葉為奇，鄭明輝，魏海峰，曾 峰，徐 蔚

(1.江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江 212003;2.常熟瑞特電氣股份有限公司，常熟 215500)

0 引 言

由于變頻器中的功率元件IGBT本身存在導(dǎo)通延時和關(guān)斷延時(大于導(dǎo)通延時)，為了改變這種情況，在控制脈沖前后加入死區(qū)時間。盡管死區(qū)時間所占脈沖周期很短，一般只有幾微秒，卻能夠影響變頻器電壓波形和電機電流波形，不僅提高了其中的諧波含量，而且降低了整個變頻系統(tǒng)的效率和性能[1]。在驅(qū)動三相異步電機等電機系統(tǒng)中，輸出波形含有大量諧波，尤其是幅值較高的低次諧波，本文通過參數(shù)對比方法，可以使得輸出波形具有電壓波形質(zhì)量高、電流紋波小、直流電壓利用率高等優(yōu)點，通過變頻系統(tǒng)最終輸出的噪聲和振動來加以驗證。

目前，關(guān)于死區(qū)補償?shù)难芯恳呀?jīng)有了較大的進展。死區(qū)補償可以從兩個方面入手，一方面是通過在硬件電路上增加外部補償電路進行補償；另一方面是通過軟件算法進行補償。軟件補償是通過軟件程序進行設(shè)計，需要高品質(zhì)的處理芯片，可分為時間補償和電壓補償[2]。文獻[3]通過時間和電壓兩種補償方式對正弦和SVPWM逆變器進行改進。文獻[4]通過迭代控制策略用旋轉(zhuǎn)變換方式進行補償。文獻[5-6]提出通過在線補償三相橋臂，對死區(qū)時間進行實時同步補償。文獻[7]對滿足不同調(diào)制程度的補償方式進行了研究。文獻[8]提出了通過擾動觀察器對死區(qū)時間進行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換。本文在電流大于零和小于零時只對相應(yīng)作用觸發(fā)脈沖進行死區(qū)設(shè)置，計算相應(yīng)設(shè)定電壓空間矢量分量，并驗證補償策略的可行性。仿真對比了輸出波形中的不同奇次的諧波含量，實驗驗證采用死區(qū)補償策略后，電機運行中的振動與噪聲都得到了不同程度的下降，對系統(tǒng)的運行起到穩(wěn)定作用。

1 死區(qū)效應(yīng)分析

在變頻器控制IGBT對電機負(fù)載進行三相交流輸出的過程中，由于功率元件本身存在導(dǎo)通與關(guān)斷延時，并且在死區(qū)時間內(nèi)整個橋臂上下兩部分是不導(dǎo)通的，實際輸出電壓由續(xù)流二極管決定。當(dāng)所在橋臂上管導(dǎo)通時承受導(dǎo)通壓降(I>0)，規(guī)定流向負(fù)載為正;當(dāng)所在橋臂下管導(dǎo)通時承受導(dǎo)通壓降(I<0)，規(guī)定流向負(fù)載為負(fù)。

圖1為三相變頻電氣圖，控制三個橋臂上的功率元件的導(dǎo)通時間來決定輸出電壓矢量。圖2為電流流向示意圖，流向電機負(fù)載為正電流(i>0)；流出電機負(fù)載為負(fù)電流(i<0)。

圖1 三相變頻電氣圖

圖2 電流流向示意圖

圖3為A相橋臂波形圖。圖3(a)為理想脈沖波形圖，圖3(b)為實際脈沖波形圖，由于存在導(dǎo)通和關(guān)斷的延時，因此脈沖波形有一定的延遲。當(dāng)IGBT在斷開的過程中時，負(fù)載端電壓是根據(jù)續(xù)流二極管上的電流流向來決定的，當(dāng)ia>0時，由于死區(qū)時間作用在上升沿，并且脈沖發(fā)生是兩邊對稱的，實際輸出脈沖寬度比理想的脈沖寬度窄，縮短的時間為(Td+Ton-Toff)/2，如圖3(c)所示；當(dāng)ia<0時，由于死區(qū)時間發(fā)生在下降沿部

圖3 A相橋臂波形圖

分，并且脈沖發(fā)生存在對稱性，輸出實際脈沖寬度比理想的脈沖寬度寬，增加的時間為(Td+Ton-Toff)/2，如圖3(d)所示。平均畸變電壓ΔV可以表示：

(1)

式中：Ts為脈沖發(fā)送間隔時間；ton為功率元件的開通延遲時間；toff為功率元件的關(guān)斷延遲時間。

根據(jù)三相電流的極性，三相平均畸變電壓分別表示如下：

2 死區(qū)補償方案

死區(qū)補償?shù)姆桨甘墙⒃赟VPWM技術(shù)基礎(chǔ)之上的，先對SVPWM技術(shù)進行說明。SVPWM技術(shù)控制脈沖的作用時間，使輸出電壓矢量所形成的圓形旋轉(zhuǎn)磁場符合電機的運轉(zhuǎn)特性，再劃分不同的區(qū)域(Ⅰ～Ⅵ)，通過坐標(biāo)變化，將輸出電壓矢量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的脈沖作用時間。為了降低功率元件的損耗，相鄰橋臂之間的切換，按照100-110-010-011-001-101-100的順序，進行脈沖調(diào)制，實際扇區(qū)分布圖如圖4所示。

圖4 空間矢量扇區(qū)分布

輸出電壓矢量Uout在不同時刻所在的扇區(qū)也在變化，Ua和Ub分別表示所在扇區(qū)的坐標(biāo)分量，通過矢量運算可以表示為U1和U2的組合。根據(jù)U1和U2的作用時間分別表示為T1和T2，作用時間T1和T2可以通過Uout所在扇區(qū)的夾角θ來表示，以下列出表達式：

(6)

(10)

式中：TPWM為一個PWM周期；Td為死區(qū)時間；TE=TPWM-Td。

圖5 實際電壓矢量分解圖

在實現(xiàn)死區(qū)補償電壓矢量所在扇區(qū)的分解與合成過程中，按照SVPWM技術(shù)在第Ⅵ扇區(qū)(0～π/3)進行分析論證。圖6為第Ⅵ扇區(qū)死區(qū)時間補償前后信號圖，圖6中的陰影區(qū)域為死區(qū)時間。

圖6 第Ⅵ扇區(qū)觸發(fā)信號圖

死區(qū)矢量的計算遵循以下幾點原則：

(2) 為了減小IGBT開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)帶來的損耗，當(dāng)電流大于零時(i>0)，此時對應(yīng)的死區(qū)時間無作用；當(dāng)電流小于零(i<0)時，此時對應(yīng)的死區(qū)時間無作用。

如果當(dāng)前時刻ia>0，ib<0，ic>0，Ud1，Ud2，Ud3處于脈沖序列的上升沿，其中Ud1，Ud3為無效矢量；Ud4，Ud5，Ud6處于脈沖序列的下降沿，其中Ud5為無效矢量?？芍琔d2為(100)，Ud4為(100)，Ud6為(111)。其中，Ud6為零矢量，則在這個周期中：

U=Ud2+Ud4+Ud6(11)

圖7 死區(qū)補償原理框圖

3 實驗仿真

在MATLAB中搭建了整個系統(tǒng)的模型，測量相應(yīng)的電流電壓波形，如圖8、圖9所示，通過功率分析儀對波形進行相應(yīng)的諧波含量分析。通過對比可以看出，輸出諧波畸變率降低了，輸出波形更加圓滑，從仿真角度表明該方法的可行性。

以一臺10 kW三相異步電機為實驗對象，對實際電機的輸出相電流波形以及振動數(shù)據(jù)進行測量和對比。圖10為測試現(xiàn)場圖片。圖11，圖12為實際電機運行中輸出端的電流測試波形。

圖13為無死區(qū)補償情況的實際電機運行中測得各機腳的振動結(jié)果，圖14為死區(qū)補償后的電機運行中各機腳的振動結(jié)果，結(jié)果表明在低頻段有明顯的降低效果。

圖8 無死區(qū)補償?shù)南嚯娏鞑ㄐ渭癟HD

圖9 死區(qū)補償后的相電流波形及THD

圖10 測試現(xiàn)場

圖11 實際輸出電流波形

圖12 實際輸出電流補償波形

圖13 無死區(qū)補償時電機機腳振動

圖14 死區(qū)補償后電機機腳振動

圖15為無死區(qū)補償情況的實際電機運行中測得噪聲的數(shù)據(jù)，圖16為死區(qū)補償后的電機運行中噪聲的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明在低頻段有明顯降低噪聲的作用。

圖15 無死區(qū)補償電機噪聲

圖16 死區(qū)補償后電機噪聲

4 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)死區(qū)補償?shù)幕A(chǔ)上，研究了一種死區(qū)補償矢量合成方法，通過死區(qū)補償矢量和實際合成矢量相轉(zhuǎn)換并建立對應(yīng)的表格。

以一臺10 kW三相異步電機為實驗對象，從理論、仿真以及實驗三個方面進行研究，并且從最終得到的振動和噪聲數(shù)據(jù)中驗證該補償方法的有效性。