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基于SVPWM共模電壓抑制方法的研究與仿真

2010-06-26 00:52:16李銀玲唐允寶
電氣傳動自動化 2010年4期
關鍵詞:共模扇區(qū)電平

李銀玲,唐允寶,劉 鵬

(華東交通大學電氣與電子工程學院,江西 南昌 330013)

1 引言

多電平逆變器由于具有輸出容量大、電壓諧波含量少、適用于中高壓大功率場合等優(yōu)點而廣泛應用于鋼鐵冶金、石油化工、軌道交通等工業(yè)場合[1-2]。但同時其產生的共模電壓也帶來了嚴重的負面效應:耦合電容產生軸電壓,損壞軸承;高速開關產生很強的電磁干擾(EMI),干擾其它電子設備正常運行;共模電壓還會引起電機絕緣擊穿,縮短電機使用壽命[3]。與SPWM調制方法相比,SVPWM技術以其易于數字化實現、電壓利用率高等優(yōu)點而在共模電壓消除中得到了廣泛應用。

三電平逆變器空間矢量脈沖寬度調制技術對共模電壓的抑制,采用Matlab/Simulink進行仿真,并給出仿真結果。驗證了控制策略的有效性,并可以推廣到具有奇數的多電平結構中。

2 三電平逆變器拓撲結構及其共模電壓

2.1 三電平逆變器的拓撲結構及工作原理

采用二極管箝位型三電平逆變器,拓撲結構如圖1所示。每一相均由2個直流分壓電容C1=C2、4個主開關管、4個續(xù)流二極管和2個箝位二級管組成。與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比,二極管箝位三電平逆變器具有降低電磁干擾(EMI)和du/dt、減少開關損耗、提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點。假設電路中器件均為理想器件,由圖1可以看出(以A相為例),當開關管Sa1、Sa2同時導通Sa3、Sa4同時關斷時,輸出端A對O點的電平為Udc/2;當Sa2、Sa3同時導通Sa1、Sa4同時關斷時,輸出端A對O點的電平為0;當開關Sa3、Sa4同時導通Sa1、Sa2同時關斷時,輸出端A對O點的電平為-Udc/2。

圖1 二極管箝位三電平逆變器

因此,逆變器每相輸出電壓均有三種不同的輸出電位,相電壓分別為Udc/2、0、-Udc/2。

2.2 三電平逆變器輸出的共模電壓

三電平逆變器,與傳統(tǒng)兩電平逆變器有著相類似的性質,同樣存在著共模電壓。共模電壓定義形式仍與兩電平相似,其表達式為:

式中:VA、VB、VC為逆變器每一相輸出電壓;Vcm為逆變器產生的共模電壓。

由上式可知:在電機驅動系統(tǒng)中,若三相對稱交流電直接作用電機定子繞組,則繞組中點對地共模電壓為零,系統(tǒng)不存在由共模電壓帶來的危害;若電機由電壓源型PWM逆變器供電,由于逆變器是由多個開關高頻切換來產生輸出電壓,所以輸出電壓中包含正序、負序和零序分量(即共模電壓)。共模電壓的大小由逆變器中開關管的通斷狀態(tài)確定。

3 SVPWM控制策略及仿真實現

3.1 降低共模電壓的SVM算法

傳統(tǒng)三電平SVM算法沿用了類似兩電平的算法,就是將整個矢量空間劃分為6個大扇區(qū),即扇區(qū)I-VI,然后再將每個扇區(qū)細分為4個小區(qū),進行參考矢量合成。降低共模電壓的SVM算法與傳統(tǒng)SVM算法區(qū)別不僅在于把原來的6個大扇區(qū)細分為6個小區(qū),以提高仿真的準確性,而且將開關狀態(tài)限制在一個范圍內,如圖2所示。邏輯法逐層遞進,直到判斷出參考矢量所在的小區(qū)域。

圖2 SVM算法中小區(qū)域判斷

若將三電平逆變器的開關狀態(tài)分別設為1、0、-1,定子繞組中性點和電源的中點之間的電壓可以用公式表示為:

三電平逆變器的33=27個矢量狀態(tài)和vsn的幅值表示如表1所示。

表1 矢量狀態(tài)和共模電壓幅值表

由式(2)和表1可知:vsn有7個電平,分別為0,。在上述所示的這個矢量表中如果只選擇 (1,1,1)、(-1,-1,-1)、(1,1,0)、(1,0,1)、(0,1,1)、(-1,-1,0)、(-1,0,-1)、(0,-1,-1),除外開關狀態(tài)去合成參考矢量,也就是選擇三個開關狀態(tài)之和絕對值要≤1的矢量狀態(tài)[4]。共模電壓幅值絕對值就可以限制在≤Udc/6的范圍。下面采用仿真手段說明。圖3中,a為6個小區(qū)域的判斷即為圖2的仿真模塊,b為SVM算法分步計算封裝模塊。

仿真條件:采用Matlab7.4軟件。Udc=600V,Freq=10kHz,f=50Hz,負載為 R=1Ω,L=1mH。圖 4為仿真后逆變器輸出波形,其中(a)為線電壓波形,(b)為相電壓波形,(c)為共模電壓波形。和兩電平相比,三電平逆變器相電壓多出一個電平;線電壓更接近正弦波,諧波含量降低;共模電壓幅值為±Udc/6和0,相對傳統(tǒng)的SVM下共模電壓幅值±Udc/3、±Udc/6、0,幅值最大值降低了一半,從而減少了共模電壓帶來的負面效應。

3.2 消除共模電壓SVM仿真算法

上述SVM算法雖然可以降低共模電壓的幅值,但由于并未完全消除共模電壓,所以其負面危害仍然存在。在表1的27種矢量狀態(tài)中,有7種狀態(tài)不產生共模電壓,即(1,0,-1)、(0,1,-1)、(-1,1,0)、(-1,0,1)、(0,-1,1)、(1,-1,0)、(0,0,0)。如果將開關狀態(tài)限制在這7種中,理論上三電平逆變器將不產生共模電壓[4-5]。具體實現方法是:先進行6個大扇區(qū)的判斷;然后進行小扇區(qū)的判斷和時間數值的計算;最后是選擇矢量相臨近的零矢量的開關狀態(tài)合成參考矢量。仿真條件與上面相同,仿真結果如圖5所示。由圖5(c)可以看出,共模電壓的幅值約為0,達到了消除共模電壓的目的。

圖3 三電平逆變器仿真模塊

4 仿真結果比較

圖4 降低共模電壓的SVM下逆變器仿真波形

圖5 消除共模電壓SVM逆變器仿真波形

圖6 線電壓FFT分析

三電平逆變器通過適當調整控制策略可以達到抑制共模電壓的目的。為了對比分析仿真結果,本文將三電平逆變器兩種抑制共模電壓SVM算法和三電平傳統(tǒng)SVM算法進行比較,仿真條件相同。圖6為不同控制策略下逆變器輸出線電壓FFT。由圖看出:消除共模電壓SVM策略抑制效果最明顯,共模電壓幾乎為零,但以諧波含量的增大和直流電壓利用率的降低為代價,其諧波含量達到了179.16%。表2可以明顯看出,降低共模電壓SVM策略雖然并未完全消除共模電壓,但仍降低到±Udc/6范圍內,大大減少共模電壓的負面危害,而諧波含量雖比傳統(tǒng)三電平SVM策略略高一些,但遠小于消除共模電壓SVM調制,綜合性能相對較好。

表2 算法比較

總之,降低共模電壓SVM策略和消除共模電壓SVM策略在共模電壓抑制方面效果十分顯著。仿真手段驗證了方法的有效性,不同策略對比中得出降低共模電壓的SVM策略是整體上最為理想方法的結論。

[1]W.Hofmann,J.Zitzelsberger.PWM-Control Methods for Common Mode Voltage Minimization-a Survey[J].International Symposium on Power Electronics,Electrical Drives,Automation and Motion,2006,speedam:S8-30-35.

[2]A.K.Gupta,A.M.Khambadkone.A space vector PWM Scheme to Reduce Common Mode Voltage for a Cascaded Multilevel Inverter[J].IEEE,2006:1-7.

[3]姜艷姝,劉 宇,徐殿國等.PWM變頻器輸出共模電壓及其抑制技術的研究[J].中國電機工程學報,2005,25(9):47-53.

[4]Hee-Jung Kim,Hyeoun-Dong Lee,Seung-Ki Sul.A New PWM Strategy for Common-mode Voltage Reduction in NPC Inverter-Fed AC Motor Drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2001:1840-1845.

[5]姜艷姝,徐殿國,趙 洪等.多電平SPWM變頻器中共模電壓抑制技術的研究[J].中國電機工程學報,2005,25(3):18-22.

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