正弦和空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿

第26卷第12期中国电机工程学报Vol.26No.12Jun.20062006年6月ProceedingsoftheCSEE©2006Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2006)12-0101-05中图分类号：TM301文献标识码：A学科分类号：470⋅40正弦和空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿吴茂刚，赵荣祥，汤新舟(浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市310027)Dead-timeEffectsAnalysisandCompensationofSPWMandSVPWMInverterWUMao-gang，ZHAORong-xiang，TANGXin-zhou(CollegeofElectricalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，Zhejiangprovince，China)ABSTRACT：Errorvoltagevectorscausedbydead-timeeffectsofPWMinverterweregiven,thevectorsynthesismethodwasadaptedtoeduceamplitudeandphaseformulasofsynthesizedvoltagevectorproducedby3-phasestatorwindingsunderdead-timeeffects,thecharacteristicofsynthesizedvoltagevectorwasanalyzedwithsimulations.Inordertomakepracticalconducttimeequaltoidealgiventimeofswitchingdevices,adead-timecompensationmethodbasedontimewasproposed,simplearithmeticwasobtainedwiththecharacteristicofspacevectorPWM(SVPWM).Adead-timecompensationmethodbasedonvoltagewasproposedalsotoeliminateerrorvoltagevector,compensationformulaswerecalculatedin3-phaseand2-phasestaticreferenceframerespectivelycorrespondingtoSPWMandSVPWM.Experimentalresultsshowthattheproposedmethodcanmakemotorphasecurrentwaveformsinusoidal,andimprovedtheoutputperformanceoftheinverter.KEYWORDS：powerelectronics;dead-timeeffects；errorvoltagevector；timecompensation；voltagecompensation摘要：给出了PWM逆变器死区效应引起的误差电压矢量，采用矢量合成的方法，推导了死区效应作用下电机绕组产生的合成电压矢量的幅值和相位计算公式，结合仿真分析了合成电压矢量的特征。为保证开关管实际开通时间与理想给定开通时间相等，提出了死区的时间补偿方法，结合SVPWM的特点，得到了简化算式。从消除误差电压矢量着手，提出了死区的电压补偿方法，根据SPWM和SVPWM调制方法不同，分别计算出在定子三相静止坐标系和两相静止坐标系内做死区电压补偿的算式。实验结果表明，所提出的补偿方法能使电机相电流波形正弦化，提高了逆变器输出性能。关键词：电力电子；死区效应；误差电压矢量；时间补偿；电压补偿0引言PWM电压源型逆变器(VSI)广泛应用于交流电机调速系统中，数字信号处理器(DSP)以其高指令运算速度和专用的PWM发生电路为PWM的数字运算、逆变器触发信号产生提供了物质基础。正弦和空间矢量PWM(SPWM和SVPWM)技术在矢量控制交流电机变频领域占据了主导地位，前者的调制波、逆变器输出电压和电机定子磁通都是正弦，后者以调制波马鞍形、三次谐波注入和电机定子磁通正弦为特征[1]。在实际应用中，开关器件固有存储时间的存在，使器件开通时间小于关断时间，容易发生同相桥臂互补开通的两只开关管的短路故障，为避免这种现象，通常将开通信号延迟一个死区时间后发出。开关器件的开通、关断时间和死区设置使开关器件实际输出电压波形与理想给定电压波形相比产生了非线性畸变，引发了电机电流波形畸变和转矩脉动等死区效应[2-4]，尤其是影响了电机的低速性能。PWM逆变器的死区效应受到普遍关注，有关死区补偿的研究也在广泛展开[5-12]，文献[13]给出了死区效应引起的逆变器单相输出平均误差电压的计算式，并采用每相输出参考电压加误差电压的方法做补偿。文献[14]指出死区效应可以用一个误差电压矢量来描述，其极性与三相电流极性有关。对于误差电压矢量的幅值计算以及其与三相电流极性的对应关系，已经有过分析，本文侧重于分析该误差电压矢量引起的负载电压波形畸变，对于SPWM和SVPWM逆变器，提出了时间补偿和电压补偿的方法。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建逆变器－电动机系统如图1所示。就单相逆变器输出电压而言，死区效应产生的是一系列畸变脉冲，脉冲极性与相电流极性相关，运用电压平均值等效原理可将该脉冲列等效为180°导通型的方波。由于三相电流互差120°电角度，这样就在电机绕组中形成了6个误差电压矢量，如图2所示。采用恒相幅值变换时，误差电压矢量的幅值为dcer4/3UTT，其中，Udc为直流母线电压、T为载波周期，误差时间Ter为Ter=Td+Ton–Toff(1)式中Td为死区时间；Ton为开关器件开通时间；Toff为开关器件关断时间。Udc/2Udc/2OabcSaSbScSaSbSc___+++iaibicn图1三相PWM逆变器－电动机Fig.1Three-phasePWMinverter-motorΔU1ΔU3ΔU2ΔU6ΔU4ΔU5ba图2误差电压矢量Fig.2Errorvoltagevectors误差电压矢量的方向由三相电流极性决定，定义电流以流入电机绕组为正，在图中该矢量与电流极性的对应关系为：按abc相序，相电流极性为正用数字1表示，极性为负用数字0表示，组合成的数值即为对应的误差电压矢量。比如，误差矢量ΔU4对应的ia、ib、ic极性为正、负、负，二进制数表示为100，即十进制数4。1.2死区效应产生的负载电压畸变理想SPWM和SVPWM逆变器供电的电机绕组相电压都为正弦波，采用恒相幅值变换时，三相合成的电压空间矢量Us幅值等于相电压峰值，且以相电压角频率做同步旋转。在误差电压矢量ΔUi(i为1~6的整数)的作用下，实际合成电压矢量Usyn为Usyn＝Us－ΔUi(2)以abc三相电流极性正负负为例，推导合成电压矢量的幅值和相位计算公式，在该极性扇区内电流矢量的角度范围是[330°，360°]和[0，30°]。假定给定电压矢量相位超前电流矢量相位以功率因数角j，即电压矢量的角度范围是[330°+j，360°]和[0，30°+j]，以q表示给定电压矢量与a轴的夹角，电压矢量合成图如图3所示。图3(a)为q在[330°+j，360°]角度范围内，此时，Us与误差矢量ΔU4相作用，两者夹角的补角为g＝360°-q(3)由三角形边角关系的余弦定理得合成电压矢量Usyn的幅值为22syn442cosssg=+Δ-Δ⋅UUUUU(4)由正弦定理得Usyn滞后Us的相位角为4synarcsin(sin/)dg=Δ⋅UU(5)则Usyn相位角度为synqqd-=(6)当q在[0，30°＋j]角度范围内时，Usyn的幅值、与Us的相位差d的计算公式与式(4)、(5)相同，不同的是Usyn相位角变成了超前于Us，如3(b)所示，此时的相位角为syndqq=+(7)Usyn相位由滞后变为超前的分界线是q=0(8)此时，Usyn幅值最小，为syn4s=-ΔUUU(9)在其它的电流极性扇区内，有相同的分析方法，可以得出，Usyn幅值变化以及与Us的相位差变化具有重复性。bΔU4aUsynUsgqdbaΔU4UsynUsqdg(a)q在[330°+f,360°](b)q在[0,30°+f]图3电流极性正负负时电压矢量合成图Fig.3Synthesizedvoltagevectorundercertaincurrentpolarity(+--)1.3负载电压畸变仿真假定Ter=4μs、Udc=500V、T=125μs，计算得误PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建期吴茂刚等：正弦和空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿103差电压矢量幅值|ΔU|=21V，假定施加到电机上的给定电压矢量幅值|Δs|=100V、并假定电流矢量相位滞后给定电压矢量相位的功率因数角j=15°，得到仿真波形如图4所示。(a)电压矢量轨迹(b)合成矢量幅值(c)电压矢量相位图(d)a相负载电压波形-1000100ua/V00.020.04t/s-100-50050100ub/Vu/V808284868800.020.04t/s00.020.04t/s0246-100-50050u/Vq/rad图4死区效应仿真波形图Fig.4Thesimulationofdead-timeeffects图4(a)为电压矢量轨迹，外圆是理想给定电压矢量轨迹，内部畸变的圆为合成电压矢量轨迹；图4(b)为一个周期内合成电压矢量的幅值，该幅值小于给定电压矢量幅值100，且脉动；图4(c)为电压矢量的相位，直线表示理想给定电压矢量相位角，呈齿状的为合成电压矢量相位角，两者随时间具有超前和滞后关系；图4(d)为a相负载电压波形，余弦曲线为理想负载电压波形，畸变的为实际电压波形。比较可见，死区效应引起了电压矢量的幅值和相位畸变。2SPWM和SVPWM逆变器死区补偿方法2.1时间补偿法以a相桥臂为例分析，图5为一个载波周期内理想触发信号和开关管实际开通情况的波形图。图5(a)、(b)为上下桥臂理想触发信号，图5(c)、(d)为实际的开通关断图，其中阴影部分是两个管子都不导通的状态，此时，桥臂的输出电压由续流二极管决定。当ia0时，下桥臂二极管导通，相当于下桥臂开关管导通，则阴影部分图5(c)为低电平、图5(d)为高电平，就上管来说，实际开通时间比理想开通时间缩短了Ter，而下管的实际开通时间则延长了Ter，那么，需要做的时间补偿是将上管的理想开通时间延长Ter，由信号的互补性，下管的开通时间就被缩短了Ter，这样就达到了开关管实际开通时间与理想给定时间长度相一致的目的，保证了逆变器输出电压值与给定值相等。同理可分析当ia0时，补偿方法是将上管的理想开通时间缩短Ter。在一个调制周期内，以taon表示a相上桥臂开关管信号触发导通时刻，补偿后的触发导通时间表示为t'aon，若ia0，则'aonaoner/2ttT=-(10)若ia0，则'aonaoner/2ttT=+(11)其中，taon为原来理想的触通时刻；b、c相的补偿方法与a相相同。该方法从触发信号着手，通过时间补偿使开关管实际开通时间等于理想给定时间，可使用于SPWM和SVPWM逆变器的死区补偿。SVPWM方法综合三相而采用矢量合成的方法。补偿中，通过零矢量U0和U7的分配，可得到更为简化的算法。以abc电流极性正负负、电压矢量合成的第3扇区为例分析，如图6所示。点划线划分出原来各理想电压矢量的作用区间，按照上述补偿方法，是将+aS高电平延长Ter时间，将+bS、+cS缩短Ter时间。综合三相得：矢量U4作用时间比