多Y型電機的整體SVPWM控制方法研究

杜承東

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室，上海200129)

0 引 言

多相交流電動機用作艦船的推進(jìn)電機，可以降低對功率器件的要求、減小脈動轉(zhuǎn)矩、提高可靠性，因此，目前電力推進(jìn)用的電機幾乎都采用了多相多極的設(shè)計方案。對多相同步電動機及其調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，具有重大的現(xiàn)實意義。

多相電機中有一種結(jié)構(gòu)稱為多Y型結(jié)構(gòu)，即電機的定子繞組由多個三相Y型繞組構(gòu)成，各Y之間錯開一定的角度，例如雙Y移30°六相電機、四Y移15°十二相電機等。這類電機的SVPWM控制，目前普遍采用分組控制方法［1－3］，即把每套三相繞組看成一個相對獨立的三相電機，這樣就可對每套繞組采用傳統(tǒng)的三相SVPWM控制方法。該方法的優(yōu)點是可以方便地把三相SVPWM算法拓展到多相系統(tǒng)中，但是這種方法沒有充分考慮到多相電機的整體性，也沒有充分利用多相電機電壓矢量多的優(yōu)點。

本文以12相(4Y移15°)電勵磁同步電動機為例，對多相同步電動機的電壓矢量以及空間矢量PWM(SVPWM)方法進(jìn)行了分析，提出了具有高調(diào)制范圍、低開關(guān)損耗的多Y型電機的整體SVPWM控制方法，理論和仿真分析證實了該方法優(yōu)點。

1 多相電機的電壓矢量分析

12相4Y逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中各Y繞組的中點相互獨立。

圖1 4Y12相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)開關(guān)函數(shù)為 S=［Sa1，Sb1，Sc1，Sa2，Sb2，Sc2，Sa3，Sb3，Sc3，Sa4，Sb4，Sc4，］，則定義 12 相逆變器/電機的電壓矢量如下:

根據(jù)Sk不同的組合，經(jīng)上式計算一共可以得到212=4 096個電壓空間矢量，經(jīng)分析這4 096個矢量一共有69種幅值，分別圍繞原點沿圓周對稱分布，其中幅值最大的矢量(大矢量)有24個，這24個大矢量對SVPWM控制有重要影響，其空間分布及對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如圖2所示。

這24個大矢量可以統(tǒng)一表示:

圖2 4Y12相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

12相逆變器的最大調(diào)制范圍由其最大的電壓矢量決定，定義調(diào)制指數(shù)為參考矢量的最大幅值與最大的電壓空間矢量的幅值之比，可得十二相逆變器的最大調(diào)制指數(shù):

該調(diào)制指數(shù)比三相電機提高了14.48%。

2 12相電機的SVPWM控制方法分析

2.1 最近兩矢量SVPWM

12相逆變器中最大的24個電壓矢量把坐標(biāo)平面均分成24個扇區(qū)，所謂傳統(tǒng)SVPWM控制方法就是同三相逆變器一樣，在每個扇區(qū)中選擇相鄰的兩個大矢量和相應(yīng)的零矢量對參考矢量進(jìn)行合成。

解上述矢量方程，可得各矢量的持續(xù)時間如下:

PWM控制性能優(yōu)化的一個準(zhǔn)則是相同的開關(guān)周期內(nèi)保持開關(guān)次數(shù)最少，即減少開關(guān)損耗。上面提出的12相逆變器的傳統(tǒng)最近兩矢量SVPWM控制，雖然相鄰兩個大矢量之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換只有一相橋臂發(fā)生動作，但是插入零矢量后會引起多個零矢量同時動作。12相逆變器共有16個零矢量，在每個扇區(qū)里選用不同的零矢量會對開關(guān)次數(shù)有很大影響。

其中一個最簡單的方式是無論在哪個扇區(qū)里都選用相同的兩個零矢量:V0(000 000 000 000)和V4095(111 111 111 111)，就像傳統(tǒng)的相逆變器的控制方式一樣。以第一扇區(qū)為例，此時開關(guān)狀態(tài)如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)SVPWM控制選擇V0、V4095時的開關(guān)狀態(tài)

可見在這種控制方式下，在一個開關(guān)周期內(nèi)共有24次開關(guān)動作。

2.2 最少開關(guān)次數(shù)SVPWM

第一扇區(qū)中，具有最大和第二大幅值的四個特征相位矢量形成了一個四邊形區(qū)域，如圖4所示。

圖4 特征相位矢量在第一扇區(qū)的分布

可以發(fā)現(xiàn)，這四個特征相位矢量按照一定的方式排列時，相互之間都只有一次開關(guān)轉(zhuǎn)換，該排列順序及其對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如圖5所示。

圖5 最少開關(guān)次數(shù)SVPWM控制的開關(guān)狀態(tài)

由圖5可見，該控制方式下在一個開關(guān)周期之內(nèi)一共只有6次開關(guān)動作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)SVPWM控制方式。值得注意的是，雖然特征相位矢量還具有其他很多種幅值，但是只有上面兩種幅值的矢量之間存在上述關(guān)系(相互之間只有一次開關(guān)轉(zhuǎn)換)。所以這種方式只能工作在高調(diào)制指數(shù)狀態(tài)下。由于采用四個有效電壓矢量，因此電壓平衡方程應(yīng)調(diào)整為(以扇區(qū)1為例):

另加一個約束方程:

解得:

3 仿真分析

利用MATLAB建立了12相電機的SVPWM調(diào)速控制系統(tǒng)［4］，對上述所提出的控制算法進(jìn)行了仿真研究。得到的極電壓參考波形仿真結(jié)果如下:

從極電壓波形可以看出，在整體控制下，PWM的參考電壓近似為方波如圖6所示，而在分組控制下，PWM的參考電壓與三相SVPWM控制相同(見圖7)，其波峰和波谷被注入的諧波略微削平，因此兩者相比，顯然在整體SVPWM控制下，多Y型逆變器的調(diào)制范圍可以大大提高。值得注意的是，圖6中的波形頂部和底部并不是平滑的直線，而是由一些小脈波組成，圖8是它的波頂?shù)姆糯蟛ㄐ?，可見其波形類似于整流輸出，小脈波的個數(shù)由逆變器的相數(shù)決定?？梢灶A(yù)見:隨著相數(shù)的增多，小脈波數(shù)將增多，脈幅將減小，調(diào)制范圍將進(jìn)一步增大，但是增量有限。

SVPWM控制的主要目的是使電機形成圓形磁通，因此對本文算法的電機磁通控制性能進(jìn)行了仿真，如圖9所示。從仿真結(jié)果可以看出，在相同開關(guān)頻率下，最小開關(guān)次數(shù)SVPWM控制的電機磁鏈軌跡與最近兩矢量SVPWM控制方法基本相同，但是最小開關(guān)次數(shù)SVPWM控制的開關(guān)次數(shù)僅為后者的1/4，因此開關(guān)損耗要小得多。另外需要指出的是，圖9的磁鏈軌跡僅僅是在5倍開關(guān)頻率(250 Hz)下得到的，此時圓形軌跡已經(jīng)很平滑，這正是多相整體控制的主要優(yōu)點之一。

圖9 電機磁鏈軌跡

4 結(jié) 語

本文對12相電機的電壓矢量進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在此基礎(chǔ)上提出了利用24個大矢量和24個次大矢量來實現(xiàn)12相SVPWM的整體控制方法，并對它們的實現(xiàn)方法和基本特性進(jìn)行了理論和仿真分析，得到的主要結(jié)論如下:

(1)整體SVPWM控制的調(diào)制范圍要比分組SVPWM控制高14.48%，因此對直流母線的電壓利用率更高。

(2)傳統(tǒng)SVPWM整體控制方法適用于任何調(diào)制區(qū)域，但是一個開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)次數(shù)較多，引起的開關(guān)損耗大。

(3)最小開關(guān)次數(shù)SVPWM整體控制方法適用于高調(diào)制區(qū)域，其開關(guān)次數(shù)僅為傳統(tǒng)SVPWM方法的1/4，因此開關(guān)損耗明顯減小，同時其控制電機磁鏈軌跡與傳統(tǒng)控制方法基本相同。

(4)仿真結(jié)果驗證了本文提出的控制方法具有調(diào)制范圍大、開關(guān)損耗小、磁鏈圓形軌跡平滑的特點。

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