基于功率因数角预测电流矢量的死区补偿方法

电力电子技术 Power Electronics Vol.42,No.3 March,2008 第42卷第3期 2008年3月 基金项目:国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 课题(2006BAJ04B06) 定稿日期:2007-10-29 作者简介:葛黄徐(1983-),男,浙江海宁人,硕士研究 生,研究方向为电力电子技术。 1 引 言 随着电力电子器件应用领域的扩大，其特性也 越来越多地被关注。任何开关器件都存在一定的导 通和关断时间，为了防止同一桥臂上两个开关器件 发生同时导通的现象，必须在控制信号中设置死区 时间。然而由于死区时间的存在，必然会使逆变器的 输出电压、电流波形产生畸变，谐波含量增高。在变 频器驱动电机低速运行时，死区效应 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现得更为明 显。为了解决死区时间对系统的影响，国内外许多专 家开展了大量的研究工作，并取得了一定的效果。文 献[1]的方法需要测量电流的正负，由于输出电流中 含有大量的谐波，必须对其进行滤波处理，这就导致 了检测的滞后。又由于存在零电流箝位现象，使得过 零点附近的检测具有模糊性；文献[2]通过 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 电压 矢量与电流矢量的关系，得出了预测矢量电流方向 的方法，但是该方法还需测量两相电流，因此存在与 文献[1]同样的缺点；文献[3-5]虽然做了一些改进， 但没有避免测量输出电流这一环节；文献[6]的预测 电流矢量方法虽然无需测量输出电流，但是需要复 杂的软件运算。在上述文献的基础上，通过分析电压 矢量、电流矢量与功率因数角三者的关系，得到一种 利用功率因数角预测电流矢量，根据电流矢量落入 的区域判断各相电流方向的方法。利用该方法不仅 无需测量输出电流，同时还可以避免使用复杂的软 件算法。 2 死区效应分析 选择A相来分析死区时间对逆变器的影响，如 图1所示。当ia>0时，续流二极管VD4工作，当ia<0， 续流二极管VD1工作。同时，根据同一桥臂上两个 功率器件的开通关断顺序，有以下4种状态。 （1）ia>0时，VT1从开通到关断，VT4从关断到开 通。在死区时间内，VD4工作，将A相电压箝位在零， 此时A相实际电压应为零，因此没有电压损失。 （2）ia>0时，VT1从关断到开通，VT4从开通到关 断。在死区时间内，VD4工作，A相电压被箝位在零， 此时A相实际电压应为uak。因此在一个脉冲周期 内，A相电压的有效作用时间减小了Td。 （3）ia<0时，VT1从开通到关断，VT4从关断到开 通。在死区时间内，VD1工作，A相电压被箝位在 Uak，此时A相实际电压应为零。因此在一个脉冲周 期内，A相电压的有效作用时间增加了Td。 （4）ia<0时，VT1从关断到开导，VT4从开通到关 断。在死区时间内，VD1工作，将A相电压箝位在 基于功率因数角预测电流矢量的死区补偿方法 葛黄徐,杨仁刚,潘年安,唐云峰 （中国农业大学，北京 100083） 摘要：分析了变频器的死区效应以及SVPWM算法中电压矢量、电流矢量与功率因数角三者的关系，并由此得到一种 基于功率因数角预测电流矢量的死区补偿方法。采用输出电压矢量脉冲宽度补偿策略进行死区补偿，最终给出实验 波形。实验结果表明，该方法补偿效果明显，有较好的实用价值。 关键词：补偿；功率因数；补偿 中图分类号:TM773 文献标识码:A 文章编号:1000-100X（2008）03-0078-03 Dead-time Compensation Technique based on Predicting Current Vector by Power Factor Angle GE Huang-xu，YANGRen-gang，PANNian-an，TANGYun-feng （China Agriculture University，Beijing100083，China） Abstract：The paper analyzed the dead-time effect ofinverter and the relationship amongvoltage vector，current vector and power factor angle ofthe space vector pulse width modulation（SVPWM），then a method for dead-time compensation was proposed based on predicting current vector by power factor angle.The strategy for compensating output voltage sector was taken in realization，and the test waveformwas showed at last.The method is convenient torealize.The experimental results showthat the compensation is remarkable. Keywords：compensation；power factor；compensation Foundation Project：Supported byNational Science and TechnologySustain Plan（No.2006BAJ04B06） 78 表2 电流矢量角和补偿电压脉宽之间的关系 θ ia ib ic 对应电压矢量 -π/6～π/6 + - - U4（011） π/6～π/2 + + - U5（001） π/2～5π/6 - + - U6（101） 5π/6～7π/6 - + + U1（100） 7π/6～3π/2 - - + U2（110） 3π/2～11π/6 + - + U3（010） B相 C相 -π 2 ～π 2 -5π 6 ～π 6 -π 6 ～5π 6 5π 6 ～11π 6 ia>0 ib>0 ic>0 ic<0 A相 π 2 ～3π 2 ia<0 矢量 角θ 电流 方向 π 6 ～7π 6 ib<0 表 1 电流矢量角与补偿电压脉宽之间的关系 Uak，此时A相实际电压应为Uak，故没有电压损失。 由上述分析可知，当ia>0时，逆变器在每个开关 周期内实际输出电压的宽度比指令电压的宽度减小 Td；当ia<0时，逆变器在每个开关周期内实际输出电 压的宽度比指令电压的宽度增加Td。在此就是根据 预测得到的电流方向来进行分相补偿的。 3 基于脉冲宽度调整的死区补偿 以A相为例，图2 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 了基于脉冲宽度调整来 进行死区补偿的原理。 （1）负载电流ia>0。此时，变频器的理想输出脉 冲宽度为ton，但由上述分析可知，因死区时间的影 响，实际输出电压的脉冲宽度将减小td，即此时实际 输出电压脉宽为ton-td。为了补偿死区时间对变频器 输出电压的影响，需要在输入脉冲宽度上增加td，即 此时上桥臂输入的脉冲宽度为ton+td。这时变频器输 出的电压脉宽为ton，与理想的电压脉宽一样。 （2）负载电流ia<0。同上所述，变频器输出的电 压脉宽将会因死区时间的影响而增加td。为了消除 这个影响，应该在理想输入脉冲宽度的基础上减小 td。这时再经过死区调节环节后，实际的输出电压脉 冲宽度与理想波形一样。 实际中，该方法具有非常简单的实现方式，即只 需在原来写入PWM数值寄存器值的基础上增加或 减少一个死区时间td就可完成。但该补偿方法的主 要难点在于如何判断出逆变电路的输出电流方向。 4 基于功率因数角的输出电流方向预测法 图3为同一坐标系下的电压和电流矢量。三相 定子电压UA，UB，UC合成电压矢量Us，三相电流IA， IB，IC合成以电流矢量Is，二者同以角速度ω在空间 旋转。因此只要判断出电流矢量Is与A相电压矢量 UA的夹角θ，就能分别判断出三相电流的方向。每相 电压和电流之间相差一个功率因数角φ，因此Us与 Is之间的夹角也同样为φ。又因在SVPWM调制过程 中，Us与UA之间的夹角总是已知的，因此求出φ，即 可求出电流矢量角的位置，为： θ=ωt-φ （1） 由式（1）可求出Is位置θ，进而判断出变频器输 出电流方向。 图4示出功率因数角的计算原理框图。由于变 频器输出侧输出的脉冲波形不利于测量，变频器对 功率因素的影响可以忽略不计，因此可以用变频器 输入侧的电量代替输出侧电量。首先通过电流互感 器和电压互感器测量变频器输入侧的电流和电压。 然后通过计算算出有功功率和无功功率，最后通过 一个反正切函数求出φ。实际上只需通过一个电能 计量芯片就能迅速完成有功功率和无功功率的计 算，而且准确度很高。对于功率因数较为恒定的负 荷，可直接给定功率因数角。由图3可得电流矢量角 和补偿电压脉宽之间的关系，如表1所示。由此，只 要知道 Is和 A相电流矢量的夹角即电流矢量角 θ 的大小，即可判断出三相电流的方向。 表2示出电流矢量角和补偿电压脉宽之间的关 系。将空间分为6个区间，当电流矢量Is处于其中 某个区间内时，可根据表2找出对应要补偿电压的 符号及补偿电压矢量。 5 变频器死区补偿实验结果 图 5示出整个实验电路图，控制回路采用 56F807控制芯片。实验参数：额定电压Un=380V，额 定电流In=2.0A，额定频率50Hz，额定功率0.75kW； 三相负载采用0.6kW直流电机。IGBT驱动模块死区 时间设定为5μs；输入电压160V，载波频率10kHz。 图6示出补偿前、后的三相电流谐波含量大小。 基于功率因数角预测电流矢量的死区补偿方法 79 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 矩形 Administrator 矩形 Administrator 矩形 Administrator 高亮 Administrator 高亮 电力电子技术 PowerElectronics Vol.42,No.3 March,2008 第42卷第3期 2008年3月 (上接第 45页)进行分析，经变压器传输后，波形失真 较小，能满足大功率电力电子器件，如IGBT等对驱 动能量的要求；当频率约为20kHz时，适于中等频 率场合，且延迟时间较小；当传输距离较大时，波形 有畸变，但加以适当的滤波，能对波形起到改进作 用，使远距离传输成为可能。 4.3 多路输出的实验 使用一套DC源和半桥逆变电路，使输出端实 现多路输出，同时为多个电力电子器件提供驱动能 量。通过增加次级侧变压器的数量实现了多路输出。 实验以3路输出为例，图7示出变压器初级侧电压 u1和3个次级侧输出电压u41，u42，u43的波形。由此可 知，该电路就能同时为3路IGBT提供驱动能量。 其中，频率为 20.2592kHz，u41的上升时间为 475ns，下降时间为725ns；u42的上升时间为320ns， 下降时间为163.3ns；u43的上升时间为508.3ns，下 降时间为650.5ns。由实验波形可见，基本能实现多 路输出，但波形失真较大，尚有改进的余地。 5 结 论 提出了用于IGBT等大功率电力电子器件的一 种新型高压隔离驱动方式，着重对用于能量传输的 新型双磁芯高压隔离变压器进行了介绍，通过设计 制作和实验，证明它制作简单，成本低廉，隔离电压 等级高，抗电磁干扰能力强，对工作环境的适应能 力强；配合使用无线传输驱动信号，能很好地实现 大功率电力电子器件的驱动控制，具有很好的应用 和推广价值。 参考文献 [1]金高先.用于中高压电力电子装置的高压隔离驱动电源 的研究[D].杭州：浙江大学，2005. [2] StéphaneBréhaut，FrancoisCosta.GateDrivingofHigh PowerIGBTbyWirelessTransmission[A].IPEMC2006[C]. Aug.2006，1：1-5. [3] SCTang，SYHui，Shu-HungChung.CorelessPrintedCir- cuitBoard（PCB） TransformerswithMultipleSecondary WindingsforComplementaryGateDriveCircuits[J].IEEE Trans.onPwerElectronics，May1999，14（3）：431-437. 由图6a，b可见，没有进行死区补偿时，输出电 流的总畸变率THD=17.6%，补偿后的THD=5.4%。由 图6c，d可见，没有进行死区补偿时的THD=16.6%， 补偿后的THD=4.2%。由图6e，f可见，没有进行死区 补偿时的THD=16.1%，补偿后的THD=4.1%。 6 结 论 在分析了SVPWM算法中电压矢量、电流矢量 和功率因数角三者关系的基础上，得到了一种基于 功率因数角预测电流矢量的死区补偿方法，采用输 出电压矢量脉冲宽度补偿策略。实验结果证明，该补 偿算法有效，且该方法可以有效抑制输出电流谐波， 降低电动机输入转矩的脉动，提高变频器的运行效 率，有利于改善电动机的动态性能，增加控制系统的 稳定性，有较好的实用价值。 参考文献 [1]窦汝振，刘 钧，温旭辉，等.SVPWM控制逆变器死区补 偿方法的研究[J].电力电子技术，2004，38（6）：59-61. [2] 孙向东.基于定子电压矢量定向的死区补偿方法在通用 型变频调速器中的应用[J].电气传动自动化，2003，25（2）： 1-2. [3]郑 伟，季筱隆，刘 玮，等.一种基于电流矢量的死区时 间补偿 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 [J].电气传动，2005，35（4）：34-35. [4] 吴茂刚，赵荣祥，等.空间矢量PWM逆变器死区效应分 析与补偿方法[J].浙江大学学报（工学版），2006，40（3）： 469-473. 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