一种基于SVPWM的死区补偿算法的研究

邓永红，赵立永，黄成玉

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 101601)



一种基于SVPWM的死区补偿算法的研究

邓永红，赵立永，黄成玉

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 101601)

矿用四象限变流器死区时间效应导致谐波、电流波形畸变和直流电压波动，本文实现了一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的脉宽调制矿用四象限变流器的死区补偿方法，通过矢量合成的方法得到一个控制周期内的死区时间矢量，并以此来修正指令空间电压矢量，可以对死区效应进行软件算法补偿，在矿用四象限变流器中的应用结果表明了这种方法的有效性。

空间矢量脉宽调制；死区补偿；谐波；四象限变流器

1 问题的提出

随着电力电子技术的发展，矿用四象限变流器成为发展的必然趋势，而矿用的采煤机、提升机、空压机、采掘机，刮板机、皮带机、绞车等动力负荷变化较大的电气设备，其在起动、加减速、制动和设备维护等方面的能耗非常的大，这就需要应用高性能四象限变流器使制动能量回馈电网改善输入电流波形，提高网侧功率因数，消除对电网的谐波污染，实现节能环保，提高煤矿装备的控制性能、安全性，降低故障率。

图1所示为四象限变流器主回路原理图，采用的是电压型逆变器，主要有两种工作状态：功率因数为1的整流工况和功率因数为-1的逆变工况。为避免上下桥臂开关管短路直通的情况发生，变流器同一桥臂的上下开关管之间的动作必须加入一段不导通时间，这样的时间段被称为死区时间。死区时间的作用是使得桥臂开关动作时，开通管子的触发信号沿比要关断管子的触发信号沿有一段时间的延时，这造成在死区时间里一个桥臂的两个管子均关断，但由于有输入电感，电流不会突变而由相应的二极管续流，这使得四象限变流器输出的电压可能与控制系统所期望的不完全一致，从而影响控制系统对功率回路的精确控制。尤其是电压脉冲的宽度有限，通常几个或十几个微秒，而IGBT的死区时间一般也有2～15微秒，由此而产生的误脉冲对系统的性能影响将更大。死区的发生也会使桥臂中点电压中含有丰富的谐波，对于高功率因数整流工况而言，死区效应将加剧输入侧线电流波形的畸变和输出侧直流电压的脉动；对于逆变工况而言，死区效应会使输出电压波形畸变。这两种工况下，死区效应都会影响到系统获得较高的理想功率因数[1-8]。因而对死区进行补偿是必要的。

图1 四象限变流器器主电路原理图

2 死区效应分析

2.1 电流方向对于死区效应的影响

变流器开关管在触发信号为高电平时导通，低电平时关断。一般情况下可以近似地认为IGBT器件的开关触发信号为方波，只是加入了一段时间的开关时延[2,3]。设死区时间为td，开通时延为tr，关断时延为tf，电流正方向如图1所示：

(1) 当电流ia<0，如果理想状态下某一时刻应该下管关断，上管导通，则在注入死区后，电流在死区时间内必然流经下桥臂续流二极管VD2，使桥臂中点本应为高的电位在这时段内保持为“0”电平；反之，如果理想状态下某一时刻应该上管关断，下管导通，则在注入死区后，电流在死区时间内依然只能流经下桥臂续流二极管VD2，桥臂中点电位与不注入死区时一样为“0”电平，这时死区时间的注入对于桥臂中点电位无影响。

(2) 当电流ia>0，如果理想状态下某一时刻应该下管关断，上管导通，则在注入死区时间后，电流在死区时间内必然流经上桥臂续流二极管VD1，桥臂中点电位与不注入死区时一样为“1”电平，这时死区时间的注入对于桥臂中点电位无影响；如果理想状态下某一时刻应该上管关断，下管导通，则在注入死区后，电流在死区时间内依然只能流经上桥臂二极管VD1，使桥臂中点本应为低的电位在这时段内保持为“1”电平。由以上分析可知，死区效应与交流侧电流的方向密切相关。

2.2 影响死区效应的因素

对于四象限变流器，考虑到死区时间的影响和IGBT的开通和关断的时间后，可以将实际的输出电压和给定的PWM脉冲之间的关系表示如图2所示。由上面分析可知，这一电压偏差的正负与电流方向有直接关系，当电流为正，电压偏差为正，电流为负，电压偏差为负[4]。

图2 死区效应对实际施加的相电压的影响

可以看出，死区时间的影响可以概括为：(1)负载电流大于零时，实际的相电压输出比控制要求减少了一段td+tr-tf的时间；(2)负载电流小于零时，实际的相电压输出比控制要求增加了一段td+tr-tf的时间。如果根据采样得到的负载电流方向对所发的SVPWM脉冲宽度进行相应的调整就可以对因变流器系统引入的控制偏差实施补偿，从而使得四象限变流器系统实际的电压输出和控制[5-7]要求一致。

3 死区补偿算法分析

空间矢量脉宽调制方法已经在四象限变流器中得到了广泛的应用[8,9]，SVPWM控制技术的目标就是通过控制6个非零矢量和2个零矢量的线性组合，调整每个扇区两个相邻非零空间矢量和零矢量作用时间的长短合成所需的电压空间矢量，使电压空间矢量Uout按照设定的参数圆形旋转。为易于阐述本算法，令图1上桥臂导通为l，下桥臂导通为0。电压扇区的划分如图3所示。6个非零空间电压矢量将变流器的一个工作周期等分为6个区域。

图3 基本电压空间矢量

在某个时刻电压矢量Uout旋转到某个扇区中，就由组成这个扇区的两个非零矢量UX,UX±60分别作用T1,T2时间，先作用的UX称为主矢量，后作用的UX±60称为辅矢量，时间分解如图4(a)所示，为了软件计算方便，我们采用图4(b)去等效图4(a)。

图4 电压空间矢量的线性组合

根据图4(b)求解上式得：

(1)

(2)

其中TPWM为一个PWM周期，Td为死区时间，TE=TPWM-Td。

图5 SVPMW调制周期内电压矢量补偿图

其中k=a,b,c。

图6 第三扇区死区时间补偿前后触发信号图

归纳起来，死区矢量的计算遵循以下原则：

(3) 为简化计算，对开关函数Sk(k=a,b,c)的上升沿与下降沿进行区分，滤除无效死区分矢量。由上面分析，当Sk“由0变1”(上升沿)时，如果该相电流大于零，对应死区分矢量为无效矢量，如果该相电流小于零，对应死区分矢量为有效矢量；当Sk“由1变0”(下降沿)时，如果该相电流大于零，对应死区分矢量为有效矢量，如果该相电流小于零，则对应死区分矢量为无效矢量，可以忽略。

(3)

求出总的死区矢量后，按下式对原电压空间矢量进行修正：

(4)

其中，TPWM为一个PWM周期，Td为死区时间，TE=TPWM-Td。

4 实验结果

对上述死区补偿算法，在矿用四象限变流器上进行了成功的实现。系统主要参数为：四象限变流器额定功率：18.5 kW，输入线电压：AC380 V，整流输出电压：DC550 V，调制频率为5 kHz，死区时间设定为5 us。图7四象限变流器输入侧相电流波形图，其中7(a)未进行死区补偿的波形图，图7(b)采用了本文所述补偿方法的波形图，可见采用死区补偿措施后的电流波形波动明显变小，更加接近正弦。

图7 四象限变流器的相电流波形(a) 未加死区补偿的相电流波形 (b) 加死区补偿后的相电流波形

5 结论

实验结果表明，这种方法在矿用四象限变流器对死区效应进行较好的补偿，它不需要对系统进行任何硬件改动，完全依靠软件就可以实现死区补偿，这对于提高系统工作效率，降低系统成本具有积极的意义。同时这种方法适用于应用SVPWM技术的四象限变流器的死区补偿，特别在死区效应比较明显时，如整流器输出电压较高、逆变器输出频率较低等场合具有较好的工程实用及应用推广价值。

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[7] 程曙，徐国卿，许哲雄. SVPWM逆变器死区效应分析[J].电力系统及其自动化学报，2002，14(2):39-42.

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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

廊坊市科技支撑计划项目资助(2015011017),中央高校基本科研业务费资助(3142015023,3142013101)

邓永红(1975-)，男，湖南涟源人，硕士，华北科技学院信息与控制技术研究所讲师，研究方向：电力电子与电能变换技术，微型计算机控制技术等。 E-mail：dyhsyjdyx@163.com

TN78

A

1672-7169(2016)02-0116-05