三電平逆變器供電的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)

吳光彬 劉陵順 戴洪德

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系， 山東 264001）

1 引言

在上個(gè)世紀(jì)，直流電動(dòng)機(jī)就已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域用于調(diào)速控制，原因是直流電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩可以很容易的由磁場(chǎng)和電樞電流分別控制。隨后，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行，由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，所以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)迅速在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得到普及，起初，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)只能在轉(zhuǎn)速恒定的場(chǎng)合使用，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻電源得到了發(fā)展應(yīng)用，因此，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也擴(kuò)展到變速應(yīng)用領(lǐng)域。多電平逆變器反饋控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)特性上的表現(xiàn)可以媲美直流電動(dòng)機(jī)。

建立在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的動(dòng)態(tài)方程可以更好的描述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)在相當(dāng)多的機(jī)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用，當(dāng)要求感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在寬廣的速度范圍內(nèi)具有較好的動(dòng)態(tài)特性和較高的控制精度時(shí)，可以采用帶速度傳感器的矢量控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)對(duì)動(dòng)態(tài)特性和控制精度的要求不太高時(shí)，可以采用無(wú)傳感器的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)。電力電子技術(shù)的發(fā)展使得多級(jí)逆變器可以取代大尺寸的濾波器[1]。

二極管箝位型三電平逆變器在高壓大功率應(yīng)用中相對(duì)于傳統(tǒng)兩電平電壓型逆變器表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，引起了人們廣泛關(guān)注。電壓型逆變器的輸出性能主要取決于其調(diào)制方法，空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)以其易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，此外，在空間電壓矢量調(diào)制中若采用合適的調(diào)制算法還可以有效地抑制甚至消除共模電壓[2]。論文中，空間向量調(diào)制技術(shù)被用來(lái)減小諧波含量。傳統(tǒng)逆變器的諧波功率損耗很大，換言之，多級(jí)逆變器的諧波功率損耗很小。二極管箝位的逆變器從一系列電容上提供多級(jí)電平。跨過(guò)開(kāi)關(guān)的電壓大小僅是DC母線(xiàn)電壓的一半，這個(gè)特點(diǎn)可以在給定的二極管器件的條件下，有效的提高電源額定功率[3]。論文提出了多級(jí)逆變器實(shí)現(xiàn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制的方法，詳細(xì)的仿真、控制電路的實(shí)現(xiàn)。

2 三電平逆變器的原理[4-5]

二極管箝位型三電平逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用兩個(gè)功率器件串聯(lián)，電壓中點(diǎn)有一對(duì)二極管箝位，因而各主功率開(kāi)關(guān)器件承受的電壓是直流側(cè)電壓的一半，即相對(duì)于傳統(tǒng)兩電平逆變器來(lái)說(shuō)，主功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓可降低一半。

圖1 三電平逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

電路開(kāi)始工作前，直流回路上的電容Cl和C2先通過(guò)預(yù)充電電路充電，其穩(wěn)態(tài)電壓為直流回路電壓的一半，即Ed/2。由圖1可以看出，逆變器每一相橋臂有4個(gè)開(kāi)關(guān)器件，在這個(gè)電路中直流母線(xiàn)電壓被兩個(gè)串聯(lián)大電容C1和C2分割成三個(gè)等級(jí)。兩個(gè)電容的中間點(diǎn)m被定義為中性點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，輸出電壓VAO具有三個(gè)狀態(tài)：Ed/2，0和-Ed/2，對(duì)于電壓等級(jí)Ed/2，開(kāi)關(guān)S1，和S2必需接通，輸出電平定義為P；對(duì)于電壓等級(jí)-Ed/2，S3和S4需接通，輸出電平定義為N；而對(duì)于0電壓，S2和S3需接通，此時(shí)輸出電平定義為O。由此可見(jiàn)，電路工作時(shí)逆變器的一相橋臂輸出具有三種電平：P、O、N。

3 三電平逆變器空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM）方法[6-7]

3.1 三電平空間電壓矢量圖及其扇區(qū)劃分

三電平逆變器三相輸出電壓經(jīng) Park變換后的空間電壓矢量為

通常，逆變器利用開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷經(jīng)由各相只輸出Ed/2，0和-Ed /2三種電壓，通過(guò)式（1）的變換，輸出電壓矢量有 27種類(lèi)型，或者說(shuō)逆變器輸出27種基本矢量，如圖2所示。這里，一般將幅值為2Ed/3的矢量定義為大電壓矢量，如 PNN，PPN；幅值為Ed/3的矢量定義為中電壓矢量，如PON；幅值為Ed/3的矢量定義為小電壓矢量，如POO，ONN。以上三類(lèi)矢量可以分別簡(jiǎn)稱(chēng)為大矢量、中矢量和小矢量。本文將開(kāi)關(guān)狀態(tài)由P和O組成的小矢量稱(chēng)為正小矢量，如POO，將開(kāi)關(guān)狀態(tài)由N和O組成的小矢量稱(chēng)為負(fù)小矢量，如ONN。

由圖2可以看出，小矢量總是成對(duì)出現(xiàn)，如PPO與OON，一般稱(chēng)之為冗余小矢量。

圖2 三電平逆變器空間電壓矢量圖

如圖3所示，六個(gè)大電壓矢量將空間矢量圖分為六個(gè)正三角形區(qū)域，以大矢量PNN為起始沿逆時(shí)針每60°依次定義為扇區(qū)I、II、…、VI。進(jìn)一步地可以將每個(gè)正三角形區(qū)域分為4個(gè)小三角形，這樣，整個(gè)空間矢量圖一共可以分為24個(gè)小三角形。任何平衡的三相參考電壓都可在空間矢量圖上以一空間矢量表示，在任何時(shí)刻，參考電壓矢量將處于這些三角形中的一個(gè)。為了獲得最小的諧波畸變，參考矢量應(yīng)由最接近的三個(gè)空間矢量來(lái)合成[1]。例如，當(dāng)參考矢量處于圖 4所示的扇區(qū)I的三角形B中時(shí)，所使用的空間矢量為PON、PNN以及POO/ONN（這是一對(duì)冗余小矢量）。

圖3 三電平逆變器空間電壓矢量扇區(qū)示意圖

對(duì)每個(gè) 60°的大三角形區(qū)域進(jìn)行分析，然后根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，可以得到整個(gè)360°范圍的工作情況的分析。對(duì)應(yīng)不同的逆變器調(diào)制深度，三相電壓合成的電壓空間矢量幅值也不同，則合成的電壓空間矢量端點(diǎn)軌跡將會(huì)分別落在圖2的內(nèi)正三角形，外正三角形或內(nèi)外正三角形之間，對(duì)應(yīng)圖 3的分別是A三角形，B和D三角形或C三角形區(qū)域。

3.2 參考電壓矢量位置與輸出電壓矢量的確定

SVPWM的首要任務(wù)就是判斷參考電壓矢量位于哪個(gè)區(qū)域及該區(qū)域中的哪個(gè)小三角形，然后依此確定出相應(yīng)的輸出電壓矢量。首先，根據(jù)參考矢量的幅角確定出該矢量位于六個(gè)正六邊形區(qū)域中的哪一個(gè)，然后可以進(jìn)一步判斷位于哪個(gè)小三角形區(qū)域。

空間向量調(diào)制SVPWM是基于在α-β靜止坐標(biāo)系下向量選擇，考慮在三電平系統(tǒng)下定義的某個(gè)參考電壓向量，該電壓向量在圖4中和其他可用向量一起畫(huà)出。如果負(fù)載需要一個(gè)三相電壓族，期望的向量Vref將沿圓形軌跡運(yùn)行。SVPWM 策略的第一步是找出最近的三個(gè)向量。

圖4 扇區(qū)I中參考電壓矢量的合成

在這個(gè)例子中，與期望的向量Vref對(duì)應(yīng)的是V3，V4和冗余向量V1（POO/ONN）。下一步是決定每個(gè)向量的時(shí)間長(zhǎng)度以使平均電壓等于期望的電壓，這可以由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系得到，向量和相應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)由下式確定：

式中，Tsw是PWM控制的總導(dǎo)通時(shí)間，有：

根據(jù)（2）和（3）兩式，每個(gè)向量導(dǎo)通的時(shí)間可以通過(guò)解下式確定：

SVPWM 策略的最后步驟是決定電壓向量的開(kāi)關(guān)順序和相應(yīng)的輸出電壓[7]。

4 三電平逆變器供電的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

構(gòu)建Matlab Simulink仿真電路（圖5）進(jìn)行三電平逆變器供電的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的控制部分由參數(shù)給定，PI調(diào)節(jié)器，函數(shù)運(yùn)算，二相/三相坐標(biāo)變換，SVPWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。其中給定環(huán)節(jié)有定子電流勵(lì)磁分量im*和轉(zhuǎn)子速度n*。放大器G1，G2和積分器組成帶限幅的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流電壓模型轉(zhuǎn)換由函數(shù)Um*、Ut*模塊實(shí)現(xiàn)。函數(shù)運(yùn)算模塊ωs*根據(jù)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算轉(zhuǎn)差ωs，并與轉(zhuǎn)子頻率ω相加得到定子頻率ω1，再經(jīng)積分器得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角θ。模塊sin，cos，dq0/abc實(shí)現(xiàn)了二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止坐標(biāo)系的變換。

三電平逆變器的模型采用圖2的電路，仿真了給定轉(zhuǎn)速為1400 r/min時(shí)的空載起動(dòng)過(guò)程，在起動(dòng)后0.45 s加載TL=65 N·m。在仿真結(jié)果中圖6、圖7、圖8和圖9分別反映了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、定子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差頻率的變化過(guò)程，在電機(jī)起動(dòng)中，逆變器輸出電壓逐步提高，轉(zhuǎn)速上升，但是電流基本保持不變，Is=50/=35 A，電動(dòng)機(jī)以給定的最大電流起動(dòng)。在0.39 s時(shí)轉(zhuǎn)速稍微有超調(diào)后穩(wěn)定在1400 r/min，電流也下降為空載電流。電動(dòng)機(jī)在加載后電流迅速上升，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，轉(zhuǎn)速在略經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)不變。

圖5 轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真模型

圖6 電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

圖7 電動(dòng)機(jī)定子一相電流波形

圖8 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

圖9 計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差頻率ws*給定數(shù)值

5 結(jié)束語(yǔ)

仿真的結(jié)果表明，采用三電平逆變器供電轉(zhuǎn)差頻率控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，三電平逆變器是最為具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的多電平電路，具有拓?fù)湎鄬?duì)簡(jiǎn)單，所用器件相對(duì)較少，可靠性高等特點(diǎn)，對(duì)以此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的高性能異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究具有實(shí)際意義。由于時(shí)間和條件的限制，目前尚有許多工作未能進(jìn)一步展開(kāi)，本文認(rèn)為以下的工作還值得進(jìn)一步研究：1）建立更高性能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)以定子電流、定子磁鏈為狀態(tài)變量構(gòu)成的全階觀(guān)測(cè)器的磁鏈觀(guān)測(cè)方案和速度辨識(shí)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2）在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，利用合適的控制理論和控制方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的在線(xiàn)辨識(shí)。3）在三電平空間矢量調(diào)制中考慮對(duì)共模電壓的抑制，以降低電機(jī)軸電流。

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