一種基于SVPWM的死區(qū)補(bǔ)償算法的研究

鄧永紅，趙立永，黃成玉

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 101601)

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一種基于SVPWM的死區(qū)補(bǔ)償算法的研究

鄧永紅，趙立永，黃成玉

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 101601)

礦用四象限變流器死區(qū)時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致諧波、電流波形畸變和直流電壓波動(dòng)，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)的脈寬調(diào)制礦用四象限變流器的死區(qū)補(bǔ)償方法，通過(guò)矢量合成的方法得到一個(gè)控制周期內(nèi)的死區(qū)時(shí)間矢量，并以此來(lái)修正指令空間電壓矢量，可以對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行軟件算法補(bǔ)償，在礦用四象限變流器中的應(yīng)用結(jié)果表明了這種方法的有效性。

空間矢量脈寬調(diào)制；死區(qū)補(bǔ)償；諧波；四象限變流器

1 問(wèn)題的提出

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，礦用四象限變流器成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，而礦用的采煤機(jī)、提升機(jī)、空壓機(jī)、采掘機(jī)，刮板機(jī)、皮帶機(jī)、絞車(chē)等動(dòng)力負(fù)荷變化較大的電氣設(shè)備，其在起動(dòng)、加減速、制動(dòng)和設(shè)備維護(hù)等方面的能耗非常的大，這就需要應(yīng)用高性能四象限變流器使制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)改善輸入電流波形，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，提高煤礦裝備的控制性能、安全性，降低故障率。

圖1所示為四象限變流器主回路原理圖，采用的是電壓型逆變器，主要有兩種工作狀態(tài)：功率因數(shù)為1的整流工況和功率因數(shù)為-1的逆變工況。為避免上下橋臂開(kāi)關(guān)管短路直通的情況發(fā)生，變流器同一橋臂的上下開(kāi)關(guān)管之間的動(dòng)作必須加入一段不導(dǎo)通時(shí)間，這樣的時(shí)間段被稱(chēng)為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的作用是使得橋臂開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，開(kāi)通管子的觸發(fā)信號(hào)沿比要關(guān)斷管子的觸發(fā)信號(hào)沿有一段時(shí)間的延時(shí)，這造成在死區(qū)時(shí)間里一個(gè)橋臂的兩個(gè)管子均關(guān)斷，但由于有輸入電感，電流不會(huì)突變而由相應(yīng)的二極管續(xù)流，這使得四象限變流器輸出的電壓可能與控制系統(tǒng)所期望的不完全一致，從而影響控制系統(tǒng)對(duì)功率回路的精確控制。尤其是電壓脈沖的寬度有限，通常幾個(gè)或十幾個(gè)微秒，而IGBT的死區(qū)時(shí)間一般也有2～15微秒，由此而產(chǎn)生的誤脈沖對(duì)系統(tǒng)的性能影響將更大。死區(qū)的發(fā)生也會(huì)使橋臂中點(diǎn)電壓中含有豐富的諧波，對(duì)于高功率因數(shù)整流工況而言，死區(qū)效應(yīng)將加劇輸入側(cè)線電流波形的畸變和輸出側(cè)直流電壓的脈動(dòng)；對(duì)于逆變工況而言，死區(qū)效應(yīng)會(huì)使輸出電壓波形畸變。這兩種工況下，死區(qū)效應(yīng)都會(huì)影響到系統(tǒng)獲得較高的理想功率因數(shù)[1-8]。因而對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償是必要的。

圖1 四象限變流器器主電路原理圖

2 死區(qū)效應(yīng)分析

2.1 電流方向?qū)τ谒绤^(qū)效應(yīng)的影響

變流器開(kāi)關(guān)管在觸發(fā)信號(hào)為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)斷。一般情況下可以近似地認(rèn)為IGBT器件的開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)為方波，只是加入了一段時(shí)間的開(kāi)關(guān)時(shí)延[2,3]。設(shè)死區(qū)時(shí)間為td，開(kāi)通時(shí)延為tr，關(guān)斷時(shí)延為tf，電流正方向如圖1所示：

(1) 當(dāng)電流ia<0，如果理想狀態(tài)下某一時(shí)刻應(yīng)該下管關(guān)斷，上管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)后，電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)必然流經(jīng)下橋臂續(xù)流二極管VD2，使橋臂中點(diǎn)本應(yīng)為高的電位在這時(shí)段內(nèi)保持為“0”電平；反之，如果理想狀態(tài)下某一時(shí)刻應(yīng)該上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)后，電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)依然只能流經(jīng)下橋臂續(xù)流二極管VD2，橋臂中點(diǎn)電位與不注入死區(qū)時(shí)一樣為“0”電平，這時(shí)死區(qū)時(shí)間的注入對(duì)于橋臂中點(diǎn)電位無(wú)影響。

(2) 當(dāng)電流ia>0，如果理想狀態(tài)下某一時(shí)刻應(yīng)該下管關(guān)斷，上管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)時(shí)間后，電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)必然流經(jīng)上橋臂續(xù)流二極管VD1，橋臂中點(diǎn)電位與不注入死區(qū)時(shí)一樣為“1”電平，這時(shí)死區(qū)時(shí)間的注入對(duì)于橋臂中點(diǎn)電位無(wú)影響；如果理想狀態(tài)下某一時(shí)刻應(yīng)該上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)后，電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)依然只能流經(jīng)上橋臂二極管VD1，使橋臂中點(diǎn)本應(yīng)為低的電位在這時(shí)段內(nèi)保持為“1”電平。由以上分析可知，死區(qū)效應(yīng)與交流側(cè)電流的方向密切相關(guān)。

2.2 影響死區(qū)效應(yīng)的因素

對(duì)于四象限變流器，考慮到死區(qū)時(shí)間的影響和IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間后，可以將實(shí)際的輸出電壓和給定的PWM脈沖之間的關(guān)系表示如圖2所示。由上面分析可知，這一電壓偏差的正負(fù)與電流方向有直接關(guān)系，當(dāng)電流為正，電壓偏差為正，電流為負(fù)，電壓偏差為負(fù)[4]。

圖2 死區(qū)效應(yīng)對(duì)實(shí)際施加的相電壓的影響

可以看出，死區(qū)時(shí)間的影響可以概括為：(1)負(fù)載電流大于零時(shí)，實(shí)際的相電壓輸出比控制要求減少了一段td+tr-tf的時(shí)間；(2)負(fù)載電流小于零時(shí)，實(shí)際的相電壓輸出比控制要求增加了一段td+tr-tf的時(shí)間。如果根據(jù)采樣得到的負(fù)載電流方向?qū)λl(fā)的SVPWM脈沖寬度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整就可以對(duì)因變流器系統(tǒng)引入的控制偏差實(shí)施補(bǔ)償，從而使得四象限變流器系統(tǒng)實(shí)際的電壓輸出和控制[5-7]要求一致。

3 死區(qū)補(bǔ)償算法分析

空間矢量脈寬調(diào)制方法已經(jīng)在四象限變流器中得到了廣泛的應(yīng)用[8,9]，SVPWM控制技術(shù)的目標(biāo)就是通過(guò)控制6個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量的線性組合，調(diào)整每個(gè)扇區(qū)兩個(gè)相鄰非零空間矢量和零矢量作用時(shí)間的長(zhǎng)短合成所需的電壓空間矢量，使電壓空間矢量Uout按照設(shè)定的參數(shù)圓形旋轉(zhuǎn)。為易于闡述本算法，令圖1上橋臂導(dǎo)通為l，下橋臂導(dǎo)通為0。電壓扇區(qū)的劃分如圖3所示。6個(gè)非零空間電壓矢量將變流器的一個(gè)工作周期等分為6個(gè)區(qū)域。

圖3 基本電壓空間矢量

在某個(gè)時(shí)刻電壓矢量Uout旋轉(zhuǎn)到某個(gè)扇區(qū)中，就由組成這個(gè)扇區(qū)的兩個(gè)非零矢量UX,UX±60分別作用T1,T2時(shí)間，先作用的UX稱(chēng)為主矢量，后作用的UX±60稱(chēng)為輔矢量，時(shí)間分解如圖4(a)所示，為了軟件計(jì)算方便，我們采用圖4(b)去等效圖4(a)。

圖4 電壓空間矢量的線性組合

根據(jù)圖4(b)求解上式得：

(1)

(2)

其中TPWM為一個(gè)PWM周期，Td為死區(qū)時(shí)間，TE=TPWM-Td。

圖5 SVPMW調(diào)制周期內(nèi)電壓矢量補(bǔ)償圖

其中k=a,b,c。

圖6 第三扇區(qū)死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償前后觸發(fā)信號(hào)圖

歸納起來(lái)，死區(qū)矢量的計(jì)算遵循以下原則：

(3) 為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)開(kāi)關(guān)函數(shù)Sk(k=a,b,c)的上升沿與下降沿進(jìn)行區(qū)分，濾除無(wú)效死區(qū)分矢量。由上面分析，當(dāng)Sk“由0變1”(上升沿)時(shí)，如果該相電流大于零，對(duì)應(yīng)死區(qū)分矢量為無(wú)效矢量，如果該相電流小于零，對(duì)應(yīng)死區(qū)分矢量為有效矢量；當(dāng)Sk“由1變0”(下降沿)時(shí)，如果該相電流大于零，對(duì)應(yīng)死區(qū)分矢量為有效矢量，如果該相電流小于零，則對(duì)應(yīng)死區(qū)分矢量為無(wú)效矢量，可以忽略。

(3)

求出總的死區(qū)矢量后，按下式對(duì)原電壓空間矢量進(jìn)行修正：

(4)

其中，TPWM為一個(gè)PWM周期，Td為死區(qū)時(shí)間，TE=TPWM-Td。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述死區(qū)補(bǔ)償算法，在礦用四象限變流器上進(jìn)行了成功的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要參數(shù)為：四象限變流器額定功率：18.5 kW，輸入線電壓：AC380 V，整流輸出電壓：DC550 V，調(diào)制頻率為5 kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)定為5 us。圖7四象限變流器輸入側(cè)相電流波形圖，其中7(a)未進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償?shù)牟ㄐ螆D，圖7(b)采用了本文所述補(bǔ)償方法的波形圖，可見(jiàn)采用死區(qū)補(bǔ)償措施后的電流波形波動(dòng)明顯變小，更加接近正弦。

圖7 四象限變流器的相電流波形(a) 未加死區(qū)補(bǔ)償?shù)南嚯娏鞑ㄐ?(b) 加死區(qū)補(bǔ)償后的相電流波形

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法在礦用四象限變流器對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行較好的補(bǔ)償，它不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何硬件改動(dòng)，完全依靠軟件就可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償，這對(duì)于提高系統(tǒng)工作效率，降低系統(tǒng)成本具有積極的意義。同時(shí)這種方法適用于應(yīng)用SVPWM技術(shù)的四象限變流器的死區(qū)補(bǔ)償，特別在死區(qū)效應(yīng)比較明顯時(shí)，如整流器輸出電壓較高、逆變器輸出頻率較低等場(chǎng)合具有較好的工程實(shí)用及應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1] 張章，宋海峰. 電壓型四象限變流器死區(qū)補(bǔ)償方法研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2012，15(8):29-34.

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Research on a dead time compensation algorithm based on SVPWM

DENG Yong-hong, ZHAO Li-yong, HUANG Cheng-yu

(InstituteofInformationandControlTechnology,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

The dead-time effect in mine 4-Quadrant Converter can result in harmonic, current waveforms distortion, DC voltage fluctuation. A dead-time compensation method used in the SVPWM mine 4-Quadrant Converter is realized. Based on the popular-used SVPWM, the dead-time effect can be compensated using the concept of dead-time vector. The method can be used via modification in the original controller software. The proposed method is verified by the experiment of the mine 4-Quadrant Converter.

SVPWM; Dead-Time Compensation; Harmonic; 4-Quadrant Converter

2016-02-24

廊坊市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(2015011017),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015023,3142013101)

鄧永紅(1975-)，男，湖南漣源人，碩士，華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所講師，研究方向：電力電子與電能變換技術(shù)，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等。 E-mail：dyhsyjdyx@163.com

TN78

A

1672-7169(2016)02-0116-05