CN103138617A - 一种无死区的svpwm调制方法 - Google Patents
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Abstract
一种无死区的SVPWM调制方法。它属于三相逆变器调制技术领域。它为了解决现有的三相逆变器SVPWM存在死区效应,从而导致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电压波形以及增加了开关损耗的问题。根据传统的三相逆变器SVPWM技术结合三相输出电流的流动方向,将电流不流经的上桥臂或者下桥臂进行驱动信号封锁,实现一种三相逆变器无死区的SVPWM方式。本发明适用于电动机变频调速系统中。
Description
技术领域
本发明涉及三相逆变器调制技术领域。
背景技术
随着电力电子技术、微电子技术以及电动机变频调速技术的发展,变频器制造技术日趋成熟。就变频器而言,其性能的好坏与诸多因素有关,主要与开关频率(载波频率)、频率分辨率即频率相邻两档之差的绝对值、死区的长短等因素有关。一般而言,开关频率越高,电压脉动越小,控制效果越好。但开关频率的大小又受到硬件条件的限制,不可能无限制地增大,而且开关频率增大的同时也会带来开关损耗增加的负面影响,故要综合考虑。
死区效应的存在,使精确设计的开关控制信号不能准确无误地加到主电路开关器件的控制极,从而导致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电压波形,有的脉冲宽度被拉长,有的脉冲宽度被缩短,由于在死区时间全部开关器件都是关断的,这种拉长和缩短与死区时间的长短和输出电流的方向有关。
三相逆变器的每一相都是由上下臂各一组开关器件和二极管构成,不妨以U相为例。设由逆变器流向负载的方向为输出电流iu的正方向,如图1所示。死区效应使T1、T4在一个导通周期(调制波周期)中的导通时间均减少了Td。当iu>0时,换流在T1和D4之间进行,实际输出电压的正向脉冲宽度减少了Td,,对于理想输出电压而言,相当于叠加上了一个幅值为Ud、宽度为Td的负脉冲,当iu<0时,换流在D1和T4之间进行,实际输出电压的正向脉冲宽度增加了Td,对于理想输出电压而言,相当于叠加上了一个幅值为Ud、宽度为Td的正脉冲,如图2所示。因此,在一个基波周期内U相电压叠加上了N(N为载波频率比)个这样的正负脉冲,这样随着N的增加,逆变器输出电压的失真度也就相应增加。对于逆变器——电动机系统,作为负载的电动机希望获得一个圆磁场,也即希望逆变器输出三相对称正弦波电压加到三相电动机的定子绕组上,在三相电机绕组中该三相电压合成一个空间电矢量,这样在一个输出正弦波周期中就产生了多个非零空间电压矢量Ui。在变频系统中,由于死区效应,每个空间电压矢量上都叠加上了一个偏差电压矢量△Ui,幅值为2|△UUN|,方向和空间电流矢量Ii方向相反。相对于三相电流方向的六种组合,产生了六种空间偏差电压矢量,如图3所示,由于磁链矢量是空间电压矢量对时间的积分,这样就使原来电机中准圆形的旋转磁场产生了偏离,对电动机的运行性能产生不良影响。
在实际变频器系统中,死区Td对输出电压的影响还与载波比N和逆变器运行方式有关:
(1)运行方式或负载功率因数。空载或运行时,反并联二极管不续流,这时,实际输出电压波形同有死区波形;当在感性负载下运行即时,反并联二极管续流,实际输出电压波形同不考虑续流时有死区电压波形有误差,这时实际输出电压波形为不考虑续流有死区波形与误差波形之和。
(2)死区设置方式的影响。空载或运行时,对称设置方式总谐波含量较少,而不对称设置方法总谐波含量较大。感性负载()时,两种设置方式的影响基本相同,只是不对称设置方式的总谐波含量较大些,故在条件允许的情况下应尽量选用对称设置方式。
(3)死区Td的影响。空载时,反并联二极管不续流,死区对基波电压幅值影响较小,也不产生新的低次谐波,只对原有谐波幅值有些影响。感性负载时,反并联二极管续流产生误差波,使输出电压基波幅值随Td增大而减小,而相应的谐波幅值却随Td的增大而增大,输出电压的畸变率变高。
(4)载波比N的影响。在感性负载时,由于反并联二极管续流,输出电压有误差波形。通过对实际输出电压进行谐波分析发现,当N增大时,基波幅值减小,3,5,...,7次,谐波幅值比例增大。现有的SVPWM存在死区效应,从而导致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电压波形以及增加了开关损耗。
发明内容
本发明为了解决现有的SVPWM存在死区效应,从而导致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电压波形以及增加了开关损耗的问题,而提出一种无死区的SVPWM调制方法。
一种无死区的SVPWM调制方法,它由以下步骤实现:
步骤1、采用逆变器对三相逆变调速系统供电,处于不同桥臂的三个开关管同时导通,逆变器共有八种工作状态,其中六种不为零的有效开关状态对应六种空间电压矢量将空间分为六个扇区,当A、B、C三相逆变器运行到一个扇区内,A、B、C三相逆变器在此扇区内合成一种三相开关状态;
步骤2、采用电流检测装置检测三相电流的流动方向,根据每相的电流流动方向判断三相开关状态中的每相开关管上、下桥臂的换流形式:
设逆变器流向负载方向为输出电流正方向,即I>0时,开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的功率管和下桥臂的二极管之间进行,下桥臂的功率管不起作用;当I<0时,开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的二极管和下桥臂的功率管之间进行,上桥臂的功率管不起作用;
步骤3、根据步骤1中三相逆变器合成的三相开关状态和步骤2中三相电流的流动方向,构成一种无死区SVPWM调制三相逆变器的开关函数,根据一种无死区SVPWM调制三相逆变器的开关函数:
SAp=SA×sgn(IA),SAn=SA×sgn′(IA)
SBp=SB×sgn(IB),SBn=SB×sgn′(IB)
SCp=SC×sgn(IC),SCn=SC×sgn′(IC)
实现一种无死区的SVPWM调制方法,
当IA>0时,A相开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的功率管和下桥臂的二极管之间进行,SAn总是关断的,此时将逆变器中A相下桥臂的驱动信号封锁;当IA<0时,A相开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的二极管和下桥臂的功率管之间进行,SAp总是关断的,此时将逆变器A相上桥臂的驱动信号封锁,同时,对于B相和C相的SBp、SBn和SCp、SCn和A相变化规律相同,驱动信号封锁的方式相同,
式中:SAp为A相上桥臂开关函数,SBp为B相上桥臂开关函数,SCp为C相上桥臂开关函数,SAn为A相下桥臂开关函数,SBn为B相下桥臂开关函数,SCn为C相下桥臂开关函数,SA是传统的SVPWM调制A相逆变器的开关函数,SB是传统的SVPWM调制B相逆变器的开关函数,SC是传统的SVPWM调制C相逆变器的开关函数,sgn(IA)、sgn(IB)和sgn(IC)是符号函数,其表达式为sgn′(IA)、sgn′(IB)和sgn′(IC)是符号函数,其表达式为x为IA、IB或IC,其中IA,IB,IC是三相负载电流。
本发明通过采用一种无死区SVPWM调制方法,根据检测三相电流的流动方向,将电流不经过的桥臂的驱动信号封锁,使实际输出电压波形为理论上的理想电压波形以及减小了50%的开关损耗。
附图说明
图1是本发明中逆变器的U相等效图;
图2是本发明中死区时间Td的存在使输出的电压波形与理想的电压波形对比图,其中,1表示实际输出电压,2表示理想输出电压,当iu>0时,实际输出电压的正向脉冲宽度减少了Td,,对于理想输出电压,相当于叠加上了一个幅值为Ud宽度为Td,的负脉冲;当iu<0时,实际输出电压的正向脉冲宽度增加了Td,对于理想输出电压,相当于叠加上了一个幅值为Ud、宽度为Td的正脉冲;
图3是本发明中空间偏差电压矢量图;
图4是本发明中一相逆变器的电流流向图;
图5是本发明中负载由电源供电,电流流经上桥臂开关管的图;
图6是本发明中负载由电源供电,电流流经下桥臂开关管的图;
图7是本发明中由负载供电,电流流经上桥臂反相并联二极管的图;
图8是本发明中由负载供电,电流流经下桥臂反相并联二极管的图;
图9是本发明中电压空间矢量图;
图10是本发明中三相开关状态在扇区内的合成图;
图11是本发明中电压矢量合成图;
图12是本发明中传统的SVPWM调制和无死区的SVPWM调制的上桥臂SAp开关函数图,其中,[0,0.02](s)为传统的SVPWM调制,IA<0时,上桥臂SAp是闭合的;[0.02,0.04](s)为无死区的SVPWM调制,IA<0时,上桥臂SAp总是关断的;
图13是本发明中传统的SVPWM调制和无死区的SVPWM调制的下桥臂SAn开关函数图,其中,[0,0.02](s)为传统的SVPWM调制,IA>0时,下桥臂SAn是闭合的;[0.02,0.04](s)为无死区的SVPWM调制,IA>0时,下桥臂SAn总是关断的;
图14是本发明中无死区的SVPWM谐波图;
图15是传统的SVPWM谐波图;
图16是本发明中无死区SVPWM的线电流图;
图17是本发明中无死区SVPWM的转速图;
图18是本发明中无死区SVPWM的转矩图;
图19是传统SVPWM的线电流图;
图20是传统SVPWM的转速图;
图21是传统SVPWM的转矩图;
图22是本发明中无死区SVPWM结构框图。
具体实施方式
具体实施方式一、本实施方式所述的是一种无死区的SVPWM调制方法,它由以下步骤实现:
步骤1、采用逆变器对三相逆变调速系统供电,处于不同桥臂的三个开关管同时导通,逆变器共有八种工作状态,其中六种不为零的有效开关状态对应六种空间电压矢量将空间分为六个扇区,当A、B、C三相逆变器运行到一个扇区内,A、B、C三相逆变器在此扇区内合成一种三相开关状态;
步骤2、采用三相逆变调速系统中的电流检测装置检测三相电流的流动方向,根据每相的电流流动方向判断三相开关状态中的每相开关管上、下桥臂的换流形式:
设逆变器流向负载方向为输出电流正方向,即I>0时,开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的功率管和下桥臂的二极管之间进行,下桥臂的功率管不起作用;当I<0时,开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的二极管和下桥臂的功率管之间进行,上桥臂的功率管不起作用;
步骤3、根据步骤1中三相逆变器合成的三相开关状态和步骤2中三相电流的流动方向,构成一种无死区SVPWM调制三相逆变器的开关函数,根据一种无死区SVPWM调制三相逆变器的开关函数:
SAp=SA×sgn(IA),SAn=SA×sgn′(IA)
SBp=SB×sgn(IB),SBn=SB×sgn′(IB)
SCp=SC×sgn(IC),SCn=SC×sgn′(IC)
实现一种无死区的SVPWM调制方法,
当IA>0时,A相开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的功率管和下桥臂的二极管之间进行,SAn总是关断的,此时将逆变器中A相下桥臂的驱动信号封锁;当IA<0时,A相开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的二极管和下桥臂的功率管之间进行,SAp总是关断的,此时将逆变器A相上桥臂的驱动信号封锁,同时,对于B相和C相的SBp、SBn和SCp、SCn和A相变化规律相同,驱动信号封锁的方式相同,
式中:SAp为A相上桥臂开关函数,SBp为B相上桥臂开关函数,SCp为C相上桥臂开关函数,SAn为A相下桥臂开关函数,SBn为B相下桥臂开关函数,SCn为C相下桥臂开关函数,SA是传统的SVPWM调制A相逆变器的开关函数,SB是传统的SVPWM调制B相逆变器的开关函数,SC是传统的SVPWM调制C相逆变器的开关函数,SB是传统的SVPWM调制B相逆变器的开关函数,SC是传统的SVPWM调制C相逆变器的开关函数,sgn(IA)、sgn(IB)和sgn(IC)是符号函数,其表达式为sgn′(IA)、sgn′(IB)和sgn′(IC)是符号函数,其表达式为x为IA、IB或IC,其中IA,IB,IC是三相负载电流。
本实施方式中,对如图4所示的电压型逆变器的每一相桥臂和负载单独分析。当负载由电源供电时,如图5和图6所示,电流将流经上桥臂或者下桥臂的开关管;当由负载供电时,如图7和8所示,电流将流经上桥臂或者下桥臂反相并联的二极管。
本实施方式中,当三相逆变器运行到如图10所在位置时,参考电压矢量在扇区1,此时由矢量PNN和矢量PPN合成,如图11所示。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的一种无死区的SVPWM调制方法的不同点在于,逆变器共有八种工作状态,其中,A、B、C三相逆变器的上桥臂器件导通用“P”表示,下桥臂导通用“N”表示,八种工作状态相应的表示为PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP、PPP和NNN八组数据。如图9所示。
本发明中,设调制信号周期TM=0.02s,在[0,0.02](s)是传统的SVPWM调制A相桥臂的开关函数,[0.02,0.04](s)是无死区SVPWM调制A相桥臂的开关函数,如图12所示,与传统SVPWM相比,无死区SVPWM中,当IA>0时,SAn总是关断的,此时SAp按照理想SVPWM策略方式变化;如图13所示,当IA<0时,SAp总是关断的,此时SAn按照理想SVPWM调制方式变化同理。
本发明中,在永磁同步电机伺服系统中,由于已经有了定子电流的检测装置,所以不用添加新的设备就能够检测到定子电流流向,从而实现本发明提出的无死区SVPWM调制方法。图16、图17和图18分别是IPM在无死区SVPWM下的线电流图、转速图和转矩图,图19、图20和图21分别是IPM在传统SVPWM下的线电流图、转速图和转矩图。从图14和15中可以看出,无死区SVPWM输出线电压谐波得到了改善;图16至21中两种调制方法虽然都能达到相似的调节效果,但是无死区SVPWM降低了开关损耗。
无死区的SVPWM调制方法,不仅减小了开关损耗,而且避免了由于死区存在而引起的输出电压发生畸变;特别是在电机伺服系统中应用时,不用增加新的检测装置,直接利用系统中的电流检测装置检测电流流向,即在不增加成本的基础上就能达到更好的调节效果。因此,无死区的SVPWM调制方法有良好的应用前景。
Claims (2)
1.一种无死区的SVPWM调制方法,它由以下步骤实现:
步骤1、采用逆变器对三相逆变调速系统供电,处于不同桥臂的三个开关管同时导通,逆变器共有八种工作状态,其中六种不为零的有效开关状态对应六种空间电压矢量将空间分为六个扇区,当A、B、C三相逆变器运行到一个扇区内,A、B、C三相逆变器在此扇区内合成一种三相开关状态;
步骤2、采用三相逆变调速系统中的电流检测装置检测三相电流的流动方向,根据每相的电流流动方向判断三相开关状态中的每相开关管上、下桥臂的换流形式:
设逆变器流向负载方向为输出电流正方向,即I>0时,开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的功率管和下桥臂的二极管之间进行,下桥臂的功率管不起作用;当I<0时,开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的二极管和下桥臂的功率管之间进行,上桥臂的功率管不起作用;
步骤3、根据步骤1中三相逆变器合成的三相开关状态和步骤2中三相电流的流动方向,构成一种无死区SVPWM调制三相逆变器的开关函数,根据一种无死区SVPWM调制三相逆变器的开关函数:
SAp=SA×sgn(IA),SAn=SA×sgn′(IA)
SBp=SB×sgn(IB),SBn=SB×sgn′(IB)
SCp=SC×sgn(IC),SCn=SC×sgn′(IC)
实现一种无死区的SVPWM调制方法,
当IA>0时,A相开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的功率管和下桥臂的二极管之间进行,SAn总是关断的,此时将逆变器中A相下桥臂的驱动信号封锁;当IA<0时,A相开关管上、下桥臂的换流在上桥臂的二极管和下桥臂的功率管之间进行,SAp总是关断的,此时将逆变器A相上桥臂的驱动信号封锁,同时,对于B相和C相的SBp、SBn和SCp、SCn和A相变化规律相同,驱动信号封锁的方式相同,
2.根据权利要求1所述的一种无死区的SVPWM调制方法,其特征在于,逆变器共有八种工作状态,其中,A、B、C三相逆变器的上桥臂器件导通用“P”表示,下桥臂导通用“N”表示,八种工作状态相应的表示为PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP、PPP和NNN八组数据。
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