ElectricalFrives《自动化技术与应用》2006年第25卷第5期
一种改进的三电平逆变器空间
矢量脉宽调制算法研究
曹 ,阳春华,喻寿益
(中南大学信息科学与工程学院,湖南 长沙 410083)
摘要:二极管中点箝位型三电平逆变器广泛用于中高压大容量交流调速系统,具有对器件耐压要求低,输出谐波含量低等优点,但同时存在如何保持中点电压平衡和防止电压跳变等问题。空间矢量脉宽调制(SPVWM)算法能很好地跟踪转矩和磁链的设定值,有效地降低转矩和磁链的脉动,但算法复杂,运算量大。本文在分析了影响三电平逆变器中点电压平衡的主要因素的基础上,提出一种改进的SVPWM算法。该算法用中矢量、长矢量和两个短矢量合成参考矢量,并采用矢量调制的方法,利用短矢量的电流特性,消除中矢量对中点电压的影响,简化了算法,有效地控制了逆变器的中点电压,抑制了电压跳变。仿真结果证明了这种方法的可行性。关键词:三电平逆变器;中点电压平衡;空间矢量脉宽调制
中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:100327241(2006)0520065204
AnImprovedSpaceVectorPulseWidthModulation
AlgorithmofThree-LevelInverter
CAOYu,YANGChun-hua,YUShou-yi
(SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)
Abstract:Thespacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM)providestheadvantageofsuperiorharmonicquality,butSVPWMofathreelevelinve2
rterismorecomplexthanthatofatwolevelinverter.Inthispaper,animprovedSVPWMalgorithmispresentedtosolvetheproblemsofvoltageunbalanceoftheneutralpointandhighdvΠdtoftheoutvoltage.Simulationresultsarealsogiven.
Keywords:three-levelinverter;voltagebalanceoftheneutralpoint;SVPWM
1 引言
随着电力电子技术和微电子技术以及控制理论与控制技术的高速发展,交流传动调速技术的研究取得了极大的进展,出现了多种交流传动控制策略。其中异步电动机直接转矩控制变频调速技术具有控制结构简单、动态响应快以及参数鲁棒性好等优点[1],得到了广泛的研究和应用。
当前高性能的高压大容量交流调速技术,已成为学术研究和工业应用的热点之一。三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比,由于用三个电平台阶合成输出电压正弦波形,能够在较低的开关频率下得到较好的输出波形;每个功率开关管的电压额
收稿日期:2005-10-27
定值只为直流母线上电压的一半,降低了开关器件的耐压绝缘要求,开关过程中dvΠdt较小;具有动态性能好、输出电压谐波较少、控制性能好等优点[2],在高压大容量的变频调速领域有着广阔的应用前景。对于广泛应用的二极管中点箝位型三电平逆变器而言,存在有如何保持中点电压平衡和防止输出电压跳变等问题;同时由于控制矢量选择更多,导致控制策略更加复杂。
在三电平异步电动机直接转矩控制算法中,空间矢量脉宽调制(SPVWM)算法与传统的直接转矩固定矢量控制方法相比,由于能合成任意方向,一定大小的参考矢量,可以更好地跟踪转矩和磁链的给定值,从而能有效降低转矩和磁链的脉动,减少电流谐波,但通常采用的SPVWM算法存在运算量大,算法复杂等问题。
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电气传动
ElectricalFrives 本文提出一种改进的三电平逆变器SVPWM算法,该算法利用中矢量、长矢量和与中矢量相邻的两个短矢量合成参考矢量,并采用矢量调制的方法,使短矢量流入中点的电流与中矢量流入中点的电流大小相等,方向相反,从而消除中矢量对中点电压的影响,实现了二极管中点箝位型三电平逆变器的中点电位平衡,同时简化了计算,减小了运算量,较好地实现了直接转矩控制的矢量选择,抑制了输出电压的跳变。
赘述。
2 三电平逆变器
2.1 三电平逆变器拓扑结构
二极管中点箝位型三电平逆变器主回路结构如图1所示。图中V1～V4为可关断功率器件。通过控制功率器件V1～V4的通断,每相都可获得三种不同电平+E、0、-E,用电压状态符号P、O、N表示,见表1。例如A相,当V1和V2导通,V3和V4关断图2 空间电压矢量图2.2 三电平逆变器中点电压不平衡的原因由图1、图2和表1可看出长矢量所对应的逆变器开关状态使得对应的输出和正Π负母线相连,不会产生中点电流也就不会影响中点电压;零矢量使得负载三相短路,并挂在正(负Π零)母线上,也不会导致中点电压的变动;而中矢量和短矢量至少有一相输出和零母线相连,并和正(负)母线形成电流回路,受到负载的影响,中线会有电流流过,从而导致电容C1和C2的充放电,中点电压就会偏离零电位。由此可知三电平逆变器中点电压不平衡是因为有不为零的中点电流存在,因此可采用矢量调制的方法,通过控制中点电流来控制中点电压。在一个采样周期内使得流出中点的电流和流入中点的电流值相等,达到动态平衡,从宏观上来看中点电压不变。
由于同一方向上的短矢量成对出现,它们产生的线电流方向相反,只要使它们的作用时间相等,则电流相互抵消,不影响中点电压平衡。消除中矢量对中点电压的影响则要借助与它相邻的两个短矢量来实现。
时,电压为+E。同时规定输出电压只能是+E到0,0到-E,或相反地变化,不允许在+E和-E之间直接变化。作这样的规定是为了增加输出PWM控制的自由度,防止出现过大的dvΠdt,损坏元器件,产生强烈的电磁干扰。
图1 三电平NPC逆变器基本拓扑结构
输出电压电压状态
+E0-E
PON
V1ONOFFOFF
V2ONONOFF
V3OFFONON
V4OFFOFFON
3 三电平逆变器SVPWM控制算法
空间矢量脉宽调制(SVPWM)可以很好地跟踪转矩和磁链的设定值,有效地降低转矩和磁链的脉动,减少了电流谐波,具有较高的电压利用率,易于数字实现等优点,成为多电平逆变器普遍采用的控制方法[4]。通常采用的SVPWM控制算法———“最近三矢量”合成法,可以合成一定大小、任意方向的参考电压矢量,但为了保证中点电压平衡,抑制电压跳变,使得算法复杂,计算量大。本文提出一种改进的三电平逆变器空间矢量脉宽调制算法,用中矢量 长矢量和与中矢量相邻的两个短矢量合成参考电压矢量。在一个采样周期内,使两个短矢量的作用时间与中矢量的作用时间相等,短矢量流入中点的电流与中矢量流入中点的电流大小相等,方向相反,消除中矢量对中点电压的影响。
β平面分为6个三角区间。取其中以6个长矢量为边将α
表1 三电平逆变器每相电压组合表
三电平逆变器有27种不同开关组合,对应的有27个空间电压矢量,如图2所示。可将三电平逆变器空间电压矢量分为四类:长矢量、中矢量、短矢量和零矢量,长矢量6个,矢量长度为E,位于图中外六边形的6个顶点与原点间;中矢量6个,矢量长度为3EΠ2,位于相邻长矢量之间;短矢量12个,矢量长度为EΠ2,位于内六边形的顶点上,成对出现;零矢量3个,矢量长度为0,全位于原点,如图2所示。对于电压矢量还有多种分类法,例如按照中点电流的正负,矢量的电平分类[3],这里就不再
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一个三角形为例,如图3所示。图中角θ为合成矢量Vref与长矢θ≤π量VL(PNN)的夹角,且0≤Π6,VM(PON)为中矢量,VS(ONN、
POO、PPO、OON)为短矢量,B点为矢量VB的顶点,A点为长矢
VBsin(θ+π/6)
=
Vrefsin(2π/3)
(3)
将VB=3EΠ3代入式(3)得
Vref=E/2sin(θ+π/6)
量VL的顶点。
(4)
将式(4)代入式(2)得θtB=3TSsin/sin(θ+π/6)
tL=TS-tB
(5)
θtM=tS=3TSsin/3sin(θ+π/6)θ≤π式中0≤Π6。
当Vref落在AB外时,如按式(1)计算则tB+tL>TS,SVPWM出现过调制。因此当Vref落在AB外时,只能按式(5)对各矢量
图3 电压矢量合成
短矢量ONN、PPO和中矢量PON的电流回路如图4所示。中矢量PON的中点电流iNP=ib=ic-ia,短矢量ONN的中点电流为ia,短矢量PPO的中点电流为-ic,如果它们的作用时间相等,则中点平均电流iNP=ib-ic+ia=0,消除了中矢量对中点电压的影响。调制后得到的矢量VB与中矢量PON方向一致,矢量长度为3EΠ3。根据平行四边形法则,在由虚线AB、长矢量
VL和矢量VB构成的小三角形内,可用长矢量VL和矢量VB合
的作用时间进行计算。加入短矢量对中矢量进行调制后,不但保证了中点电压平衡,还能防止电压跳变,非常适合直接转矩控制。以短矢量
ONN、PPO、中矢量PON和长矢量PNN合成参考矢量Vref为例,如
图3所示。按ONN→PNN→PON→PPO的顺序依次发出矢量,矢量彼此相邻不会发生电压跳变。下一时刻如发同一区间的参考矢量,可按相反的顺序发出矢量或加入零矢量(000)再按相同的顺序发出矢量。如果下一时刻所发参考矢量在另一三角区间,一般需加入零矢量(000)防止电压跳变。
成参考矢量Vref。
4 仿真分析
为了验证上述算法的正确性,利用Matlab6.5仿真环境,针对三相阻感负载进行了仿真研究。基本参数为:三相异步电动机额定功率为2.2千瓦,额定电压为380V,频率为50Hz,定子电Ω,定子电感为0.333mH,转子电阻为2.72Ω,转子电阻为2.56
图4 矢量电流回路
根据伏秒平衡原则,矢量作用时间可由下式求解,即
VB・tB+VL・tL=Vref・TStM=tS=tB/3
感为0.333mH,定转子互感为0.319mH,转动惯量为0.05kg・
m,极对数为2。
2
仿真结果如图5～图7所示。图5和图6分别给出了线电
(1)
压和定子电流的仿真波形,输出电压没有出现跳变,波形近似于正弦波,降低了谐波污染。图7给出了中点电压仿真波形。可以看出中点电压的偏移大多在±20V以内,控制效果较好,但有时中点电压会超出±20V,这是因为在中矢量的调制过程中,流入和流出中点的电流只是近似相等,并不是完全等同。当中点电压超出±20V时,需发短矢量确保中点电压平衡的实现。
式中,TS为采样周期,tL、tM、tS、tB为VL、VM、VS、VB的作用时间。
θ+jVrefsinθ、将Vref=VrefcosVB=E/2+j3EΠ6、VL=E代入式(1),解得
θtB=23VrefTSsin/E
)/EtL=2VrefTSsin(π/6-θ
(2)
θtM=tS=23VrefTSsin/3Eθ≤π式中0≤Π6。
参考电压矢量Vref只要落在以虚线AB为界的小三角形内,可由式(2)计算各矢量的作用时间,达到线性最大调制。
当Vref落在AB上时,tL+tB=TS,由正弦定理得
图5 电压波形
(下转第76页)
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经验交流
TechnicalCommunications只能达到55毫秒的定时精度,而且windows定时器消息优先级别很低,不能满足音乐喷泉时间控制的要求[2][3]。因此对喷泉控制的定时采用了windows多媒体定时器的方法。使用这种方法可以将时间精确到2毫秒[4]。关键代码如下所示:
CRunDlg::OnStart(){
……
}
CRunDlg::OnStop(){
……
timeKillEvent(timerID);}
……
timeSetEvent(55,10,runflash,NuLL,TIMEPRRIODIC);Π3每55ms启动一次时间事件3Π
4 结论
用工业PC构成新系统后,系统的性能及稳定性有了很大的提高,喷泉乱喷、失控的现象大大减少。由于可以对不同歌曲进行水型编辑,更新了原来大部分的音乐及水型,增强了音乐喷泉的表现力和观赏性。……
}
voidCALLBACKrunflash(UINTtimerID,UINTmsg,DWORDdwUser1,
DWORDdw1,DWORDdw2){Π3用于刷新端口数据3Π
参考文献:
[1] 张新宇.Windows声音应用程序开发指南[M].西安:西安电
……
waveOutGetPosition(hWaveOut,&mmtime,sizeof(MMTIME));Π3API函数,获取播放位置3Π……
if(readtime>mmtime.u.sample){Π3下一条记录的时间大于
播放时间则刷新数据3Π
……
FreqFoun();
ComOut();Π3发送数据到端口3Π
子科技大学出版社,2003.
[2] 张静,梁澍.Windows多媒体编程基础[M].北京:清华大学出版社,2005,8.
[3] JeffProsiss.MFCWindows程序设计(第二版)[M].北京:北京博彦科技发展有限公司译,清华大学出版社,2001.
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[5] 李卫平,原思聪.基于PLC和组态王的泵站监控系统设计[J].自动化技术与应用,2004,23(5):28-30.
作者简介:梁广瑞(1979-),男,广西南宁人,广西大学电气工程学院,硕士研究生,研究方向:计算机控制。
}
(上接第67页)
5 结论
三点平逆变器以其良好的控制性能和实用性在高压大容量调速领域得到了广泛的研究和重视。本文提出一种改进的
SVPWM算法,用中矢量、长矢量和两个短矢量合成参考矢量。
采用矢量调制的方法,利用短矢量的电流特性,消除中矢量对中点电压的影响,简化了算法,实现了逆变器中点电压的有效地控制,抑制了电压跳变。仿真结果证明了这种方法的可行性。
图6 定子电流波形
参考文献:
[1] 李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版
社.
[2] NCELANOV,DBOROYEVICH.Acomprehensivestudyofneutral-pointvoltagebalancingprobleminthree-levelneutral-point-clampedvolt2agesourcePWMinverters[J].IEEETrans.OnPowerElectronics,2000,15
(2):242-249.
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[4] 吴学智,刘亚东,等.三电平电压型逆变器空间矢量调制算法
图7 中点电压波形
的研究[J].电工电能新技术,2002,21(4):16-20.
作者简介:曹 (1973-)男,硕士研究生,研究方向为交流传动控制技术,智能自动化控制系统与装置。
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