死區(qū)對開環(huán)和閉環(huán)控制SPWM逆變器輸出基波電壓的影響比較

陳良亮 洪福斌

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210003)

0 引言

在單相或三相橋式SPWM逆變器中，需要按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)IGBT等功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，以保證輸出電壓或者電流滿足要求。為了避免同一橋臂的上下兩只功率開關(guān)管發(fā)生直通故障損壞，一般需要在開關(guān)管的控制信號中人為設(shè)定一定的死區(qū)時間。延長死區(qū)時間對于避免橋臂直通故障有良好效果，但也帶來了輸出基波電壓幅值減小、諧波電壓幅值增加的缺點，影響了逆變器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，增加了諧波抑制的難度。對于變頻器負載，還會引起電機發(fā)熱等不利后果［1－2］。

部分文獻利用仿真和理論分析等手段對死區(qū)時間對SPWM逆變器輸出電壓的影響進行了研究，提出了一些補償控制策略以減輕死區(qū)時間對逆變器輸出電壓的影響［2－6］。上述文獻主要是從微觀的角度對死區(qū)效應(yīng)問題進行研究。本文則通過建立SPWM逆變器無死區(qū)時間和有死區(qū)時間的平均值模型，推導(dǎo)出了SPWM逆變器輸出基波電壓與死區(qū)時間等關(guān)鍵參數(shù)之間的表達式。然后利用該表達式，分析和比較了死區(qū)時間對開環(huán)以及采用瞬時輸出電壓反饋控制技術(shù)的閉環(huán)SPWM逆變器輸出基波電壓的影響，發(fā)現(xiàn)死區(qū)時間對閉環(huán)SPWM逆變器的影響與開環(huán)SPWM逆變器有較大差別，最后用仿真結(jié)果證明對本文的理論分析進行了驗證。

1 考慮死區(qū)時間的SPWM逆變器建模與分析

本文研究的SPWM逆變器主電路采用全橋結(jié)構(gòu)，其主電路和工作原理分別如圖1和圖2所示所示。其中，ILf是逆變器輸出濾波電感電流，Ur是逆變器基準(zhǔn)正弦電壓信號，Uf是逆變器輸出電壓反饋信號，Ue是經(jīng)過比例積分運算后得到的電壓誤差信號，UΔ是三角載波幅值，fΔ是三角載波頻率，Uab是逆變橋臂中點電壓，Uo是逆變器輸出電壓。

研究結(jié)果表明［7］，死區(qū)效應(yīng)造成的諧波基波電壓UΔ1的有效值僅僅與死區(qū)時間、三角載波周期和直流母線電壓有關(guān)，諧波基波電壓相位與濾波電感電流的相位相反。對于圖1和圖2，設(shè)G0(s)為電壓調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，G1(s)為輸出濾波器和負載的等效傳遞函數(shù)，G2(s)～G4(s)是諧波電壓對應(yīng)的等效傳遞函數(shù)，Kvf為逆變器輸出電壓反饋系數(shù)，KC=Udc/UΔ。若只考慮理想調(diào)制波和諧波的基波電壓對逆變器輸出電壓的影響，可以得到考慮死區(qū)效應(yīng)時SPWM逆變器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中θ是電感電流相角。

圖3 考慮諧波基波電壓時閉環(huán)SPWM逆變器結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)逆變器負載為線性負載，其阻抗模值和和功率因數(shù)角分別為|ZL|和φ，逆變器輸出濾波電感和濾波電容分別為Lf和Cf，SPWM逆變器閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中T0～T2、P0～P4是與逆變器控制電路和負載有關(guān)的參數(shù)。鑒于其表達式比較復(fù)雜，本文不再給出。

設(shè)Ur和Uo分別是逆變器基準(zhǔn)正弦波和輸出電壓有效值，對式(1)兩邊求模值可得

分析公式(2)可知，當(dāng)負載等參數(shù)確定時，上式中只有逆變器輸出電壓有效值是未知量。盡管上述方程比較復(fù)雜，但是利用數(shù)學(xué)工具軟件MATHCAD仍然可以方便地求解出任意線性負載阻抗對應(yīng)的輸出電壓有效值。如果將上式中的|ZL|用Uo/Io代入，則可以求出任意負載電流時輸出電壓有效值。

2 死區(qū)間對開環(huán)和閉環(huán)控制SPWM逆變器輸出電壓的影響

本文研究的SPWM逆變器主要參數(shù)如下

輸入電壓:Uin=220VDC，輸出電壓:Uo=110V/50Hz，額定輸出電流:Io=14A，輸出濾波電感:Lf=1.84mH，輸出濾波電容:Cf=40μF，三角載波頻率:fΔ=10kHz，三角載波幅值:UΔ=8.0V，比例系數(shù):Kp=8.226，積分系數(shù):KI=3225.8，K0=0.0062

根據(jù)公式(2)，令Kvf可得開環(huán)SPWM逆變器不同阻性負載時逆變器輸出基波電壓隨死區(qū)時間變化曲線如圖4(a)所示，基于Saber軟件的仿真結(jié)果如圖4(b)所示。比較圖4(a)與圖4(b)可以看出，對于開環(huán)控制SPWM逆變器，無論何種負載，逆變器輸出基波電壓都隨著死區(qū)時間的增加而迅速下降，這也與相關(guān)文獻的分析結(jié)果是一致的［2－4］。

根據(jù)公式(2)，令Kvf(閉環(huán)控制額定參數(shù))，可得單電壓閉環(huán)控制SPWM逆變器不同負載時逆變器輸出基波電壓隨死區(qū)時間變化曲線如圖5(a)所示，Saber仿真結(jié)果如圖5(b)所示。理論分析和仿真結(jié)果表明，逆變器空載(RL=∞)時，隨著死區(qū)時間的增加，逆變器輸出電壓反而增加，這與開環(huán)工作的SPWM有顯著差別［1］。隨著負載阻抗的減小，逆變器輸出電壓有效值隨死區(qū)時間增加而增加的值逐漸減小，在逆變器負載電阻為某一臨界值(RLC=80Ω)時，死區(qū)時間幾乎不影響逆變器輸出電壓。當(dāng)逆變器負載電阻小于臨界電阻且為某一常值時，逆變器輸出電壓隨著死區(qū)時間增加而減小。此外，比較圖4和圖5還可看出，采取閉環(huán)控制措施后，死區(qū)時間對逆變器輸出基波電壓的影響顯著減小，說明采用瞬時輸出電壓反饋控制可有效降低逆變橋臂死區(qū)時間對逆變器輸出電壓的影響。

圖6(a)給出了開環(huán)控制情況下，死區(qū)時間為0和死區(qū)時間為12μs時的SPWM逆變器輸出電壓仿真波形。分析圖中不同死區(qū)時間對應(yīng)的逆變器輸出電壓波形可以看出，死區(qū)時間為0時，逆變器輸出電壓的THD很低，其有效值基本上不受負載的影響。隨著死區(qū)時間的增加，逆變器輸出電壓THD迅速增加，其有效值隨負載增加而迅速下降，必須采取相應(yīng)的死區(qū)補償措施才能使逆變器輸出電壓滿足要求。圖6(b)給出了閉環(huán)控制SPWM逆變器不同死區(qū)時間對應(yīng)的輸出電壓仿真波形。分析波形可以看出，采取閉環(huán)控制措施后，逆變器輸出電壓有效值受死區(qū)時間和負載的影響相對開環(huán)控制而言迅速減小。

圖6 R=20Ω時不同控制方式和死區(qū)時間對應(yīng)逆變器輸出電壓仿真波形

3 結(jié)論

本文研究和比較了死區(qū)時間對開環(huán)控制與采用瞬時輸出電壓反饋控制的SPWM逆變器輸出電壓的影響，并通過仿真進行了驗證。由本文的研究結(jié)果可以得出如下結(jié)論:

(1)對于開環(huán)控制SPWM逆變器，其輸出電壓隨著死區(qū)時間的增加而迅速下降，輸出諧波電壓含量隨著死區(qū)時間增加迅速增加。負載電阻越小，相同死區(qū)時間變化對逆變器輸出電壓的影響越大;此時，必須采取相應(yīng)的死區(qū)補償措施以消除死區(qū)時間的影響;

(2)采用電壓瞬時反饋閉環(huán)控制后，死區(qū)時間對SPWM逆變器輸出電壓有效值和輸出諧波電壓含量的影響迅速減小。在要求不高的場合可不必考慮死區(qū)效應(yīng)的影響。

［1］ 陳良亮，丁志剛，曾忠，嚴(yán)仰光.閉環(huán)SPWM逆變器死去時間對輸出基波電壓的影響［J］.電機與控制學(xué)報，2006，10(5):487－491.

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