景 在国外已逐步进入实用阶段的多电平变换技术，目前在国内还处于 萌芽状态，但是市场需求旺盛。根据截止1 9 9 7 年底的调查，中国现行装 机的约4 亿千瓦电动机中，9 0 是交流电动机，其中7 0 应该实施润速运 行。如果实际可改造率又占其5 0 的话，此时中国应有1 2 6 亿千瓦电动 机的变频调速需求。其中6 0 为低压( 3 8 0 v ) 中小容量电动机，4 0 为中 压( 3 1 0 k v ) 中、大容量电动机。前者量大而面广；后者台数虽少，却 都是圈民经济各行各业的主力机组。若变频器售价以1 0 0 0 1 5 0 0 元k w 来计算，全国现行保有电动机的改造所需变频器的市场总价将是1 2 0 0 1 8 0 0 亿元人民币。目前中国市场上变频器的年销售额约为3 0 4 0 亿元人 民币，依此，需5 0 年才能改造一遍。何况每年还有新机组投入，不断有 新市场涌现。根据对我国十个部门企业的抽样调查，凡已经采用变频调 速技术的单位大多数取得了很好的节电效益，因此变频调速技术在我国 的应用有着广阔的前景，将愈来愈受到政府和企业的高度重视，换句话 说，中国的变频器市场将越来越大。掘第三次全国工业普查的资料显示： 中国国内有6 0 0 0 千瓦以上的燃煤发电机组9 6 6 台，燃油发电机组6 0 台。 西安理t 大学烦十学位论文 这些机组的风机、水泵都是高压大功率电机拖动的，是高压大功率变频 调速的主要用户。随着人们节电意识的增强和国家厂、网分离等改造的 市场利益导向，潜在的市场需求必定转化为现实的市场需求，从而使高 压大功率变频器产品具有广阔的市场前景。初步测算，仅存量市场就高 达7 7 6 0 亿人民币。每年的增量市场预计在5 8 亿人民币。 3 研究方向 国外的中压变频器及中压电机一般为4 1 6 0 v ，而国内的中压电机是 6 0 0 0 v 等级，如果引进国外中压变频器还要增加输出变压器，给技术改进 带来不便。因此，有大量的工作需要国内研究者们去做，以生产出国内 自己的中高压变频器产品。其中主要工作集中在“： ( 1 ) 从理论和实践上建立统一的多电平拓扑结构。 ( 2 ) 控制方法的研究。如何简化控制的复杂性和“中点电压不 平衡”等问题。 ( 3 ) 将软开关应用于多电平变换器。 国内目前的多电平变频器多采用单元串联的“罗宾康”结构，控制 简单，模块化结构易于维护。但是主电路使用大量开关元件，故障率高， 难以降低成本。并且不能实现能量的双向流动。二极管钳位三电平逆变 电路结构简单，能够克服以上缺点，但是存在中点电位控制及窄脉冲消 除等一系列问题，控制复杂，不易实现。本文即以二极管钳位三电平逆 变电路为主拓扑，研究易于工业应用的三电平p w m 控制算法，以解决该 种方案在国内应用的主要瓶颈问题。 4 课题的主要目的及内容 目的：提出一种既能控制中点电位，又能消除窄脉冲和补偿死区时间影 响的优化的三电平逆变器p w m 算法，并在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 控制 平台上编程实现。在研制的三电平变频器原理样机上试验并验证 算法的正确性。 4 内容：( 1 ) 三电平主电路，驱动电路及基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的控制 系统的实现。 ( 2 ) 三电平逆变控制算法的研究及在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pt 的实 现。 ( 3 ) 整机调试及优化。 5 课题的主要难点 ( 1 ) 中点电位平衡问题的解决 ( 2 ) 窄脉冲的消除 ( 3 ) 中点电位、窄脉冲、死区问题在统一的算法里同时得以解决 ( 4 ) 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 控制系统软硬件的实现。 第l 章两电、| p w m 理论幕础 第1 章两电平p w m 理论基础 1 1 参考电压矢量与相电压的关系 参考电压矢量与相电压的关系如图卜1 所示。 f 4 l ， 业 兰一d f f 7 ，c 设参考电压矢量矿对应的三相相电压分别为“。，“。，“。 旷+ = 昙( “甜+ “h p 。j ”+ “酣+ e j ”) 乃= 詈c “。一丢“。一圭“。， = ；( 警警o ) 又： “。+ o + “。= o 川鞭；捌纠 又 “圳 “撕 “d ( 卜2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) l“川“川 仃乃洲砌砌甜耐 宝 一 卜 以 = 两蛊理r 大学1 1 1 i il 学位论文 ( 1 6 ) 说明旷。幅值即为参考相电压的幅值。由矿= c 控制知旷+ = c 。 1 2s v p w m 调制波的显化” j i i 八一 l ， j l f f 。： v v 一 划卜2 对杯蛳则米杵 最初的s p w m 是使调制波和三角载波通过模拟硬件电路比较从而实 现p w m 输出的自然采样。为使脉宽调制适合微处理器实现，提出了规则 采样。以脉冲宽度关于采样时刻对称的双极性对称规则采样说明。如图 1 2 所示，没采样周期t 足够小，在整个t 内。调制波f ( f ) 都等于采样时 刻n t 时的幅值f ( ) 。则采样周期内，调制波对应的脉宽为： 瓦：( 掣+ o 5 ) 丁 ( 1 7 ) p 出 反过来，如果己知采样时刻的脉冲宽度，就能求出对应于调制波在采样 时刻的f ( f 。) 是： ，( f 。) = ( 鲁一o 5 ) ( 1 8 ) 规则采样算法中，载波和调制的意义十分清楚。 电压空间矢量调制算法是适合微处理器实现的。但是她没有明显的 甜甜m c s m m 待 圳划 m 陌m 式 入 代 喃 式将 第1 章两| u j 卜p w m 理论基础 调制波定义。不过，既然空间矢量调制能确定各相在t 中的脉冲宽度， 那么就可以利用式卜8 计算出对应的各相调制波。三相调制波是： “叽。( f 。) = ( 竽一o 5 ) ( 卜9 ) 将三相调制波的幅值以v 。2 为基准作归一化处理，得： “：j 。( f 。) = 挚一l ( 1 1 0 ) 那么，根据s v p w m 所输出的脉宽，同样可以得到s v p w m 的调制波。经计 算，s v p w m 在整个3 6 0 。范围内的三相调制波统一表达式是： “。= “。+ 十“j ， “ = “ + + “= ，h c = “c + + “j ( 1 1 1 ) “：= 一砌。+ 一( 1 一) “。+ ( 2 女一1 ) 其中：“。= 卅c o s 吐砖，“6 = 小c o s ( 叫。一2 万3 ) “。+ = 川c o s ( 耐。+ 2 丌3 ) ， “。“= m a x 【“。+ ，“。】 “。+ = m i n ，“。】 肛焘“”f 2 如卧1 所示 由此可见空间矢量调制和规则采样s p w m 具有内在的联系。可以认为 空间矢量调制和在正弦调制波里面加入零序分量叱的规则采样s p w m 是完 全等效的( 图卜4 ) 。 剖卜3k 的说蜴 幽卜4 空问矢量训制的调制波和零序分量 不同的策略得到的p w m 波形都可以根据式卜8 来合成“对称规则采 样法”中的调制波，调制波与脉冲序列的特性有着唯一对应的关系。 两安理工大学坝一卜学位论文 1 3 统一电压调制技术”1 如图卜5 所示，基于对称规则采样的方法，在t s 内有效电压输出的 时涮为( 有效时间) ，时三相a ，b ，c 分别定义一个假想时间瓦。，瓦。，疋， 跟据载波周期内输出电压与参考电压作用等效的原则，有： 瓦。= t “。，吆 瓦。= t “+ ( 卜1 2 ) t 二。= t 。u 二。 v h ，： 0 v b s ：一 v c s ( i s t a t e bs t a t e 匹 cs t a t e 1io 0 t c bt b t d s 。1e f f ；2 t o f f s e t 。婶 ：ts 2 t e f f 、。 。t e f f 、 o ns e q u e n c e_ 、l、0 f r s e q u 即壶、l 1 l ： 0 1l1 0 o 。户 。 。 ： ( b ) 图卜5 ( a ) 有效时l 司，输i l j u 址的关系( b ) 二相实际触发时l 司的产生 其中“：。，“二，“二分别为三相参考电压。 令t ，= l 。一瓦其中i 。，。分别为乙，瓦。，瓦中的最大值和最小 值。引入。( 漂移时问) 来体现的放置位置，则： = l + 。 巧= 瓦，+ 砀。 ( 1 13 ) 9 娑等胁m。芒呲， 第1 章两l u 、fp w m 理论耩础 囊= 瓦+ 。 乙，为实际触发时刻。不同的。( 。兰。s 。， 其中7 赢。= 一0 。7 k 。、= i 一瓦。) 可以产生不同的p w m 调制效果。 下面证明图卜5 中在砀中每相电压的实际作用与参考每相的作用 相同( 伏秒值相同) 。 证明： 气与瓦，之间的负载状况瓦。与瓦问的负载情况 0 n 相电压：孥一等= 等；2633 “l b 相电压：；一； c 相电压：一昙一； 对于a 相有： 11 ( 瓦，一瓦) + 三( 乙一瓦，) 1 = 弦薏、。+ ) + 弦去0 ) ( 1 _ 1 4 ) = t 对于b 相有： ；( 瓦，一瓦) + ( 一；) ( 乙一瓦，) = 扣丢。) 一扣去、j ) = + t ( 1 1 5 ) 西安理丁大学删l 。学位论文 对于c 相有： 一昙( 瓦一瓦) 十( ；) 吃( 乙一强) 一去。) 一扛薏、“) 1 6 ) = “。，t 瓦 由以上三式可知：在t 。内由逆变器提供的电压对负载一。相的作用与该相 参考相电压在f 内对其作用的效果相同。其他情况亦可类似证明。 不同的基于载波的p w m 调制策略可以通过改变。而获得。这相当于 在“对称规则采样方法”的载波中加入某种特定的零序分量。例如在s p w m 方法中，由式l9 有： ( 孕一1 ) 擘巩 ( 1r 1 7 ) 可以得到 巧= 手+ = + 乙 ，s ， 因此： 7 赢。 对于s v p w m 方法，将砀放在t 中间时有： ( 1 一1 9 ) 。= ( t 一砀) 2 一瓦。 ( 1 2 0 ) 按此。产生的p w m 波形用式卜9 合成的调制波形为马鞍形波，与零 矢量对称分布的s v p w m 的调制波相同。因此，当按上式进行有效电压矢 量的移动时，可以获得与s v p w m 方法一样的p w m 波形输出。类似地通过 设定。的大小，可以获得各种p w m 调制方法。 第2 章二檄管钳位三电，卜p w m 拄制算法 第2 章二极管钳位三电平p w m 控制算法 2 1 三电平p w m 主算法的原理分析 图2 1 是n p c ( n e u t r a lp o i n tc l a m p 中点箝位) 逆变器拓扑结构图。 图2 一l 二极管籍位三屯平逆变器主电路 在保证l 、3 互补及2 、4 互补的前提下，开关状态组合能产生三个 输出端电压状态：嘣2 ，0 ，一2 ( 分别标记为+ ，o ，一) 。三相桥臂共 能输出2 7 种状态，每种状态都对应一个空间电压矢量。 图2 2 为三电平的空问电压矢量图。 图2 2 三l u 平逆变器空间l 乜骶矢量图 u i ；i 【i 安理丁大学碗卜学位论文 图2 2 可以分解为6 个小六边形( 图2 3 ) 。 + + + j 0 0 0 l 一_ i 幽 3 罕司l u 压矢量吲的分解幽2 4 参考q 三压矢量落入小六边彤l 正常情况下，参考电压矢量总能落在至少一个小六边形之内。以小 六边形1 为例( 图2 4 ) ，参考矢量矿在开关周期t 内可由3 个与之相邻 的矢量玩，秀，只进行合成“1 ： 旷r = 吼+ 暖f 2 + 巧f 3 ，( r = ，i + f 2 + ，3 ) ( 21 ) 将暖= 吃+ 只，玩= 或+ 暖代入式2 1 得： 或+ r = 吼+ 瓦f ： ( 2 2 ) 由式2 2 可以看出f 1 ，f ：相当于在两电平矢量图中用坟，吭合成旷+ 所用的 时问。 考虑在两电平中用玩，瓦合成e 的情况，两电平空| 1 ；j j 电压矢量图如 图2 5 所示。按s v p w m 调制方法得到的一个周期内的开关波形如图2 6 f 所示。 口f 幽2 5 两【b 、r 空间【u 压矢量幽 0 t 科2t g v 2t g u t s 蚓26 _ 三j u 、卜和荫l u 卜开关波形 三电平 开关波 形 两电平 开关波 形 第2 章二极管甜 位三【也pp w m 控制算法 设矿的幅值为u 。u 相的开关切换时刻为： 丁0 = l 2 + f 2 2 + ( t 一 一f 2 ) 2 ( 2 3 ) 由： 只+ r = 吃，2 + 吃f f ，( 7 1 = 2 t ) ( 2 4 ) 双忙塑半= 竽八观川z 将式2 5 代入式2 3 得： 乙= 乏( 罢岫肌扣s i n 讣手 。， 由上一节可知，乙亦可由基于规则采样的统一电压调制方法得到。因为： 毛= 乙+ 。， ( 2 7 ) 将e 。= 睡一( 丁。一瓦。) 】2 一咒哪，瓦= 正吃代入式2 7 得： 。= 彘( i 扛一扛) + 吉i ( 2 - s ) 其中：，为玩对应的u 相电压 考虑到。+ = 吃= u ，c o s 挣，。= 一u ，c o s ，3 一目) ( 2 9 ) 将式2 9 代入式2 8 得： 乙= 毒c b 刚十扣s i n = 类似的有：o = o ，o 。= o 。这同时也证明基于规则采样的统一电压 调制方法当7 品。_ 【i 一( r 。，一l 。) 】，2 一瓦。时与传统的用相邻矢量合成的 方法所产生的输出波形及效果是一样的。 在两电平中合成矿与在三电平中合成矿+ 的开关波形如图2 6 所示。 三电平的开关切换时刻与两电平的完全相同。每相的输出电位状念总是 降低一次，且在半个开关周期中只改变一次，输出电压矢量总是从一个 小矢量变为另一个小矢量( 如从十0 0 变为o ) ( 两个小矢量在波形两边 两安理工大学砸卜学位论文 均匀分枷) 。当参考电压矢量落于别的区域时也有类似结果。按上述方法 分析其余5 个小六边形有相同的结论。 因此，只要找到三电平中参考电压矢量矿对应的两电平中的参考电 压矢量旷+ ，再用两电平中的统一电压调制的方法计算开关切换的时刻， 并根据对应的小矢量的状态就可以得到三电平的开关波形，该开关波形 能在一个丌关周期中合成参考电压矢量矿+ 。 所以问题的关键是找到三电平中参考电压矢量所对应的两电平中的 参考电压矢量。求取的方法是用参考电压矢量减去其所在的小六边形所 含的小矢量。例如上例中： 私儿瓦= 弘+ 妒警+ “l e j 等) 一号( ；丢哳一扣7 等) e + = 矿一瓦= 要( “：，+ “。了+ “l e 。了) 一鲁( ；圭e 。了一e ) ( 2 一1 1 ) 眠玩+ = 知：一；) + ( “：+ 扭警m i + 揪等j ( 2 _ 1 2 ) 其中：“：，“：，“：。为1 7 对应的三相电压。从上式可以看出求或+ 所对应 的两电平中的三相电压只要将“二，“：，“分别纠正就可以了。如上例 中分别将“：。，“：。，“0 减去3 ，加上_ 。6 ，加上6 就可以了。 在其他5 个小六边形中可按类似方法计算纠正量。经过校正以后，就将 三电平转换为两电平问题了。设校正以后的相电压为+ ，。 将计算结果列于表2 1 。 表2 一l 参考l b l = f i 的修正 小六边形v u i =+ = 1 u 。：v d 3v ? + y d 6 2 u u ：v d c f 6h 。7 y d c ，6 3 u u ：七v d 掣6h 。：v d c 3 4 u t ： v d c f 3u 蠢v d _ 6 5 u h ：斗v d c 悔u 。：七v j d 6 6 “u ：v d c ，6u 。：七v d c ，3 第2 章_ 二极管射f 位三r u 、rp w m 控制算法 按照上述所述方法，三电平中每相桥臂的状态转换时刻为： t u = 2 y u s t s i y l e + c 巧= 2 + b + c ( 2 1 3 ) 巧= 2 - 瓦+ c c = 0 5 瓦一6 黼 ：麓方彩 兀= 瓦一( 口一6 ) 注意每个式子的第一项比式卜1 3 多乘了2 ，因为转换为两电平以后，构 成两电平的六个矢量的幅值为3 。 2 2 中点电位平衡问题 由于开关状态的切换，会将不同的相电流引入直流侧上下电容的中 点，向中点注入或从中点抽取电流，造成中点电位的波动。 在2 7 个电压矢量中只有1 8 个矢量会影响中点电位。这1 8 个矢量作 用的任意时刻，流入( 或流出) 中点电流的绝对值一定等于某相电流f 。的 绝对值( 相电流的正方向定义如图2 1 所示) 。当该相与直流侧中点直接 相连时，定义此时的小矢量为j e 小矢量，中点电流f 。，= f ，；当该相不与 中点直接相连时，定义此时的小矢量为负小矢量，中点电流f 。，= 一f 。若 此时是中矢量作用，则f 。，= f 。以上关系定义如表2 2 所示。 文献“1 指出：大矢量不会影响中点电位。中矢量造成的中点电流能 在一个线电压周期中自动平衡，但造成低频中点波动。当负载功率因数 很高的时候，更容易抑制中点低频波动。有三种主要的中点电位控制方 法。1 ) 消极“控制”：在一系列丌关周期中交替使用正负小矢量。这种 方式只有在负载平衡情况很好的情况下使用。而且这种方法的鲁棒性很 差。2 ) 滞环控制：也许是最简单也是最流行的闭环中点电位控制策略。 使用这种方法需要知道每相的电流方向。能使中点电位趋于平衡的小矢 西= ：f ：理t 大学倾一l 。学位论文 量将被选择。该方法的缺点是仍将产生中点电位波动。( 本文属于这种方 法) 3 ) 控制卅。和删使中点电位精确平衡。这种方法需要测量相电流 的大小和方向。优点是能抑制中点波动，缺点是由于引入额外的开关状 态而增加开关损耗，而且鲁棒性也不如滞环控制的方法。 表22 小l 卅i u 鹾矢量对心的中点i u 流f 川， 正小负小 矢量 l n pl n p中矢量 lv i ， 矢量 o 一一 吣 + 0 0 f c ， + 0 一f y + + o b 0 0 一l 矿 o + 一 i “ 一o 缸 0 + o 一0 一十0 f 0 + + 【， 一0 0 一c ? j o + c f 一一oh0 0 + 一z 0 一+ zc ， + 0 + 0 o o 一0 + 一o z 2 2 1 无电流传感器中点电位控制 逆变器所带异步机一般是三相感性负载，相电流滞后相电压。例如 参考矢量所在矢量图区间位嚣与u 相电压电流的关系见图2 7 。 从参考电压矢量的定义可以看出，参考电压矢量的旋转角度口等于 当前u 相电压的相位角。基于以上认识，当盱p ，( 参考电压矢量) 扫过 6 个区问( 图2 2 ) 的时候，相应的u ，v ，w 相电压和相电流分布见图2 8 。 s 5s 6s ls 2s 3s 4s 5 艺莓 ，：r 髟 ： 幽2 7 参考矢量所柚：矢量幽【塞：间位置 图28u 、v 、w 相i u 胝和丰日u ；! j c 的分却 ou 相l u 抹i u 流的关系 第2 章二极管斜l 位三l u 、卜p w m 控制算法 相电流滞后相电压一般不会超过9 0 度，因此可以认为当胁，在s 1 区间内时f 。 o ，在s 2 区间内时f 。 0 ，其他区间依此类推。即可以根据 盱e ，当前所在的区间判断出部分相电流的正负。但在某些时候无法判断 某相电流的符号，如在s 1 区间当负载功率因数角小于3 0 度时f 。 o ，而 当功率因数角大于3 0 度时f 。，的符号可正可负。现考虑盱日厂在小六边形1 中( 图2 9 ) 的情况。 o n l 0 一 颤_ ? ：，哆j ，1 、 吲2 9盱p ，祚小六边形l 中的情况圈2 一l o盱p ，隔往( ! ) 内的开关波彤 当圩p ，落在内时，电压矢量依次为： o 一 。 + 一 ， + 0 一 ， 十0 0 ， 十0 一 ， 十一 ， o 一 ，波形见图2 1 0 ( a ) 。 在采样周期内，只要一对正、负小矢量合起来的作用时间等于 + ， f 小矢量作用时间长还是负小矢量作用时间长并不影响参考电压的合 成。但是却能影响中点电压。例如当前时刻若中点电位偏低，由图2 8 可见在s l 内u 相电流为正，若使用负小矢量 + o o ，则将使u 相电流注 入中点，使中点电位抬高。若使用正小矢量 o 一 ，则将使u 相电流从中 点抽取电流，使中点电位更加偏低，因此应选择负小矢量。为了使算法 简单，使负小矢量作用时间等于f + f ，即不使用正小矢量作用。体现在 波形上，就是将图2 一1 0 ( a ) r 内的波形向右移动，“吃掉”正小矢量 的作用时间，如图2 1 0 ( b ) ( 这并不影响参考电压的合成) 。反之，若当 前中点电位偏高，则应选择正小矢量，将图2 1 0 ( a ) f 内的波形向左移 动“吃掉”负小矢量的作用时间。由中矢量 + o 一 引入的v 相电流却是 不可控的。但在一个线电压周期中出中矢量引起的中点电位波动能自动 割 眄安耻t 人学倾i 。学位论文 平衡“1 。 当盱p ，落在内时，对 + 0 0 和 0 一 两个小矢量的选择同上。然而 在用【3 】的方法时，在内必然会用到小矢量 o o 一 ，该负小矢量将w 相电流接到中点，又由图2 8 叮看出当功率因数角小于3 0 度的时候，。 一定小于0 。( 1 ) 当西3 0 度时w 相从中点抽取电流，能使中点电位降 低。由于既属于小6 边形l ，又属于小6 边形2 ( 见图2 3 ，相邻的两 个小六边形有重合区域) ，若认为属于小6 边形2 ，则小矢量的使用除 了小6 边形2 本身的2 个小矢量 十+ o 和 0 0 一 外，还使用 + 0 0 小矢量， 浚负小矢量使u 相电流注入中点，能使中点电位抬高。另外参考矢量所 属小6 边形的两个小矢量可按时的方法选择。因此：( 1 a ) 若曲3 0 度且中点电位偏低时，应认为盱p ，属于小6 边形2 ；( 1 b ) 庐3 0 且中 点电位偏高时，应认为盱e ，属于小6 边形1 。( 2 ) 当3 0 0 时，盱e f 无论属于哪个小 6 边形，都会有一个小矢量使中点抬高。但是因为f 。 ，且最大相移为 9 0 度，f 。，相电流最大限度是在o 臼3 0 内大于0 ，而在这个范围内 o 一 的作用时间一定大于 0 0 一 的作用时间，所以选择小6 边形l 。另外f 。 o 时仍应选择小6 边形l 。山文献【5 】，3 0 庐 ( “为实测中点电位，为理想中点电位) 时将波形左移；当“ o ”和”i 一 o 一l ”两种情况。 第一种情况的开关波形如图2 1 6 所示。在“f ，时间段内，k 1 ，k 3 ，k 4 关断，k 2 开通。若i x 为正，则电流通路为d 5 一 k 2 ，将u x 接入o 电位： 若i x 为负，则电流通路为d 2 一 d l ，将u x 接入+ 电位。 两安理t 大学颂l 学位论文 指令qr q 写二：广 u l v l w 1 触发信号 了 厂u 3 v 3 w 3 触发信号 】 实际电压q ：厂q 当i o 时 电压偏差o 厂一 当i o 时 实际电压qr _ ! 当i o 时的死区分析 第二种情况的开关波形如图2 一】7 所示。 0 指令= 厂_ 二 ：? 二! 二广 u 2 v 2 朋2 触发信号 ? i ：厂u 4 v 4 w 4 触发信号 一7 vl _ j ”m | i 0 实际电压= 厂= 当i o 时 电压偏差o 厂啼当i o 时 实际电压= l 二 当i ( o 时 电压偏差on 当i o 一 一l 时的死区分析 在，。，：时间段内，k 1 ，k 2 ，k 4 关断，k 3 开通。若i x 为正，则电流通路为 d 4 一 d 3 ，将u x 接入一电位；若i x 为负，则电流通路为k 3 一 d 6 ，将u x 接入 o 电位。 从以上图形分析可知：死区效应与死区大小和载波频率有关，电压误差 方向只与负载电流方向有关。死区效应电压可表示为： 甜= 一j 堙w ( 小，出耐- 六2 ( 21 4 ) 其中：，。一死区时间，f _ 1 载波频率，。一母线电压 第2 章_ _ 二檄管钏位兰i rp w m 控制算法 2 3 2 死区补偿策略 根据以上分析，可得死区补偿策略：根据电流方向，将指令电压高电 位部分加宽f 。( 当i 0 时) ，或将指令电压高电位部分变窄h “( 当i o 时，将开关时刻的计算值加上，女。2 ( 图2 1 8 ( a ) ) ；当i 0 时， 将开关时刻的计算值减去2 ( 图2 一1 8 ( b ) ) 指令波形 ! f 1 i ! 补偿后的波形 什卜州i ! 卜叫： 饕制l 亭i i j ，l u j 实际波形；i _ ：_ 瓣 一0 1l “1 1 l 一 指令波形啊r - 杜 补偿后的波形i 什f 叫l 触垃广叫l j 璧鉴爿 牛 信号刊i i巾 实际波形汀丌 ：_ 对 i l _ 五_ 一ll 一 ( a )( b ) 凹2 一1 8 死区补偿算法分析 从图2 1 8 可以看出：无论电流为正为负，死区补偿以后实际波形都比指 令波形滞后f 。2 ，整体效果相当于系统实际输出与指令输入之间有 ，。2 的滞后，系统串联了一个r 。2 的纯滞后环节。 2 4 窄脉冲的机理及消除对策 窄脉冲的定义：当2 f 。小于一定值时，在2 f ，。时间内某个开关连 续两次动作就会产生窄脉冲。2 r ，一。的大小与所用的开关器件以及吸收回 路的参数有关。由于器件的特性差异，g t o 比i g b t 对窄脉冲的限制更加 严格。g t 0 器件一般用于千赫兹级以下的应用，其对窄脉冲时间的要求一 般是要大于1 0 0 微秒，即所有的开关控制脉冲的宽度都应大于l o o 微秒。 窄脉冲的存在使开关损耗增加，丢失输出电压脉冲，造成输出波形畸变， 启动转矩不足。 西安婵t 人学坝i 学位论文 2 4 1 判断窄脉冲的方法 在计算所得的右半个开关周期指令波形中，判断左右两个矢量的作 用时问。只要其中一个小于f 。就存在窄脉冲。例如图21 9 所示： 幽21 9 即脉冲的判断 例如：如果，、 ，。，则u 相在丌关周期中间存在一个0 一l 一0 的窄脉 冲；如果f ： ，。，则v 相在开关周期的开始和结束处存在一个o l o 的窄脉冲。 2 4 2 窄脉冲产生的原因及消除办法 拿出如图2 2 0 所示区域进行分析。 图2 2 0 窄脉冲产生区域分析 当参考电压矢量落于阴影部分时，就有可能会产生窄脉冲。阴影的 条形带宽度为： 一= 去字 s ) 3 3 ， 2 7 第2 章二极管钳位三i b 卜p w m 控制算法 h 的推导 图2 2 l 窄脉冲条形区域宽度h 的计算 以图2 2 1 为例，修正后的参考电压矢量为哌， 吲= 吲= r = 。3 。合成昧的计算式： 7 1 = i ，i + 弓，2 + 焉岛 7 1 = r l + f 2 + b 设l 哌i = r ( 2 1 6 ) 屯：r 一丝( c 。s 口一害s i n 目) 一半丝s i n 目 ( 2 _ 1 7 ) ，jjr 出于当岛 2 f 。时会产生窄脉冲，故令，0 = 2 一。并代入式2 一1 7 得 r = _ 与_ 舢_ l _ 争) ( 2 _ 1 8 ) c o s 口+ ! 兰s i n 臼 1 3 将长度为r 的参考矢量的顶点所扫过的曲线化为直角坐标系方程为 x + 孚y = 知 式2 1 9 表示的是直线方程，如图2 2 l 所示。故 ( 2 一1 9 ) n = r 孕c 。s ，儿去字 ( z 珈) r 3 3 ， “。 _ ，、【 得 6lp 式由 两安挫 一大学倾卜学位论文 以下就参考电压矢量落入小六边形1 上半部分的窄脉冲区域且有窄 脉冲发生时分3 种情况进行讨论。 1 若参考电压矢量箭头接近 + 0 0 0 矢量时( 图2 2 2 阴影部分所 示) ，该区域零电压矢量的作用时问大于4 。 图2 + 2 2 当参考矢量接近零矢量h 寸的窄脉冲区域 考虑到零矢量 0 0 0 有2 个冗余状态 + + + 和 一 ，他们的作用效果相同， 可以将 0 0 0 分成3 份，在波形左侧安排r 。宽度的 + + 十 矢量，在波形 右侧安排，。宽度的 _ 一 矢量，则可使最小脉宽限制在2 0 。由于3 个互拥冗余的零矢量作用效果相同，上述对波形的作用并不会影响参考 电压矢量的合成。例如图2 2 3 所示： 图2 2 3 肖参考矢量接近零矢量时的带脉冲消除方法 f 、心 i篪 第2 章二极管钳位三电，卜p w m 拧制算法 可以看出：经过波形处理以后，一个开关周期中最小的脉冲宽度为2 f 一。， 消除了窄脉冲。该方法能解决窄脉冲的区域( 以下称为窄脉冲消除使能 范围) 如图2 2 2 中阴影部分所示。 2 当接近 + 0 0 o 一 矢量时( 图2 2 4 阴影部分所示) ，虽然该矢量作用 时间大于2 f 。，但经过中点电位控制算法平移波形以后，可能会产 生新的窄脉冲。 图2 2 4 当参考矢量接近矢量 + 0 0 0 一 时的窄脉冲谜域 对此种情况，可采取将波形回移f 一。的办法来消除窄脉冲。例如图2 2 5 所示： 将三电平问厩转换为两 电平以后再用统一电压 调制的方法计算出的波 形 经过中点电位控制算法向 左平移以后的波形，由于 | | w 。 矢量 + 0 0 产生了一个窄脉冲 t 将波形向右回移 f 一 | 芏i2 2 5 当参考矢量接近矢量 + 0 0 o 时的窄脉冲消除方法 西安理_ t 人学碳十学位论文 同样，经过波形回移以后，一个开关周期中最小的脉冲宽度为2 ，消 除了窄脉冲。该方法能解决窄脉冲的区域如图2 2 4 中阴影部分所示。同 时可以看出，移动只是减弱了一点将中点电位拉回平衡点的强度，不会 造成中点控制的不稳定性。反而可能使中点电位不至于被校正过头。因 此，此种移动对中点控制有利有弊，总体来看基本不会影响中点控制的 效果。 3 当接近 + + o 0 0 一 矢量( 图22 6 阴影部分所示) 时，卜+ 0 o o 一 矢量 的作用时间大于2 f ，。 燃22 6 参苟矢量接近矢量【o 一j 时的带蜮冲选域 山于此处的区域是小六边形1 和小六边形2 的重叠区域，可以认为参考 电压矢量落入小六边形1 ，也可以认为落入小六边形2 。现认为落入小六 边形2 ，则 + + 0 0 0 一 矢量有很长的作用时间，且分布在波形的两边，消 除窄脉冲可用1 或2 中所介绍的方法。该方法能解决窄脉冲的区域如图 2 2 6 中阴影部分所示。但是这种情况下，由于改变了由中点控制算法所 确定的小六边形，无法消除 十0 0 矢量对中点电位造成的不利影响。可是 山于窄脉冲区域很小，且如果仅在l 或2 的方法无法消除窄脉冲的情况 下使用该方法时卜0 0 作r j 时间亦远小于 十+ o