變頻器逆變單元死區(qū)效應(yīng)分析及其補(bǔ)償

王旭陽(yáng)，劉文生，張廣遠(yuǎn)

（大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連116028）

0 引 言

基于恒壓頻比控制的通用變頻器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)中，在逆變器輸出中，為了防止同一橋臂的上下兩個(gè)IGBT直通，需加入4到10μs的死區(qū)時(shí)間。雖然死區(qū)時(shí)間很短，單個(gè)脈沖不足以影響系統(tǒng)性能，但連續(xù)一個(gè)周期的效應(yīng)積累卻會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生很大的影響。尤其在低速及調(diào)制度很高時(shí)，死區(qū)會(huì)使輸出電壓含有很大諧波分量，電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。這也是造成V/f控制的通用變頻器低速時(shí)帶載能力差，甚至使電機(jī)產(chǎn)生抖動(dòng)，穩(wěn)定性不好的重要原因之一，造成了通用變頻器應(yīng)用領(lǐng)域范圍的減少。因此對(duì)逆變器進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償是非常有必要的［1－3］。

死區(qū)補(bǔ)償方法主要是對(duì)死區(qū)誤差進(jìn)行電壓補(bǔ)償，或者對(duì)損失的PWM脈沖寬度在軟件上進(jìn)行時(shí)間的補(bǔ)償，使實(shí)際的開(kāi)通時(shí)間與理想導(dǎo)通時(shí)間相一致［4］。這些方法一般都需要負(fù)載電流的極性，但電流在過(guò)零點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生“零點(diǎn)箝位”，因此提高電流檢測(cè)的精度對(duì)死區(qū)補(bǔ)償至關(guān)重要。

本文詳細(xì)分析了死區(qū)對(duì)輸出電壓的影響，并在通用變頻器現(xiàn)有的硬件基礎(chǔ)上，在盡量不增加硬件電路的前提下，對(duì)死區(qū)補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究。由于電流檢測(cè)器件本身以及外界干擾會(huì)造成電流零漂，針對(duì)零漂現(xiàn)象在軟件上進(jìn)行了自適應(yīng)零點(diǎn)調(diào)整。并在零電流區(qū)域內(nèi)，設(shè)置了電流零點(diǎn)閾值，可以有效改善電流畸變。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該死區(qū)補(bǔ)償方法的有效性。

1 死區(qū)效應(yīng)分析

電壓型逆變器誤差波的產(chǎn)生是由于死區(qū)時(shí)間內(nèi)的IGBT反并聯(lián)的二極管續(xù)流造成的電壓突變引起的。以A相橋臂為例進(jìn)行分析，電流方向如圖1所示。

圖1 逆變器A相橋臂電流方向

假如負(fù)載為感性負(fù)載，當(dāng)ia＞0時(shí)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流通過(guò)VD4續(xù)流，如圖2所示，輸出電壓會(huì)減少TdDd的脈沖；同理當(dāng)ia＜0，死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流通過(guò)VD1續(xù)流，輸出電壓會(huì)增加TdDd的脈沖。其中Ud為直流母線電壓，td為死區(qū)時(shí)間，ton為IGBT導(dǎo)通時(shí)間，toff為IGBT關(guān)斷時(shí)間，Td＝td＋ton－toff。

圖2 A相電壓波形

由以上分析可知，根據(jù)電流極性不同，實(shí)際的輸出電壓與理想輸出電壓在每個(gè)脈沖周期里都會(huì)相差一個(gè)脈沖誤差電壓。采用等時(shí)間電壓面積法［5］，可得等效的誤差電壓：

式中，fs為調(diào)制波頻率；fc為載波頻率。

加入死區(qū)的實(shí)際輸出電壓電流波形如圖3所示。

圖3 實(shí)際輸出電壓電流波形

圖3（a）為理想的調(diào)制電壓信號(hào)和理想的負(fù)載電流；圖3（b）為加入死區(qū)的電壓等效誤差波；圖3（c）為實(shí)際的輸出電壓。實(shí)際輸出電壓應(yīng)為理想電壓波形與死區(qū)產(chǎn)生的電壓誤差波的疊加。在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，電壓誤差波極性也會(huì)隨之改變，這樣逆變器在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)的輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。圖3（d）為實(shí)際的輸出電流波形。若負(fù)載為感性負(fù)載，電流在過(guò)零點(diǎn)時(shí)存在“零點(diǎn)箝位”現(xiàn)象［6］。

2 死區(qū)補(bǔ)償方案

一種補(bǔ)償方法是對(duì)死區(qū)誤差進(jìn)行電壓補(bǔ)償，即將正弦調(diào)制信號(hào)根據(jù)電流極性按照式（1）得到的偏差電壓進(jìn)行修正，即

但這是一種平均補(bǔ)償方法，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性都不高［7］。為避免平均電壓補(bǔ)償?shù)牟蛔悖捎迷诿總€(gè)PWM周期都進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間補(bǔ)償方法。忽略開(kāi)關(guān)管和二極管的導(dǎo)通壓降，則每個(gè)PWM周期的死區(qū)誤差時(shí)間為

根據(jù)電流極性的不同，在軟件里實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)PWM周期的CMPR值，對(duì)PWM的占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使實(shí)際輸出的PWM占空比與理想的占空比相一致，消除死區(qū)對(duì)輸出電壓的影響。

死區(qū)補(bǔ)償軟件流程圖如圖4所示，其中TBPRD為基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的周期寄存器值，T為PWM采樣周期。CMPA為A相輸出的PWM比較寄存器值。

圖4 死區(qū)補(bǔ)償軟件流程圖

小功率通用變頻器三相電流檢測(cè)一般采用電阻取樣檢測(cè) ，DSP的AD采樣允許電壓范圍為0～3 V，所以必須對(duì)檢測(cè)到的三相交流電流進(jìn)行電壓偏移，為提高檢測(cè)精度，采用HCLP788芯片實(shí)現(xiàn)電壓偏移及隔離。電路如圖5所示。其中U為電阻采集電壓，UOUT為隔離后的輸出電壓。

由于檢測(cè)電路本身以及外界干擾會(huì)造成電流零點(diǎn)漂移，使AD采樣的初始零點(diǎn)不準(zhǔn)確。為防止零點(diǎn)漂移，在軟件上進(jìn)行了自適應(yīng)零點(diǎn)調(diào)整，即每次變頻器上電開(kāi)始，在還沒(méi)有運(yùn)行之前，先對(duì)零電流進(jìn)行檢測(cè)，濾波之后自動(dòng)調(diào)整為現(xiàn)在的零點(diǎn)位置，提高了電流的檢測(cè)精度。

零點(diǎn)箝位現(xiàn)象，會(huì)造成零點(diǎn)電流極性檢測(cè)困難，所以在電流檢測(cè)零點(diǎn)附近設(shè)置電流閾值Δi，在±Δi之內(nèi)不對(duì)其進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償，防止因檢測(cè)不準(zhǔn)確造成的誤補(bǔ)償。

圖5 電流檢測(cè)隔離電路

3 仿真分析

首先在MATLAB上對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了仿真研究，電機(jī)額定功率5.5 kW，定子電阻3.137Ω，定子漏感為0.01245 H，轉(zhuǎn)子電阻為2.546Ω，轉(zhuǎn)子漏感為0.01236 H，極對(duì)數(shù)2，死區(qū)時(shí)間10μs，開(kāi)關(guān)頻率5 kHz。由圖6、7可以看出，加入死區(qū)后電流波形發(fā)生明顯的畸變，同時(shí)諧波含量增加，5次和7次諧波分量增加嚴(yán)重。由圖8、9可知，經(jīng)過(guò)死區(qū)補(bǔ)償后波形得到很大改善，諧波分量減少。

圖6 加入死區(qū)的A相電流波形

圖7 加入死區(qū)的A相電流諧波

圖8 經(jīng)過(guò)死區(qū)補(bǔ)償?shù)腁相電流波形

圖9 經(jīng)過(guò)死區(qū)補(bǔ)償?shù)腁相電流諧波

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述補(bǔ)償方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)為5.5 kW異步電機(jī)，控制器采用TI公司的TMS320 F2808 DSP，逆變模塊采用7MBR25SB120型IGBT，死區(qū)時(shí)間4μs，開(kāi)關(guān)頻率5 kHz。圖10和圖11分別是輸出3 Hz時(shí)，未補(bǔ)償和補(bǔ)償后的電流波形。圖12和圖13分別是輸出10 Hz時(shí)，未補(bǔ)償和補(bǔ)償后的電流波形。由圖可知經(jīng)過(guò)死區(qū)補(bǔ)償后，有效地改善了電流波形畸變，驗(yàn)證了補(bǔ)償方法的有效性。

圖10 輸出3 Hz死區(qū)未補(bǔ)償電流波形

圖11 輸出3 Hz死區(qū)補(bǔ)償后電流波形

圖12 輸出10 Hz死區(qū)未補(bǔ)償電流波形

圖13 輸出10 Hz死區(qū)補(bǔ)償后電流波形

5 結(jié) 論

死區(qū)效應(yīng)使輸出電壓和電流波形產(chǎn)生畸變，本文詳細(xì)分析了死區(qū)對(duì)輸出電壓基波的影響，并對(duì)死區(qū)補(bǔ)償進(jìn)行了研究，針對(duì)電流檢測(cè)的零漂以及零點(diǎn)箝位現(xiàn)象，進(jìn)行了零點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整和零點(diǎn)閾值設(shè)置，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了補(bǔ)償?shù)挠行裕瑢?duì)現(xiàn)有的通用變頻器提供了一種可行的死區(qū)補(bǔ)償方案。

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