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四开关空间矢量脉宽调制控制算法及母线电容电压不平衡问题的研究.pdf

四开关空间矢量脉宽调制控制算法及母线电容电压不平衡问题的研究

tanxg
2013-05-09 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《四开关空间矢量脉宽调制控制算法及母线电容电压不平衡问题的研究pdf》,可适用于高等教育领域

迫札与控制应用,()摔制。j应用技术“EMCA四开关空间矢量脉宽调制控制算法及母线电容电压不平衡问题的研究术于丽娜赵克孙力安群涛(哈尔滨工业大学电气工程系黑龙江哈尔滨)摘要:三相四开关逆变器采用“五段式”空间矢量脉宽调制(SVPWM)方案可有效减小电机的转矩脉动而四开关逆变器的母线电容电压不平衡将直接影响SVPWM的效果导致电机j相电流不平衡使电机的转矩脉动加剧。在深入分析四开关逆变器SVPWM原理的前提下分析了直流母线电压不平衡对电机运行的影响提出了.一种有效的补偿办法。仿真结果表明补偿后的异步电机VVVF系统具有较好的性能。关键词:四开关逆变器空间矢量脉宽调制电容电压不平衡中图分类号:TM.文献标志码:A文章编号:()StudyonFourSwitchSVPWMControlAlgorithmandProblemofUnbalanceVoltageofCapacitorinDCLinkYULi.rZHAKe。SUNLiANQuntao(DepartmentofElectricalEngineeringHarbinInstituteofTechnologyHarbinChina)Abstract:Thefourswitchthreephaseinverteronlyhavefourbasicvoltagespacevector.ThemethodoffivesegmentmodeCallreducethetorquerippleeffectivelybuttheDC·linkcapacitorvoltageunbalanceoffourswitchinverierwillaffecttheeffecttheSVPWMdirectlyandcausethethreephasecurrentunbalanceofthemotorandintensifythetorquerippleofthemotor.BasedontheanalysisoftheprincipleoffourswitchSVPWManalysistheaffectoftheDClinkvoltageunbalanceonthemotorproposeaeffectivecompensationmethod.ThesimulationsresultsshowedthatwiththecompensationtheInductionmotorVVVFsystemhadabetterperformance.Keywords:fourswitchinverterspacevectorpulsewidthmodulationcapacitorvoltageunbalance引言三相六开关电压源逆变器以其结构简单、控制灵活等诸多优点在电机变频调速等场合得到了广泛应用。其中的电力电子器件是最容易发生故障的薄弱环节如果没有预先设置的保护措施或容错策略故障的发生将会导致系统丧失正常的运行能力甚至导致系统崩溃。这在电力机车、舰船驱动、军事装备等一些需要连续运行的重要应用场合可能会导致灾难性的后果。因此容错三相四开关逆变器的运行方案及控制方法具有重要的研究价值¨⋯。电压空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulationSVPWM)是一种应用于交流电·基金项目:广东省自然科学基金资助项目()动机数字化控制的方法该方法具有谐波含量少、开关损耗小、直流电压利用率高等优点从而降低了电机的转矩脉动提高了交流调速性能引。四开关逆变器是在原六开关逆变器某相桥臂的功率器件发生故障的情况下使故障相绕组端点直接与母线两串联电容中点相连通过控制其余四个功率器件通断得以实现电机的继续运行。母线电容电压是否平衡将直接影响SVPWM的输出使加在电机上的电压产生偏移形成不对称电流。反过来不对称的电流也将影响母线电容电压的平衡使影响进一步加剧。影响母线电容电压平衡的原因包括:故障相电流对母线电容充放电、两个母线电容的选择不可能完全相同、整流电路对母线电容充放电一万方数据控制’彳应用技术E№A迫札与柱芾J应用,()等日其中最主要的原因是故障相电流对母线电容充放电故障相电流越大两电容电压差值越大。本文在深入分析四开关逆变器运行原理的基础上进行了四开关SVPWM控制算法的研究对逆变器直流母线电容电压不平衡产生的原因以及对电机运行的影响进行了深入分析和计算从而提出了可行的解决方法搭建了异步电机VVVF系统的仿真模型通过仿真结果对理论分析进行了验证。四开关逆变器的运行原理当逆变器某一相桥臂(如a相桥臂)的功率器件发生短路或开路故障时断开故障桥臂使该相绕组端点与母线串联电容中点相连形成如图所示的三相四开关逆变器拓扑结构。此时通过控制b、c两个桥臂个开关器件的通断也可实现对电机的控制使电机继续运行。本文以s¨S。分别表示b、c桥臂功率开关器件的开关状态s。(S。)等于表示上桥臂管导通下桥臂管关断等于O表示上桥臂管关断下桥臂管开通。一VTVJ。VT.甲sJ.。.●.ClJLJI=一一~C一Cy碎。砗。。㈠●』L√k一图I三相四开关逆变器拓扑结构当忽略母线电容中点电压波动并且S。S。=时对应的电路图如图所示容易得出:‰=手×字=丁Udc()饥。吨。=一(÷×警)警㈤一一bc图SbS。=时对应的电路图式中:U。、Ub.、U。。a、b、c相绕组相电压鼢争睢鬻()式中:口空间旋转因子o=ejx们。表四开关逆变器电压空间矢量与开关状态的关系四开关SVPWM原理SVPWM控制技术是从电动机的角度出发着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准用三相逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆使得磁链的轨迹靠电压空间矢量相加得到从而达到较高的控制性能H。传统六开关逆变器有个基本电压矢量其中包括个零电压矢量可以通过对这个基本电压矢量的合理组合产生六边形内部的任意电压矢量。同理四开关逆变器也能通过合万方数据迫轧西才空帚J应用,()挖翩与应用技术。E嘲队理的组合产生图所示的四边形内部任意电压矢量只是四开关逆变器有四个基本电压矢量不存在零电压矢量控制方法是在相同时间内施加两个相反方向电压矢量(等零矢量)来等效零矢量的作用‘|下面对其原理进行分析。卢udo)/iU\仁芥:k。≯!.‘~oo)图四开关逆变器的电压矢量图以第扇区为例根据平均值等效原理有:T=TI疋%()us彳砜彳以()式中:卜脉宽调制周期正“作用的时间瓦以作用的时间瓦等效零矢量作用时间。结合式():U。=玑%()得出式()、()i五=r缘=等㈣疋=r笼=等㈣由式()可得电压空间矢量在线性调制时的约束条件为瓦疋≤T()将式()、()代入式()有:I玑I<l譬玑c/c。s(詈一日)l()式中:卜玑与Ot轴之间的夹角。由式()可以看出在线性调制时四开关逆变器输出相电压极限峰值为肋。。/而逆变器能够输出的最大相电压为u。/相同的直流母线电压下四开关逆变器SVPWM的最大线性调制比为√影仅为六开关SVPWM的一半。可见四开关逆变器的直流电源利用率仅是六开关逆变器的/。四开关“五段式"SVPWM本文在对四开关SVPWM的原理进行合理分析后通过与六开关逆变器的SVPWM算法进行类比提出了能在数字信号处理器(DigitalSignalProcessingDSP)上实现的四开关SVPWM算法。()判断参考电压矢量U。所在扇区。由图可以得出以和%与U。所在扇区的关系如表所示。表电压空间矢量在邵坐标轴上的分■与其所在扇区的关系()计算瓦、疋、死。令:五:掣()五=i严()udc咒:笔型()'=T一瓦一疋()当L死>T时令:L=蠹×T()疋=不专×T()在空间矢量算法实现过程中开关状态通常情况下是由PWM周期内脉冲的占空比调节来实现的也就是通过调节事件管理器定时器的占空比来调节开关器件的闭合断开时间。图给出了采用“五段式”SVPWM方案时电压空间矢量在不同扇区时对应的PWM波形。“五段式”SVPWM方法将两个特定矢量的作用时间一分为二生成的PWM波形是对称的实际合成矢量与给定合成矢量的偏差较小所以磁链的相位和幅值与期一万方数据控制与应用技术‘E眦A迫札与粒制应闸,()瓦瓦PWMPWM瓦rPWMPWM瓦瓦PWMPWMPWMPWM(a)第扇区(b)第扇区(c)第扇区(d)第扇区图“五段式“四开关SVPWM波形望值的偏差也较小电机的转矩脉动较小。在软件编程时应根据图算出电压矢量在不同扇区对应的矢量切换点tbo。、t。。再将tbon、£一分别与周期寄存器的值相乘得到比较寄存器的值将得到的比较寄存器的值写到对应的CMPRX中即可实现四开关SVPWM。采用“五段式”SVP.一母线电容电压不平衡问题荔=孥二:):乏:爹荔/△u【纠篡。眦S)/AU/㈣S成=oo图电容C.、C两端电压不平衡时对应的简易电路图在存在不平衡电压△u情况下电压空间矢量及其在邮坐标轴上的分量与开关状态S。、S。的关系如表所示由表可画出相应的四开关逆变器的电压矢量图如图所示。由图可看出当c。、C:两端电压存在不平衡分量△u时四个基本电压分量变为“、“、昵、以由它们的端点所围成的四边形ABCD即为逆变器实际可产生的参考电压矢量区域与理想时相比左移了万方数据Administrator铅笔迫札与柱芾J应用,()控制与应用技术’E眦AAU/(AU为负时向右)。当参考电压矢量轨迹为四边形abed的内切圆时调制比m达到最大。易求得线性调制下逆变器输出相电压极限峰值为u一=万.丁Udelavl)(。)乡爸aI僻、fD/fdtS":。杰、/.:\:罡(M一叫、:I、、rj。t:\‘≮划、、fu造图存在不平衡电压AU情况下四开关逆变器的电压矢量图表存在不平衡电压AU情况下电压空间矢量与开关状态的关系此时对应的最大线性调制比为m。。:爿,下UdclI)UdoAU/()mmxiL了一Iltzlj。一由于不平衡电压△u的存在使四开关SVPWM的直流电压利用率降低lAUI越大m越小。可见C。、G:两端电压平衡问题直接影响逆变器的输出电压质量和能力。理想情况下应存在:』以=Urcos∞‘()【%=Usintot那么当c。、C:两端电压存在不平衡分量AU时有式():∥Ureostot一亏△u()【%=usintOt对玑和%进行Clarke逆变换并结合式()可得出在c。、c:两端电压存在不平衡分量AU时各绕组相电压u:。、u:。、u:。的关系为一’吧=即。s∞£一号△uu:。=UrcoS(∞t。)IAU()V'o。=Ueos(∞t。)AU作用在电机绕组上的三相电压产生了偏移从而导致三相电流不平衡影响电机正常运行。实际系统中不平衡分量AU是随故障相电流的变化而变化的所以实际的电压矢量圆沿着故障相绕组轴线方向左右摆动。导致母线电容中点电压波动的最主要原因是故障相电流对母线电容的充放电而由式()容易看出使母线中点电压波动减小的方法是加大电容值或者使电机运行频率增大四开关驱动系统低频特性不好的原因正在于此。.j玑=焉()jtot在实际系统中电容值的选择是有限的为了减小或消除不平衡电压对逆变器输出电压的影响最好在程序中对基本电压矢量的作用时间进行修正对不平衡电压进行补偿。通过对图和式()进行分析在SVPWM时令:’f“=ucostot号△u{%:u。intot()LAU=(UclU晓)/这样通过有效的补偿可以减小逆变器输出电压的偏移量使电机电流接近三相对称电流。在实际系统中只需用两个电压互感器测量电容C。和C:上的电压即可。仿真结果在MATLAB/Simulink环境下搭建了基于“五段式SVPWM”方案的三相异步电机VVVF系统一万方数据Administrator铅笔控制‘i应用技术MeA电札与控制应用LO,()的仿真模型电机参数如下:转子为笼型额定容量×VA额定电压V额定频率Hz定子绕组电阻.n定子漏感mH定转子互感mH转子绕组电阻.n转子漏感mH转动惯量.kg.m摩擦系数为极数为。逆变器开关频率kHz直流母线电压由tlS(a)三相电流波形工频HzV交流电源经过整流得到。仿真结果如图所示。图、表明随着C、c容值的增大电机的性能也得到明显提高容值足够大时电机电流基本为三相对称电流转矩脉动较小。图、、表明随着电机运行频率的增大电机的性能也得到明显提高频率足够大时言!三号鸯t/s(b)转速和转矩波形图f=HzCl=c=pF时的仿真波形t/s(a)三相电流波形图=HzC。=C=一强舍Z毒:!(b)转速和转矩波形“F时的仿真波形磷鼍m鲁舔(a)三相电流波形(b)转速和转矩波形图/=Hzc。=C=IxF时的仿真波形t/s(a)三相电流波形图/=HzCl喜!≤芎圣(b)转速和转矩波形=c=斗F时的仿真波形z穗|I万方数据迫札秀才宝制应用lo,()控制与应用技术EMCA(a)三相电流波形(b)转速和转矩波形图f=HzCI=C=妒补偿后的仿真波形看勰孳i鼍一、昌Z吝一(a)三相电流波形(b)转速和转矩波形图厂=Hzcl=c=斗F补偿后的仿真波形电机电流基本为三相对称电流转矩脉动较小。图、分别为补偿后的仿真波形与图、相比补偿后的电流波形得到了明显改善转矩脉动明显减小。仿真结果验证了本文提出的母线电容电压不平衡补偿方法的正确性和有效性。结诸三相四开关逆变器作为一种低成本的容错结构在近年成为众多学者研究的热点而三相四开关逆变器母线电容电压不平衡问题则是影响电机性能的关键因素。本文在深入分析四开关SVP.WM原理的基础上提出了四开关“五段式”SVPWM算法对SVPWM过程中母线电容电压不平衡产生的影响进行了详细分析和计算。指出导致母线电容电压不平衡最主要的原因是故障相电流对母线电容的充放电加大电容值或者使电机运行频率增高可以减轻母线中点电压波动。为了减小不平衡电压对逆变器输出电压的影响提出了一种补偿方法并通过仿真得到了验证。【参考文献】JaehongKimJinseokHongKwangheeNam.Acurrentdistortioncompensationschemeforfour·switchin。vertemJ.TransactionsonPowerElectronics():.安群涛孙醒涛赵克等.容错三相四开关控制策略J.中国电机工程学报():.蒋志坚徐殿国朱香娟.感应电机四开关低成本逆变器的磁链轨迹改进控制研究J.中国电机工程学报():.李涛程小华.电机空间电压矢量控制的研究J.防爆电机():.张卫丰余岳辉.基于DSP的优化空间矢量脉宽调制研究J.武汉理工大学学报():.王建宽崔巍江建中.SVPWM技术的理论分析及仿真J.微特电机():.IVONNEYB孙丹刘学等.永磁同步电机驱动系统逆变器容错重构控制J.电力电子技术():.张兰红胡育文黄文新.基于直接转矩控制技术的异步电机驱动系统两种容错方案研究J.南京航空航天大学学报():.收稿期:加一JJJJJJJ心口M∞№口隋万方数据

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