王明渝， 王 磊

(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400040)

0 引言

電力電子技術(shù)的發(fā)展極大地促進了脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)電壓型逆變器的應(yīng)用［1］。逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量顯得尤為重要。理想的電壓波形通常為純正弦波，但實際上存在著很多因素使輸出波形畸變。其中一個重要的畸變因素是同一橋臂上、下兩個器件在開關(guān)過程中必有一個死區(qū)時間Td，以防止橋臂直通短路;另外一些因素如開關(guān)器件的導通壓降、開關(guān)時間等。每個PWM周期內(nèi)引起的微小畸變經(jīng)積累后，會引起輸出電壓波形較大的畸變，降低基波幅值，增加低次諧波含量，增加電機的諧波損耗等。因此，尋求一種簡便、有效的死區(qū)時間補償方案很有必要。

當前對逆變器死區(qū)的研究主要集中于電壓前饋和電流反饋補償，文獻［1］提出了一種電流反饋的死區(qū)補償方法，該方法簡單易行，但是需要準確知道直流側(cè)電壓、PWM載波頻率、死區(qū)時間，以確定死區(qū)補償值;并且沒有對功率器件的導通壓降進行補償，因此存在補償誤差。文獻［2-3］提出基于永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)采用干擾觀測器的方法，對逆變器的死區(qū)效應(yīng)進行在線死區(qū)補償，該方法由于干擾觀測器的設(shè)置，補償電壓存在相位滯后，同時干擾觀測器的增益選擇需要一定的經(jīng)驗。文獻［4］采用預測電流控制來降低逆變器死區(qū)所導致的零點電流鉗位問題，系統(tǒng)為局部穩(wěn)定系統(tǒng)。文獻［5］引入死區(qū)補償時間來補償死區(qū)效應(yīng)，死區(qū)補償時間包含了導通時間、關(guān)斷時間和導通壓降，但由于死區(qū)補償時間未知，并且隨工作點的不同而發(fā)生變化，因此需要在線辨識，固定的死區(qū)補償有時會使得補償誤差加大。文獻［6］提出了基于電流反饋和無效器件相結(jié)合的死區(qū)補償方法，該方法軟、硬件結(jié)合，電流方法確定有效器件且保證有效器件的開通時間，給無效器件仍然送驅(qū)動信號，可以達到有效的補償效果。

為改善逆變器的輸出波形，本文對典型死區(qū)補償方法的原理進行了具體分析，并對其進行了仿真。仿真結(jié)果表明了所提出方法的有效性和可行性，同時通過比較兩種補償方法的仿真結(jié)果，得出兩種補償方法的優(yōu)劣。研究對于提高和改善變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，以及對死區(qū)問題的分析有很好的借鑒意義。

1 死區(qū)效應(yīng)分析

三相全橋正弦脈寬調(diào)制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其控制電路一般采用雙極性SPWM技術(shù)。

圖1 帶異步電機的三相PWM逆變器

在傳統(tǒng)的死區(qū)效應(yīng)分析中，并不考慮開關(guān)管的固有特性(通態(tài)管壓降和開關(guān)時間)的影響。若考慮開關(guān)管固有特性［7］的影響，死區(qū)效應(yīng)如圖2所示。

［7］以IGBT為例，設(shè)開通時間為ton，關(guān)斷時間為 toff，IGBT的導通壓降為 Usat，二極管的導通壓降為Ud，正弦波給定信號幅值為U*。以電流ia流向電機為正方向，在一個開關(guān)周期內(nèi)取平均值進行分析。

圖2 考慮開關(guān)特性的逆變器死區(qū)效應(yīng)波形圖

(1)當電流i＞0時，若D2導通:

若S1導通:

(2)當電流i＜0時，同理可推出:

因此，當考慮到開關(guān)管的通態(tài)壓降和開關(guān)時間的影響時，誤差電壓不只與輸出電流的極性有關(guān)，還與輸出電流的大小和調(diào)制波的大小有關(guān)。

通過以上推導，本文在考慮死區(qū)補償?shù)耐瑫r對管壓降等進行補償考慮，對兩種典型的死區(qū)補償方案進行仿真，并比較其優(yōu)缺點。

2 死區(qū)補償方案

死區(qū)補償方法多種多樣，但從具體實現(xiàn)來說，有的采用硬件、有的采用軟件、有的采用軟硬件結(jié)合的方法，因此從中選擇具有代表性的電流反饋補償方法，以及基于電流反饋和無效器件相結(jié)合的補償方法進行具體研究。

2.1 電流反饋死區(qū)補償法

文獻［1］提出的電流反饋型死區(qū)補償原理是通過檢測三相電流的極性來確定死區(qū)的補償電壓。即:需要檢測相電流的極性，并將其變成方波電壓，加到每相的調(diào)制波上，該方波電壓使逆變器產(chǎn)生一個與電流相位相同、與誤差波形相似的補償電壓。電流反饋型死區(qū)補償方法的原理框圖如圖3所示，由此來建立MATLAB仿真圖進行仿真研究。

圖3 電流反饋補償原理框圖

圖4是電流反饋死區(qū)補償?shù)难a償模塊。造成逆變器輸出波形畸變的原因除了死區(qū)效應(yīng)外，開關(guān)器件的非理想特性(如導通壓降、開關(guān)延遲等)也會使逆變器的輸出波形產(chǎn)生畸變，文獻［1］沒有考慮開關(guān)管固有特性的影響。

圖4 電流反饋補償?shù)难a償模塊圖

根據(jù)前文分析，在補償中對開關(guān)管固有特性同時進行補償，實際補償值為

其中:2Udc/π是由PWM法調(diào)制的輸出電壓進行傅里葉分解得到的基波幅值電壓;Ue為由式(6)或式(7)決定的死區(qū)誤差值。

2.2 基于無效器件補償方法

2.2.1 死區(qū)補償原理分析

文獻［6］提出了基于電流反饋和無效器件相結(jié)合的死區(qū)補償方式，該方法首先檢測逆變器輸出的電流方向，再根據(jù)電流方法確定有效器件且保證有效器件的開通時間，該方法是在原驅(qū)動信號的基礎(chǔ)上加以補償，給無效器件仍送驅(qū)動信號。

由于在MATLAB中既沒有類似數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)的死區(qū)單元，也沒有讓驅(qū)動信號直接置0或置1的功能，只能通過邏輯運算來完成，因此，其補償過程與DSP補償過程有所不同，但結(jié)果相同，圖5即為無效器件A相補償框圖。

圖5 無效器件A相補償框圖

2.2.2 管壓降補償

考慮開關(guān)器件非理想特性，根據(jù)前文考慮管壓降的死區(qū)分析，討論管壓降引起的電壓誤差。

由式(6)、(7)只考慮開關(guān)管固有特性可得:

(1)當電流i＞0時，

(2)當電流i＜0時，

對開關(guān)固有特性進行補償，采用與電流反饋相同的補償方法，如圖5所示。實際補償值為

式中:Ue′為由式(9)或式(10)決定的誤差值。

3 仿真比較

為了便于對比結(jié)果，仿真中使用三個完全相同的異步電動機，但其驅(qū)動信號各不相同，第一臺電機采用無補償?shù)募尤胨绤^(qū)的驅(qū)動信號驅(qū)動;第二臺電機的逆變器采用第一種補償方法補償后的驅(qū)動信號;第三臺電機的逆變器采用第二種補償方法補償后的驅(qū)動信號。系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下:PWM逆變器輸出頻率為60 Hz，載波頻率6 kHz，調(diào)制系數(shù)0.9，死區(qū)時間10 μs，逆變器直流側(cè)電壓600 V。電機選用三相籠型異步電機，額定容量為3 kVA，額定電壓300 V，額定頻率60 Hz，定子電阻0.019 65 Ω，定子漏感0.039 7 H，轉(zhuǎn)子電阻0.019 09 Ω，轉(zhuǎn)子漏感0.039 7 H，定子繞組互感1.354 H，轉(zhuǎn)動慣量0.095 26 kg·m2，粘滯摩擦系數(shù)0.054 79 N·m·s，極對數(shù)為2，電機帶負載運行。

圖6是采用兩種補償方式后的電流波形的對比，圖7是兩種補償方法的電磁轉(zhuǎn)矩對比，圖8是采用兩種方法的轉(zhuǎn)速對比。圖9～11是未補償和采用這兩種補償方法補償后的定子電流諧波FFT分析圖。

圖6 輸出電流波形對比

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩對比

圖8 電機轉(zhuǎn)速對比

圖9 未補償時的電流諧波分析THD=8.74%

圖10 第一種方法補償后的電流諧波分析THD=6.06%

圖11 第二種方法補償后的電流諧波分析THD=3.94%

由圖6～8未補償和補償后的對比圖可得，對死區(qū)進行補償使定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速的波形得到明顯改善。圖6～8中的圖(b)是采用方法一電流反饋死區(qū)補償方法進行補償后的波形，可以看出當死區(qū)補償值與理論計算值(按式(8)計算)一致時，死區(qū)效應(yīng)能夠明顯得到改善。圖6～8中的圖(c)是采用第二種方法基于電流反饋和無效器件相結(jié)合的死區(qū)補償方法進行補償后的波形，可以看到該方法能夠更好地補償，這一點也可以從圖9～11看出來，不帶死區(qū)補償總諧波失真 (TotalHarmonicDistortion，THD)為8.74%，用方法1補償后THD為6.06%，用方法2補償后的THD為3.94%。在兩種方法補償中都考慮了開關(guān)器件的固有特性。

通過以上仿真結(jié)果可以看出，對死區(qū)進行補償后，能明顯改善電機定子電流波形，其中方法2的補償效果要比方法1好，另外用方法2補償后的電機轉(zhuǎn)矩脈動明顯改善，轉(zhuǎn)速也明顯平穩(wěn)。

從上述仿真結(jié)果可看出，電流反饋型補償方法，以及基于電流反饋和無效器件相結(jié)合的死區(qū)補償方法都能夠明顯削弱死區(qū)效應(yīng)的影響，提高系統(tǒng)的性能。但電流反饋型補償方法在實際應(yīng)用中需準確無誤地檢測三相電流的極性，考慮零電流鉗位的影響，檢測三相電流的極性存在著滯后性和誤檢測，所以影響補償效果，另外需要離線測量死區(qū)設(shè)定時間，來計算出相應(yīng)的死區(qū)補償值?；陔娏鞣答伜蜔o效器件相結(jié)合的死區(qū)補償方法是基于DSP的死區(qū)補償方法，這里僅在MATLAB中對其仿真效果進行仿真研究。該方法通過檢測電流方向，然后根據(jù)電流方向判斷有效器件，對DSP比較寄存器的值作修改，保證有效器件的開通時間，從而起到補償效果。由于該方法只是在原驅(qū)動信號的基礎(chǔ)上加以補償，因此在零區(qū)域不會使逆變器輸出波形產(chǎn)生畸變，能夠達到更好的補償效果。

4 結(jié) 語

(1)當考慮死區(qū)的同時考慮到開關(guān)管的通態(tài)壓降和開關(guān)時間的影響時，產(chǎn)生誤差電壓不只與輸出電流的極性有關(guān)，還與輸出電流的大小和調(diào)制波的大小有關(guān)。

(2)死區(qū)效應(yīng)及開關(guān)管的固有特性給輸出電壓、電流造成嚴重的波形畸變和基波電壓損失，而且所產(chǎn)生的低次諧波會造成電機轉(zhuǎn)矩脈動，并嚴重影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)死區(qū)補償?shù)姆椒ê芏?，文中對兩種補償方法進行具體仿真研究，電流反饋補償以及基于電流反饋和無效器件相結(jié)合的補償方式，兩種補償方法都需要對負載電流進行檢測，但是第二種補償方法是基于DSP的死區(qū)補償方式，文中在MATLAB/Simulink中對其仿真效果進行了仿真研究?？梢钥吹狡溲a償效果要比方法1好。

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