逆变器电压补偿参数离线辨识及其应用研究

陈友焰，计 伟 ，杨德刚

（华南理工大学 自动化学院，广东 广州 510640）

电压型三相桥式逆变电路通常工作在180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一半桥上下两个桥臂交替导电。在180°导电方式下工作时，为防止同一相上下桥臂的开关器件同时导通而引起直流母线短路，要采取“先断后通”的方法，即在关断信号和开通信号之间留一个死区时间。受目前器件开关速度的限制，死区时间一般至少都为几个微秒。当电机低速运转时，由于逆变器输出电压较低，死区时间以及信号通路延迟造成的电压损失会使电机定子电流发生明显畸变，从而引起电机抖动，并增加了电机损耗。

为了补偿由死区效应、信号通道及开关器件延迟和管压降等造成的输出电压损失，国内外学者及工程师们先后提出了各种各样的电压补偿方法。Seung-Gi Jeng和Min-Ho Park在发表的论文中分析了死区时间对逆变器输出电压的影响，并提出了进行补偿的方法；Y.Murai和A.Riyanto等人指出了当载波频率较高时死区时间将导致电流过零钳住效应，提出应按照电流方向进行电压补偿；Jong-Woo Choi和Seung-Ki Sul指出造成电压损失的因素除了死区时间外，还应包括开关管的导通和关断延迟，并提出了针对这两种因素进行同时补偿的方法；N.UrasaKi和T.Senjyu等人提出了基于干扰观测器在线估计补偿电压的方法，并研究了该方法在永磁同步电机逆变驱动中的应用。

无论采用哪种补偿方法，都需要获得电压补偿参数。传统方法是通过查阅设计文档以及器件资料来获得电压补偿需要的参数，如死区时间、管压降、开关管导通关断延迟等。通常器件资料上给出的这些参数都是在一定范围内变化的，为了获得准确的电压补偿参数，本文提出了一种离线辨识的方法来获取这些参数，并研究了该方法在异步电机逆变驱动中的应用。

1 逆变器电压补偿原理

常用逆变器基本结构通常包括控制器、驱动电路、逆变桥等几个部分，其结构如图1所示。

通常，造成逆变器输出电压损失的主要因素有以下几个方面：死区时间 Tdead、开关管导通关断延迟 Tdelay（=ton-toff）、管压降VT（IGBT管压降）和管压降VD（二极管管压降）。

以图1中U相为例，当 iU＞0（电流输出为正）时，T1和 D2交替导通。在一个载波周期Tp内U相输出电压参考值Vout_cmd和实际值Vout_real波形[5-6]如图2所示。

图1 逆变器结构图Fig.1 Structure of inverter

图2 iU＞0时U相输出电压波形Fig.2 Voltage wave of phase U when iU＞0

由图2可知，iU＞0时，死区时间和开关管导通关断延迟会导致实际输出占空比减小，从而使输出电压减小，管压降是直接使输出电压减小。设占空比参考值为Dcmd，实际值为Dreal，逆变器直流母线电压为VDC，则iU＞0时需要补偿的电压为：

当iU＜0时，T2和D1交替导通。在一个载波周期Tp内U相输出电压参考值Vout_cmd和实际值Vout_real波形和图2中的波形是类似的，只不过T2的驱动脉冲跟T1是反相的。此时需要补偿的电压为：

若将需要补偿的电压换算成占空比，则iU＞0时应增大占空比实现电压补偿，占空比增量为：

iU＜0时应减小占空比以实现电压补偿，占空比减小量为：

2 电压补偿参数离线辨识

通常情况下开关管导通压降VT和二极管导通压降VD相差不大，为简化计算，可令：VD=VT=VDT；则 iU＞0 和 iU＜0 时补偿电压变为统一形式：

其中，TD=Tdead+ton－toff。

若将图1所示逆变器接上三相异步电机，让T5和T6管关断，则可控制T1～T4使逆变器输出直流电，如图3所示。

图3 离线辨识硬件线路图Fig.3 Hardware for off-line identification

设输出直流电压参考值为Vcmd，输出电流为iU，UV两相间直流电阻为RUV，要补偿的电压为ΔV，则有：

在等式（6）右边，RUV、VDT、TD是未知量，iU可测量，Tp、VDC是已知量。电压补偿参数离线辨识原理图如图4所示。

图4 电压补偿参数离线辨识原理图Fig.4 Diagram of off-line identification for voltage compensation

设电机额定电流为IN，电压补偿参数离线辨识具体实现步骤如下：

1）令电流给定 Iref=IN，载波频率Tp=Tp1，达到稳态后有iU=IN，设最终稳态输出电压为 Vcmd1，由式（6）可知

3）令 Iref=IN，Tp=Tp2，稳态时 iU=IN，输出电压 Vcmd3，则有：

5） 由（7）～（10）4 个方程可解得：

其中 A=2（Vcmd2－Vcmd4）+Vcmd3－Vcmd1，B=

3 实验结果

现在以TMS320F28335作控制器的一台三相电压型逆变器上实现电压补偿参数的离线辨识，所带电机为三相异步电机，电机参数如下：

PN=15 kw，UN=380 V，fN=50 Hz，IN=30 A，Rs=0.788 Ω，Ls=114 mH，Rr=0.6 Ω

Lr=114 mH，Lm=105 mH，Np=2，J=0.3 kg*m^2

按本文第2小节所述方法让逆变器输出直流电到异步电机UV两相，电流给定分别为：

Iref=IN=30 A和A，两个载波周期分别设为Tp1=100 μs，Tp2=200 μs，死区时间设为 2 μs。 通过 labview8.5 观测到电流iU波形如图5所示。

图5 离线辨识电流波形（幅值用30A标幺）Fig.5 Current wave of off-line identification（PU by 30A）

辨识过程结束后，最终输出结果如下：

为验证辨识所得参数是否合理，现以上述辨识结果作为电压补偿参数进行电压补偿，补偿方法如本文第1小节所述。

没有电压补偿的情况下，电机50 Hz空载运行时用示波器观测到的电流波形如图6所示。

图6 50Hz运行无电压补偿的电流波形Fig.6 Current wave without compensation at 50Hz

在利用参数（12）进行电压补偿后，电机50 Hz空载运行时的电流波形如图7所示。

4 结 论

图7 50Hz运行有电压补偿的电流波形Fig.7 Current wave with compensation at 50Hz

文中提出了一种简易的逆变器电压补偿参数离线辨识方法，并研究了该方法在异步电机逆变控制中的应用。实验结果表明，采用该方法辨识出的参数进行电压补偿后，逆变器[7]输出电流波形有了显著改善。

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