五橋臂逆變器驅(qū)動雙異步電機調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)制方法研究

劉 嘉，梅 楊，王莉娜，孫 凱

(1.北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191;2.北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動工程中心，北京100144;3.清華大學(xué)電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制國家重點實驗室，北京100084)

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)傳動領(lǐng)域中逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。交流傳動系統(tǒng)憑借其維護方便、電機結(jié)構(gòu)簡單、可實現(xiàn)高速驅(qū)動等優(yōu)點［1］，廣泛應(yīng)用于能源、機械、交通等國民經(jīng)濟的各個部門。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)多由一臺逆變器驅(qū)動一臺異步電機運行，然而，在諸如電動汽車［2］、電動機車［3］及一些工業(yè)生產(chǎn)場合常需要驅(qū)動兩臺或者多臺電機并聯(lián)運行［4］。

針對實際應(yīng)用中的需求，本文對五橋臂逆變器驅(qū)動雙異步電機調(diào)速系統(tǒng)進行研究，并實現(xiàn)了通過一臺五橋臂逆變器驅(qū)動兩臺異步電機獨立運行。與通過多臺逆變器驅(qū)動多臺電機相比，該系統(tǒng)降低了成本、體積和重量［2］。

目前，對于五橋臂逆變器驅(qū)動雙異步電機系統(tǒng)中逆變器調(diào)制方式的相關(guān)研究并不多見。法國科研人員［5］提出了一種通用多橋臂逆變器控制方法，通過逆變器輸出線電壓給定值的瞬時值，得出作用模式編號，再通過查表得出各開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號。該方法適用于任意橋臂數(shù)量的逆變器，但隨著橋臂數(shù)目增加，實現(xiàn)難度及復(fù)雜度也隨之升高。日本學(xué)者Matsuse也提出了一種五橋臂逆變器的調(diào)制方法［6］，其將逆變器控制周期分為兩部分，根據(jù)所驅(qū)動的兩臺電機各線電壓的大小確定PWM信號占空比及模式，進而確定逆變器的驅(qū)動信號。該方法由于驅(qū)動信號并不中心對稱，且驅(qū)動信號跳變時刻分布不均，故難以采用DSP實現(xiàn)。本文提出一種適用于五橋臂逆變器的改進型七段式PWM調(diào)制方法。該方法將逆變器控制周期分為兩部分并采用傳統(tǒng)SVPWM方法生成逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動信號，便于實現(xiàn)是該方法的一大特點。

2 五橋臂逆變器分析

五橋臂逆變器共有五個橋臂，十個開關(guān)器件。圖1為五橋臂逆變器驅(qū)動雙異步電機系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。為便于后文分析，將五橋臂逆變器的橋臂如圖1中分為兩部分:1號、2號、3號為一組，記為逆變器 A部分;3號、4號、5號橋臂為一組，記為逆變器B部分。其中，3號橋臂為逆變器AB兩部分的公共橋臂，也是兩臺電機的共用橋臂。

圖1 五橋臂逆變器驅(qū)動雙異步電機系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of dual-motor drive system's main circuit

3 五橋臂逆變器調(diào)制方法

為實現(xiàn)五橋臂逆變器的調(diào)制方式需完成對控制周期進行分區(qū)、確定驅(qū)動信號占空比及產(chǎn)生驅(qū)動信號等三步。為使得五橋臂逆變器能夠獨立驅(qū)動雙異步電機，兩電機給定定子電壓矢量 us1、us2應(yīng)相互獨立。如圖2所示，矢量 us1、us2分別按照角速度 ω1、ω2獨立旋轉(zhuǎn)，矢量幅值通過異步電機恒壓頻比控制方式確定。

圖2 雙異步電機控制系統(tǒng)的定子電壓矢量Fig.2 Voltage space vector of dual induction motor system

3.1 控制周期的分區(qū)

為實現(xiàn)兩臺異步電機獨立控制，需要將逆變器的控制周期分為兩部分。前半周期為逆變器A部分的有效作用時間，后半周期為逆變器B部分的有效作用時間。當逆變器 A部分作用時，橋臂1～3由SVPWM確定各開關(guān)器件驅(qū)動信號占空比，橋臂4、5將始終保持與公共橋臂3相同的開關(guān)狀態(tài)，即在控制周期前半周期中，逆變器B部分作用的基本空間矢量均為0矢量(000或111)。同理，在控制周期的后半周期，當逆變器B部分作用時，橋臂3～5由SVPWM確定各開關(guān)器件驅(qū)動信號占空比，橋臂1與橋臂2也將始終保持與公共橋臂3相同的開關(guān)狀態(tài)。

3.2 驅(qū)動信號占空比的確定

記定子電壓矢量us1相位角為θr1，由伏秒平衡:

令式(1)實、虛部分別相等，基本空間矢量作用時間結(jié)果為

記控制周期的前半周期各橋臂上橋臂開關(guān)器件驅(qū)動信號有效時間為 Ta、Tb、Tc、Td、Te。令零矢量 u0與 u7作用時間相等，即T0=T7，可得七段式方法實現(xiàn)SVPWM的情況下，各開關(guān)器件有效作用時間為

同理可得后半控制周期各開關(guān)器件驅(qū)動信號的作用時間。

3.3 驅(qū)動信號的產(chǎn)生

表1為五橋臂逆變器的基本電壓空間矢量所對應(yīng)的逆變器各橋臂上開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)。其中，SABCDE1代表前半控制周期橋臂1-5上開關(guān)器件對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，SABCDE2代表后半控制周期橋臂1-5上開關(guān)器件對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，SABC代表三相逆變器的基本空間矢量所對應(yīng)的各橋臂開關(guān)狀態(tài)。當逆變器工作時，開關(guān)狀態(tài) SABCDE1與開關(guān)狀態(tài) SABCDE2將交替驅(qū)動逆變器的五個橋臂。

表1 五橋臂逆變器基本電壓矢量對應(yīng)開關(guān)狀態(tài)表Tab.1 Switch status to basic vector of 5-leg inverter

按七段式SVPWM產(chǎn)生方式產(chǎn)生五橋臂逆變器驅(qū)動信號，電壓矢量作用順序及作用時間如圖3所示(以圖2中電壓矢量位置為例)。圖中，M1表示逆變器 A部分對應(yīng)的基本電壓矢量SABC，M2表示逆變器B部分對應(yīng)的基本電壓矢量SABC。

圖3 五橋臂逆變器調(diào)制方式的實現(xiàn)Fig.3 Implementation of 5-leg inverter's control method

4 仿真及實驗研究

為驗證所提出的五橋臂逆變器的改進型七段式PWM調(diào)制方式有效性，對其進行仿真及實驗研究。仿真采用Matlab/Simulink搭建整個系統(tǒng)的模型，仿真重點在于五橋臂逆變器驅(qū)動信號的產(chǎn)生。仿真中，直流母線電壓設(shè)為200V，異步電機參數(shù)見表2。

表2 仿真中所采用的電機參數(shù)Tab.2 Parameters of motors in simulation

系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，五橋臂逆變器采用兩塊型號為6MBP75RA120的智能功率模塊并聯(lián)組成，其中一智能功率模塊一橋臂空閑。選用TMS320x2812作為逆變器的控制器，為智能功率模塊產(chǎn)生PWM控制信號并完成逆變器的控制功能。系統(tǒng)中，電機1功率、電壓、頻率及轉(zhuǎn)速額定值分別為 1.1kW、380V、50Hz、1420r/min，電機 2 的功率、電壓、頻率及轉(zhuǎn)速額定值分別為3.7kW、380V、50Hz、1450r/min。通過調(diào)壓器對輸入三相交流電進行調(diào)整使得直流母線電壓與仿真中一致，同為200V。

圖4 五橋臂逆變器驅(qū)動雙異步電機系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of experiment platform

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of system

對系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)、動態(tài)運行的仿真和實驗。穩(wěn)態(tài)運行時，電機1和電機2分別在同步頻率為20Hz和40Hz情況下穩(wěn)定運行。動態(tài)實驗中，電機1速度給定值按圖中給定變化規(guī)律進行斜波或階躍變化，電機2在同步頻率為40Hz條件下穩(wěn)定運行。電機1的頻率給定值及定子電流的仿真及實驗波形如圖5和圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of system

由仿真及實驗結(jié)果證明所提出的適用于五橋臂逆變器的改進型七段式PWM調(diào)制方式可行且有效。

5 結(jié)論

本文對驅(qū)動雙異步電機系統(tǒng)的五橋臂逆變器的及其調(diào)制方式進行討論和研究，提出了一種便于實現(xiàn)的改進型七段式PWM調(diào)制方式。仿真及實驗結(jié)果表明調(diào)制方式有效，能夠完成對兩臺參數(shù)不同的異步電機的獨立控制，并可以在此基礎(chǔ)上對五橋臂逆變器驅(qū)動雙異步電機系統(tǒng)進行進一步的研究。

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