基于四开关感应电机逆变电源电压空间矢量脉宽调制的研究

赵 克， 王广林， 孙 力

(1．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;

2．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

随着电力电子技术和控制理论的发展，PWM控制已获得日益广泛的应用，其控制也由最初的电压正弦、电流正弦，发展到磁通正弦，PWM控制技术正在不断的创新和发展。SVPWM是从电机的角度出发，控制电机获得幅值恒定的圆形磁场，使用该方法可明显减小逆变器的输出电流畸变，减少转矩脉动。此外，该方法还具有编程简单、数字化实现方便的特点，目前已有替代传统SPWM控制方法的趋势［1-2］。

本文采用一种新颖的四开关电压空间矢量的控制方法实现感应电机的变频控制。四开关电压空间矢量的控制方法没有零矢量，且有效电压矢量的幅值不同，有自己的特点［3-4］。

1 四开关功率电路的拓朴结构

四开关逆变器的拓扑结构如图1所示。

图1 功率电路的拓扑结构

三相电机的其中两相连接至桥臂中点，第三相连至电容中点，因此节省了两只开关管。通常三相电压空间矢量功率开关管的工作状态有8种，其中6种为有效的非零矢量，2种为零矢量。四开关逆变器只有2个桥臂工作状态可以改变，当上桥臂“开”状态时，开关状态为1，下桥臂“开”状态时，开关状态为0。即只产生00、01、10、11四种开关模式。对应的第三相绕组连接至电容中点，其参考电位为0。

2 四开关电压空间矢量控制工作原理

感应电机的理想运行条件是在气隙中形成圆形旋转磁场，这不仅要求气隙磁链的轨迹为圆形，且要求轨迹的运行在时间上均匀平稳。传统的六开关逆变器具有6个有效的电压空间矢量和2个零电压。依据参考电压矢量由2个有效矢量和零矢量合成的原理，符合伏秒平衡关系，同时满足时间约束，保证磁链的突变最小。

零矢量的主要作用是使磁链幅值保持不变，但时间在前进，这种延时作用可把每一段轨迹的运行时间调整均匀。在四开关逆变桥中不存在零电压矢量，运行时间的调整会遇到困难。三相输出相电压矢量与开关矢量的关系如式(1)所示:

开关状态与相电压和αβ坐标系的对应关系如表1所示。

表1 开关状态与相电压和αβ坐标系的对应关系

利用坐标变换或将电压空间矢量投影的方法得到两相静止坐标系下的两个分量uα和uβ，空间电压矢量及其分量与开关模式的关系如表1所示，4个基本电压矢量将矢量空间划为4个扇区，如图2所示。

图2 4种基本电压空间矢量

3 四开关SVPWM设计和实现

在通常的六开关逆变器中，导通时间的计算公式为

式(2)中tx、ty的计算在四开关中仍然沿用，但不再采用T0。图3中的Uref为电压矢量给定，U1、U2为Uref所在扇区Ⅰ中的两个相邻的基本电压矢量，tx、ty为给定电压矢量Uref等效作用于基本电压矢量U1、U2的时间。由于tx、ty的和并不等于载波周期，必须考虑时间约束条件。

为了表述方便，定义:主扇区为给定电压空间矢量所处的扇区;辅助扇区为与主扇区正对的扇区，用于满足载波频率的约束;非工作扇区为与主扇区相邻的两个扇区。由于四个扇区的参数确定具有一定的相似性，以下只以扇区Ⅰ为例，说明电压空间矢量控制的参数确定原则，如图3所示。

图3 电压矢量合成原理

图3中ΔU为参考电压Uref与最大电压轨迹的差值。将ΔU平分为两部分，其在两个参考坐标轴上的作用时间t1、t2为在扇区Ⅰ中U1、U2两个参考电压矢量所对应的时间增量，相同的时间增量也作用于扇区Ⅲ。这样在扇区Ⅰ中产生了新的电压矢量给定Uref+(ΔU/2)，扇区Ⅰ中电压矢量的增量(ΔU/2)是为了满足时间约束条件而产生的额外参考电压，因此必须在辅助扇区Ⅲ中加入与之相反的电压参考矢量(-ΔU/2)，以抵消扇区Ⅰ中由于额外的ΔU/2的参考电压矢量所产生的磁链，这样即可实现电压空间矢量控制的功能。

若满足时间约束条件，则t10、t20、t1、t2总和应等于载波周期Ts，有

其中:t10=t1+tx，t20=t2+ty。

以上推导是在满足时间约束的条件下得到的，即满足t1+t2＜Ts。若不满足约束条件，即t1+t2＞Ts时，则应按比例缩小t1、t2，使之满足时间约束条件。

在空间矢量实现时，由于相邻两个空间矢量幅值并不一致，因此需考虑各自的时间分配，而不能像六开关时的零矢量的平均分配。“七段式”四开关SVPWM波形如图4所示，分别为在四个扇区矢量选择和时间分配。

4 试验结果

试验平台基于TMS320F2812和智能功率模块PS21867，SVPWM算法通过DSP程序实现。试验所选电机参数如下:电机型号为YLT035-4，额定电压Un=380 V，额定电流In=3.5 A，额定功率Pn=600 W，额定频率fn=50 Hz，极对数2P=4，额定转速nn=1 410 r/min。电机的电阻和电感分别为 3.1 Ω和 8.5 r/min。母线电压为150 V，此条件下线电压如图5所示。两相相电压在低通滤波后如图6所示，相位相差2π/3。相电流波形显示良好的正弦性，如图7所示。

由于电机绕组第三相取自两只电容的中点，对第三相绕组进行工频的充放电过程，当采用1 500 μF、450 V的电容时，其电压波动仍然很明显。电容中点的波形如图8所示，幅值约为5 V。

图4 “七段式”四开关SVPWM波形

图5 线电压波形

图6 低通滤波后两相相电压波形

图7 相电流波形

图8 电容中点电压波动

5 结语

采用SVPWM原理实现的四开关逆变器可实现圆形磁场的建立。在这一过程中，仅由不同幅值的4个有效矢量合成，作用时间采用主扇区和辅助扇区交互作用计算而来。

应用在感应电机四开关三相逆变电路，能够实现三相正弦电流的输出，而电压相位相差2π/3。试验证明，所提出的四开关空间矢量控制方案是可行的。

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