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三相四橋臂逆變器的空間矢量調(diào)制研究

2021-02-28 06:49:28東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院孔祖蔭王濼涵陳光樂(lè)梁世武
電子世界 2021年22期
關(guān)鍵詞:四橋三維空間四面體

東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 孔祖蔭 張 志 王濼涵 陳光樂(lè) 梁世武

東莞矩華超聲技術(shù)有限公司 譚開(kāi)國(guó)

三相四橋臂逆變器在不平衡負(fù)載下能夠輸出三相對(duì)稱(chēng)電壓,具有控制簡(jiǎn)單,電壓利用率高,體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)。三相四橋臂逆變器被運(yùn)用在有源濾波器、UPS上解決不平衡負(fù)載的問(wèn)題。本文主要介紹三相四橋臂的主電路,并介紹三維空間矢量調(diào)制技術(shù)在四橋臂逆變器上的運(yùn)用。并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在不對(duì)稱(chēng)負(fù)載情況下的可行性。

1 三相四橋臂逆變器硬件電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器若工作在不平衡負(fù)載的情況下,傳統(tǒng)的逆變器無(wú)法保證三相輸出是對(duì)稱(chēng)的,三相負(fù)載不對(duì)稱(chēng),使得三相電流不對(duì)稱(chēng),即流入節(jié)點(diǎn)的電流不為零,由于沒(méi)有中線為不平衡電流提供回路,使得三相電壓不平衡。故在傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器上增加第四個(gè)橋臂來(lái)控制中性點(diǎn)電流,使其能在不平衡負(fù)載下輸出三相對(duì)稱(chēng)電壓。三相四橋臂逆變器主拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 三相四橋臂逆變器主拓?fù)?/p>

2 基于abc坐標(biāo)下的3D-SVPWM調(diào)制

由于四橋臂逆變器多了一個(gè)橋臂,三橋臂逆變器所使用的二維空間矢量調(diào)制已不再適用。3D-SVPWM是二維空間矢量的延伸。在abc坐標(biāo)系下不需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,減少了計(jì)算量??臻g矢量調(diào)制不用像SPWM一樣對(duì)每個(gè)橋臂的調(diào)制信號(hào)單獨(dú)計(jì)算,調(diào)制波由算法生成,易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

2.1 三維空間矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)

四橋臂逆變器每個(gè)橋臂有2種開(kāi)關(guān)狀態(tài),共有24=16種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。同一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管不用同時(shí)導(dǎo)通,在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)加上死區(qū)時(shí)間防止同橋臂開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。對(duì)橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)定(表1)義如下:

表1 開(kāi)關(guān)狀態(tài)表

這16種開(kāi)關(guān)狀態(tài)構(gòu)成如圖2所示的12面體。

圖2 abc坐標(biāo)系下的12面體

2.2 電壓矢量占空比計(jì)算

為方便判斷電壓矢量所在的空間區(qū)域,設(shè)k1-k6六個(gè)參數(shù),并定義指針函數(shù)rp來(lái)選擇相應(yīng)的四面體。

由式(2)可知,rp有24種狀態(tài),即有24個(gè)相應(yīng)的空間四面體,每個(gè)四面體由3個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量組成。三個(gè)非零開(kāi)關(guān)矢量相應(yīng)占空比計(jì)算如下:

d1,d2,d3表示開(kāi)關(guān)矢量相對(duì)應(yīng)的占空比,Udna,Udnb,Udnc表示第n個(gè)非零開(kāi)關(guān)矢量在abc坐標(biāo)下的投影。

例如對(duì)rp=5進(jìn)行計(jì)算電壓矢量相對(duì)應(yīng)的占空比:可知是由U2,U10,U12開(kāi)關(guān)矢量組成的四面體,其相應(yīng)占空比計(jì)算:

2.3 開(kāi)關(guān)矢量選擇順序

開(kāi)關(guān)電壓矢量作用順序主要有兩種:?jiǎn)瘟闶噶块_(kāi)關(guān)順序(7段式)和雙零矢量開(kāi)關(guān)順序(9段式),本文主要使用雙零矢量開(kāi)關(guān)順序,此類(lèi)方法有開(kāi)關(guān)次數(shù)多,開(kāi)關(guān)損耗大,但輸出波形脈動(dòng)小,THD較小等特點(diǎn)。例如當(dāng)rp=5時(shí),相對(duì)應(yīng)的四個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)切換順序如圖3所示。

圖3 rp=5時(shí)開(kāi)關(guān)矢量順序

2.4 開(kāi)關(guān)矢量作用時(shí)間計(jì)算

例如rp=5時(shí),四個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)作用時(shí)間:設(shè)Ts為開(kāi)關(guān)周期,T0,T1,T2,T3分別為零矢量與三個(gè)非零矢量的作用時(shí)間。則則四橋臂對(duì)應(yīng)時(shí)間Ta,Tb,Tc,Tn為:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4、圖5所示的三相負(fù)載分別為80Ω,40Ω,20Ω,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,在不平衡負(fù)載下,電壓波形對(duì)稱(chēng),三相電流相互獨(dú)立,能夠很好地解決不平衡負(fù)載下中性點(diǎn)漂移的問(wèn)題。

圖4 不對(duì)稱(chēng)負(fù)載下三相電壓

圖5 不對(duì)稱(chēng)負(fù)載下三相電流

本文課題是基于三維空間矢量調(diào)制三相四橋臂逆變器的研制。分析了三相四橋臂的特點(diǎn)及應(yīng)用;介紹了三維空間矢量調(diào)制技術(shù),并通過(guò)仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明三相四橋臂逆變器能夠承載不平衡負(fù)載,且使用3D-SVPWM調(diào)制方法能夠提高母線電壓利用率。

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