基于DSP的交流調(diào)速系統(tǒng)軟開關(guān)三相逆變器的應用特性研究與分析

王 宏， 鄭遠攀， 李紅濤， 李貴寶

(1.鄭州輕工業(yè)學院 建筑環(huán)境工程學院， 鄭州 450002； 2.鄭州輕工業(yè)學院 計算機與通信工程學院， 鄭州 450002；3.東方電子股份有限公司， 山東 煙臺 264000)

基于DSP的交流調(diào)速系統(tǒng)軟開關(guān)三相逆變器的應用特性研究與分析

王 宏1*， 鄭遠攀2， 李紅濤3， 李貴寶1

(1.鄭州輕工業(yè)學院 建筑環(huán)境工程學院， 鄭州 450002； 2.鄭州輕工業(yè)學院 計算機與通信工程學院， 鄭州 450002；3.東方電子股份有限公司， 山東 煙臺 264000)

目前，國內(nèi)外對于交流調(diào)速逆變系統(tǒng)的研究非?；钴S，但有關(guān)軟開關(guān)以及DSP(Digital Singnal Processor)技術(shù)在三相逆變器中的應用研究卻相對有些滯后.死區(qū)效應作為三相逆變器的主要特性，為了提高逆變器本身工作的可靠性，不斷提高輸出電流波形的質(zhì)量，以輔助二極管變換極逆變器ADRPI(Auxiliary Diode Resonant Pole Inverter)為研究對象，在對其拓撲結(jié)構(gòu)以及工作原理介紹的基礎(chǔ)上，深入研究和分析了其死區(qū)形成原理、死區(qū)時間大小、影響死區(qū)時間的主要因素以及死區(qū)效應對逆變器的影響等內(nèi)容，通過建立數(shù)學模型、進行仿真以及基于DSP所開展的交流調(diào)速相關(guān)實驗，證明了通過采用ADRPI軟開三相逆變器并合理設置其死區(qū)時間可以有效減小死區(qū)效應對逆變器輸出電流質(zhì)量的影響，為ADRPI軟開三相逆變器的進一步實際廣泛應用奠定了基礎(chǔ).

交流調(diào)速系統(tǒng)； 軟開關(guān)技術(shù)； 逆變器； 死區(qū)時間； 死區(qū)效應

近年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是軟開技術(shù)較好的解決了交流調(diào)速系統(tǒng)逆變器高頻化中的開關(guān)損耗、開關(guān)噪聲以及電磁干擾等問題，軟開逆變器在工業(yè)、國防、民用以及新能源的開發(fā)和利用等領(lǐng)域得到了進一步的廣泛應用[1-2].當前，軟開關(guān)技術(shù)在逆變器中的應用一直是交流調(diào)速當中的研究熱點，軟開關(guān)逆變器的應用研究對于現(xiàn)代交流調(diào)速的不斷發(fā)展起到了巨大的推動作用[3].經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，軟開關(guān)逆變器新的拓撲結(jié)構(gòu)層出不窮，但有關(guān)其死區(qū)效應所涉及的應用研究和特性分析還不夠深入.ADRPI作為軟開關(guān)逆變器當中的一種典型拓撲結(jié)構(gòu)，由于其自身所具有的拓撲結(jié)構(gòu)和工作機理，在實際應用當中，一方面三相橋臂之間不僅具有控制靈活且操作獨立以及可較為方便的實現(xiàn)各種PWM調(diào)制策略等優(yōu)點，還能較好的克服普通逆變器特別是DC環(huán)節(jié)諧振型逆變器電壓應力較高的缺點[4]；另一方面，與一般的逆變器不同，其同一橋臂的兩個開關(guān)管間自然形成的有死區(qū)，但是在實際應用當中，其死區(qū)的存在以及對逆變器產(chǎn)生的不利影響往往被人們所忽略.所以，本文以ADRPI為研究對象，通過對ADRPI拓撲結(jié)構(gòu)、死區(qū)形成機理、死區(qū)大小、死區(qū)影響因素等方面進行深入分析，建立其數(shù)學模型并有針對性的進行系統(tǒng)仿真和實驗研究，從而實現(xiàn)對其死區(qū)大小的控制以及減小死區(qū)效應對逆變器輸出的影響.

1 ADRPI拓撲結(jié)構(gòu)及工作過程

輔助二極管變換極逆變器又稱為結(jié)實型極諧振逆變器(ERPI)，其實質(zhì)是在緩沖電容與諧振電容分開的準極諧振逆變器基礎(chǔ)上，通過各增加一個續(xù)流二極管和箝位二極管形成輔助諧振電路，使開關(guān)器件在零電壓下保持導通，在緩沖電容保護下實現(xiàn)零電流關(guān)斷，從而盡可能有效的減小開關(guān)損耗，真正實現(xiàn)“軟開關(guān)”[5].該電路具有可靠性高、控制方便等優(yōu)點，其一條變換橋臂的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該電路主要包括兩個雙極性晶體管、VT1、VT2以及與其反并聯(lián)的兩個二極管VD1、VD2，諧振電感L與電容C3和C4則一起構(gòu)成諧振電路，主要在電路中起到諧振和儲能的作用，鉗位二極管VD3和續(xù)流二極管VD4則分別與C3和C4并聯(lián)連接，而電容C1和C2的作用則是作為開關(guān)器件的無損耗關(guān)斷緩沖電路[6].

圖1 ADRPI原理電路Fig.1 ADRPI schematic circuit

在實際工作中，ADRPI的開關(guān)次序依次為VD1→VT1→VD2→VT2，可以有效消除實際電路當中所有主要寄生成分的影響.由圖1可知，其變換橋臂的一個工作過程可分為6個時間段[7]：1)輸出電壓UC4被鉗位為零或US時的兩個電感電流線性變化段；2)在L與C3和C4之間進行諧振的兩個諧振階段；3)輸出電壓UC4被鉗位為零或US以及電感電流為iL穩(wěn)定負值或正值所對應的兩個穩(wěn)態(tài)階段，該兩段間隔持續(xù)的時間主要由系統(tǒng)的PWM調(diào)制決定.如圖2所示為輸出電壓UC4和電感電流iL的波形，所以按上述工作原理，ADRPI一條變換橋臂所對應一個周期的工作過程可大致分為10個工作模式[8].

圖2 ADRPI負載時的電壓電流波形Fig.2 The voltage and current waveform of ADRPI when it is loading

初始時刻假設電路中的VT2和VD4處于導通狀態(tài)，VT2上流過負載電流I0和電感電流iL，輸出電壓UC4被鉗位為零.當t0時刻時，關(guān)斷VT2，此時電路進入t0—t1時間段內(nèi).其中，第一個時間段為t0—t3，在該時間段內(nèi)共有3個工作模式，即t0—t1為模式1，t1—t2為模式2，t2—t3為模式3[9].

當模式1的時間tM1=t1-t0，即t0時刻時，關(guān)斷VT2，電感反向電流使C1放電、C2充電，電感L與電容C1、C2諧振，電感電流iL從負變?yōu)榱悖琕D1截止，則VT1在零電壓下自然導通.

(1)

(2)

式中，i1為通過C1的電流；i2為通過C2的電流，且有：

i1=iL+i2，C1=C2=C/2.

(3)

初始條件為：

UC1(0)=US，iL(0)=-I1L.

將i1=iL+i2代入式(1)，并將式(2)代入可得：

(4)

對上式兩邊求導

(5)

解上式可得：

iL=A1coswct+A2sinwct,

(6)

US+Lwc[A1sinwct-A2coswct].

(7)

將初始條件UC1(0)=US，iL(0)=-I1L代入式(6)、式(7)得A1=-I1L，A2=0,最后得到：

iL=-I1Lcosωct,

(8)

UC1=US-I1LZCsinwct,

(9)

由式(8)知，當wct=π/2，iL=0時應有UC1≤0，由式(9)得：

UC1(wct=π/2)=US-I1LZC≤0，

(10)

從而得到：

(11)

(12)

模式1的工作情況是電感反向電流使C1放電，C2充電，模式l結(jié)束時uc1=0，則

(13)

tM1=t1-t0=

(14)

同理有：

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

2 ADRPI軟開關(guān)逆變器的死區(qū)

2.1ADRPI軟開關(guān)逆變器的死區(qū)形成

由ADRPI拓撲結(jié)構(gòu)可知，其一個橋臂上有上下兩個開關(guān)器件VT1、VT2，可通過零電壓檢測電路檢測其基極電壓是否過零，驅(qū)動控制信號則來自與這兩個開關(guān)器件相連的PWM發(fā)生器[10].在ADRPI 逆變器實際工作時，由于其自身結(jié)構(gòu)可通過電路本身而自然形成死區(qū)時間，一種情況為VT2由開通到關(guān)斷與VT1由關(guān)斷到開通轉(zhuǎn)換時形成的死區(qū)Δt1，即對應工作模式1和模式2，另一種情況為由VT1開通到關(guān)斷與由VT2關(guān)斷到開通轉(zhuǎn)換時形成的死區(qū)Δt2，即對應工作模式6、模式7和模式8，則：

Δt1=tM1+tM2=

(22)

同理，通過同樣分析可以得到VT1關(guān)斷和VT2開通前所形成的死區(qū)時間Δt2：

Δt2=tM6+tM7+tM8=

(23)

通過以上兩個式子計算出VT1與VT2與導通與關(guān)斷轉(zhuǎn)換之間的死區(qū)時間Δt1和Δt2，所以可以為開關(guān)器件創(chuàng)造最為優(yōu)越的開關(guān)環(huán)境.

2.2ADRPI軟開關(guān)逆變器的死區(qū)大小及分析

通過以上分析，可以結(jié)合具體電路當中實際采用元器件的參數(shù)計算出對應的死區(qū)時間.假設已知條件同本文前面所假設的條件一樣，則可以求得在開關(guān)總損耗最小時對應的死區(qū)時間，即不考慮實際電路當中開關(guān)器件的開關(guān)時間，在L=16 μH，C1=C2=0.022 μF，C3=C4=0.2 μF的條件下，可以計算出Δt1=1.8 μs,Δt2=3.9 μs,通過比較可以發(fā)現(xiàn)，實際電路所形成的兩個死區(qū)時間不僅不相等，還相差較大，即Δt2大約是Δt1的兩倍，所以元器件的實際參數(shù)對死區(qū)時間的大小有較大影響.

(24)

(25)

通過以上得到的死區(qū)時間變換公式可以得到，死區(qū)時間與實際電路中的電感和電容關(guān)系較大，其中電感起的作用最大，因此可以通過改變諧振電路當中電感和電容值的大小來控制死區(qū)時間的長短[11].

2.3 死區(qū)對ADRPI軟開關(guān)逆變器的影響

一般說來，死區(qū)時間主要是為了避免逆變器同一橋臂的上下兩個開關(guān)管同時導通而引起電路短路，ADRPI軟開關(guān)逆變器也不例外，只是ADRPI軟開關(guān)逆變器是由于自身結(jié)構(gòu)而自然形成的死區(qū)，但是在實際當中，死區(qū)的存在卻會造成一系列的影響：逆變器實際輸出電流和電壓波形出現(xiàn)畸變，增加諧波分量而導致電機損耗增加，相位發(fā)生變化以及產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動等等.在實際的交流調(diào)速系統(tǒng)當中，死區(qū)效應對于輸出電壓的影響主要與載波比、逆變器運行方式、負載功率因數(shù)、死區(qū)大小及其設置方式等因素有關(guān)，所以有必要對逆變器的死區(qū)時間進行有效地控制[12-14].

3 仿真與實驗

3.1 諧振及死區(qū)仿真

由之前ADRPI軟開關(guān)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)以及其工作時的電路特性可知，通過合理選擇諧振參數(shù)而自然形成的死區(qū)時間對于保證ADRPI軟開關(guān)逆變器工作的可靠性至關(guān)重要[15].為此，如圖3所示是通過采用Proteus仿真軟件建立的ADRPI軟開關(guān)逆變器單橋臂仿真模型，初始主要仿真參數(shù)為：L1=10 mH，L2=100 mHz,C1=C2=1 μF,C3=C4=20 μF，方弦波頻率為1 kH2，負載電阻R=1 Ω，其它具體相關(guān)參數(shù)如圖3所示.

在此基礎(chǔ)上并根據(jù)電感L1和電容C1參數(shù)的變化得到了如圖4所示的一組死區(qū)仿真結(jié)果，通過具體對比可以發(fā)現(xiàn)，電路在發(fā)生諧振之前都會出現(xiàn)一個較為明顯的死區(qū)時間，但當增加電容而電感不變時，如圖4(a)和圖4(b)所示，所形成的死區(qū)時間變化不大，但當增加電感而電容不變時，如圖4(a)和圖4(c)所示，所形成的死區(qū)時間增加較大.因此可以看出，當改變電容大小而電感不變時，所形成的死區(qū)時間基本不變，當改變電感而電容不變時，所形成的死區(qū)時間變化較大，電感比電容對產(chǎn)生的死區(qū)時間影響更大，實際當中可以通過選擇合適的電感來設置所需的死區(qū)時間.

圖3 ADRPI軟開關(guān)逆變器單橋臂仿真模型Fig.3 ADRPI single-phase bridge arm simulation profile

圖4 死區(qū)仿真結(jié)果Fig.4 The simulation waveforms of dead-time

3.2 實驗驗證

為了進一步深入研究和分析ADRPI軟開關(guān)逆變器的死區(qū)特性在實際應用當中的表現(xiàn)，特別是有關(guān)諧振情況、死區(qū)時間大小以及其對實際電路輸出特性的影響等等，結(jié)合實際專門建立了如圖5所示的基于DSP的ADRPI軟開關(guān)逆變器交流調(diào)速系統(tǒng)的實驗原理框圖[16].其中具體設計的ADRPI軟開關(guān)三相逆變器主電路以及驅(qū)動控制電路分別如圖6和圖7所示[17].在器件以及設備選型時，結(jié)合實際特別考慮了集成化、高頻化、價格以及適用于中小型逆變調(diào)速系統(tǒng)等方面因素，其中選用了美國intersil公司生產(chǎn)的IRFP460型MOSFET管作為逆變電路的開關(guān)管，選用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A 型DSP作為控制器，選用CHV-100型電壓傳感器用于開關(guān)器件的零電壓檢測，JT10-C型霍爾磁補償式電流傳感器用于電流檢測，電動機則選用4KW的普通三相籠型異步電機，諧振電感采用用細漆包線束繞制的空心電感，采用快速恢復二極管作為反饋二極管，采用常規(guī)整流二極管作為續(xù)流二極管和鉗位二極管[18].

在實際開展實驗研究時，在ADRPI軟開關(guān)三相逆變器主電路以及驅(qū)動控制電路設計的基礎(chǔ)上，如圖6所示是通過示波器得到的ADRPI軟開關(guān)三相逆變器當中一個開關(guān)管在關(guān)斷后電路產(chǎn)生諧振時采集的一組電壓波形，通過對比可以發(fā)現(xiàn)在零線附近圖6(b)產(chǎn)生的諧振較圖6(a)更為明顯，與之前的仿真波形相比，基本上能反映該電路在實際工作時的諧振情況，這主要是與ADRPI軟開關(guān)三相逆變器主電路的特性有關(guān)，實際當中也證明了由于圖6(b)良好的諧振更能保證開關(guān)管在零電壓以及零電流情況下的通斷，從而真正實現(xiàn)軟開關(guān).

如圖7所示是在上述實驗裝置和實驗條件下所做的一組對比試驗所得到的實驗結(jié)果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)：圖7(a)采用普通三相逆變器得到的輸出電流的波形雖然具有一定的正弦度，但尖峰脈沖較多且較為明顯；而圖7(b)通過采用ADRPI軟開關(guān)三相逆變器得到的輸出電流波形尖峰脈沖得到了有效抑制且具有較好的正弦度，在實際當中一般可直接用于三相電機的控制且控制效果優(yōu)良；為了進一步提高ADRPI軟開關(guān)三相逆變電路輸出電流的質(zhì)量，改善其輸出特性，圖7(c)則是在多次實驗的基礎(chǔ)上針對ADRPI軟開關(guān)三相逆變電路的主回路以及驅(qū)動控制電路進行改進(主要包括柵極串接2 Ω左右的防振電阻、柵源極之間接0.1 μF的中和電容，柵源極之間接15 V的快速穩(wěn)壓二極管以及漏源極之間接齊納二極管等措施)而得到的輸出電流波形，具有正弦度高、尖峰脈沖很小且較少，在用于三相電機控制時控制效果很好，因此在交流調(diào)速系統(tǒng)電機調(diào)速當中，ADRPI軟開關(guān)三相逆變電路有著很好的應用效果和極為廣泛的應用前景.

圖5 基于DSP的ADRPI軟開關(guān)逆變器交流調(diào)速系統(tǒng)的實驗原理框圖Fig.5 The experiment principle diagram of soft-switching inverter in AC drive system based on the DSP

圖6 諧振實驗波形Fig.6 Experiment waveforms when time resonant

圖7 實驗波形Fig.7 Experiment waveforms

4 結(jié)束語

本文在ADRPI軟開關(guān)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要就其工作過程、死區(qū)自然形成機理、死區(qū)時間大小、死區(qū)效應的影響等內(nèi)容進行了深入研究和分析，特別是通過針對ADRPI軟開關(guān)逆變器進行了系統(tǒng)仿真分析以及實驗驗證，得到了可以通過選擇合適的元器件參數(shù)產(chǎn)生較好的諧振并控制死區(qū)時間的大小，從而確保真正實現(xiàn)“軟開關(guān)”并減小死區(qū)效應對于逆變器的影響.研究證明，ADRPI是目前交流調(diào)速系統(tǒng)當中一種性能較為優(yōu)良的軟開關(guān)逆變器，通過采用該逆變器，可以在實際當中進一步提高逆變器的電流輸出質(zhì)量，實現(xiàn)電機的優(yōu)良控制，所以今后ADRPI軟開關(guān)逆變器在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應用前景和價值會更加“深入、廣泛、實用和綠色”.

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Studyandapplicationofsoft-switchingthree-phaseinverterinACdrivesystembasedontheDSP

WANG Hong1， ZHENG Yuanpan2， LI Hongtao3， LI Guibao1

(1.School of Building Environment Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002;2.School of Computer and Communication Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002;3.Dongfang Electronics Co., Ltd, Yantai, Shandong 264000)

At present, the study of soft-switching inverter technology in AC drive system is quite prevailing, while that on the application of soft-switching technology and DSP (digital singnal processor) technology are comparatively much lagged behind. The dead-time effect is the main characteristics of the three-phase inverter. So in order to improve the reliability of their work and the quality of output current waveform of the inverter, the ADRPI (auxiliary diode resonant pole inverter) is taken as an object to analyze the topology configuration and work principle. Based on these, formation mechanism, size and influencing factors of dead-time are investigated as well as the impact of dead-time effect on soft-switching inverter. Through mathematical model construct, simulation experiments and AC speed regulation based on the DSP, it’s demonstrated that the application of the ADRPI soft-switching three-phase inverter and reasonable configuration of dead-time is able to significantly improve that the quality of output current of inverter. These results provide references for further applying ADRPI soft-switching inverter in practice．

AC drive system; soft-switch technology; inverter; dead-time; dead-time effects

TM464

A

2017-04-21.

國家自然科學基金項目(51404216，51607157)；河南省科技攻關(guān)項目(172102210065， 152102310374， 132102210451)；河南省高等學校青年骨干教師資助計劃項目(2015GGJS-184)；鄭州輕工業(yè)學院第五批大學生創(chuàng)新試驗項目暨2016年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目.

*E-mail: wanghong@zzuli.edu.cn.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.008

1000-1190(2017)05-0600-07