摘要:首先介紹了三電平PWM變換器的特點,,比較了空間矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的優(yōu)缺點,。詳細地介紹了三電平中SPWM控制的原理,并討論了用DSPLF2407A來實現(xiàn)SPWM的方法,。最后通過仿真和實驗驗證了SPWM控制方法的特點,,實驗證實了用DSP實現(xiàn)三電平SPWM的方便性。
關鍵詞:三電平變換器,;正弦脈沖寬度調制,;數(shù)字處理器
1 概述
二極管中點鉗位型的三電平逆變器的主電路拓撲結構如圖1所示。由于二極管的鉗位,,這種變換器每個功率開關管承受的最大電壓為直流側電壓的1/2,,從而實現(xiàn)了用中低壓器件完成中高容量的變換。另外,,由于相電壓有三種電平狀態(tài),,比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個電平,其諧波水平明顯低于二電平變換器,,輸出相同質量電流波形的時候,,開關頻率可以降低到兩電平的1/4。最后,,由于采用了不對稱的雙向開關,,能量可以雙向流動,可以很好地控制功率因數(shù)和實現(xiàn)電機四象限運行,。然而,,由于這種拓撲結構使用了12個功率管,其控制方法也隨之復雜,。另外,,直流側中點電位的不平衡也是制約該拓撲的一個重要因素。
圖1 三電平變換器主電路結構
三電平變換器的控制方法主要有正弦波調制PWM(SPWM),,選擇性的消諧PWM(SHEPWM),,空間矢量PWM(SVPWM)。
三電平空間矢量控制PWM方法和兩電平空間矢量的控制方法一樣,,也是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的PWM方法,。三電平空間矢量方法的優(yōu)點主要是電壓利用率高,對于二極管中點鉗位的變換電路可以利用冗余的電壓矢量(一般都是小矢量)來實現(xiàn)直流側電容電壓的平衡,;其缺點就是數(shù)字實現(xiàn)的時候計算量非常大,尤其是當電平數(shù)大于3的時候更加復雜,。
選擇性的消諧PWM方法,通過開關時刻的優(yōu)化選擇,,可以在較低的開關頻率下,,產(chǎn)生最優(yōu)的輸出電壓波形,從而減小了電流紋波和電動機的脈動轉矩,。在輸出同樣質量波形的時候,,它較其它的方法,開關次數(shù)最少,,效率最高,。因此,在高壓大功率的設備上多采用SHEPWM的控制方法,。但是,,這種方法的一個難點就是在計算開關角的時候,要解超越方程,,現(xiàn)在通用的牛頓迭代法中,,確定開關角的初值難以選擇,計算比較困難,。
而正弦波調制的方法的優(yōu)點主要以下幾點:
1)SPWM實現(xiàn)起來比較方便,,可以模擬實現(xiàn)也可以用數(shù)字來實現(xiàn),而且用數(shù)字來實現(xiàn)的時候,,計算量?。?
2)可以大大降低輸出諧波含量,,尤其是低頻紋波,,它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置,因此在設計濾波器的時候,,比較容易實現(xiàn),,而且成本較低;
3)對于任何數(shù)電平變換器,,調制比可以在所有的工作范圍內變化,,注入合適的三次諧波,可以實現(xiàn)最大調制比1.15,;
4)在載波中注入合適零序列,,可以較好地平衡中點電位。
本文在介紹三電平變換SPWM控制理論的基礎上,,討論了用DSP來實現(xiàn)三電平SPWM控制的方法,,并將仿真結果與實驗結果進行了比較。
2 三電平載波調制理論
從圖1中可以看到,,三電平逆變器的每一個橋臂上有4個開關管,,4個反向恢復二極管和2個鉗位二極管。以第一橋臂為例,,其中開關管Sa1和Sa3的開關控制信號互補,,Sa2和Sa4的開關控制信號也是互補的。Sa1和Sa2同時導通的時候,,輸出相電壓為Ed/2,;Sa2和Sa3同時導通的時候,,輸出的相電壓為0;Sa3和Sa4同時導通的時候,,輸出的相電壓為-Ed/2,。為了確保電路中dv/dt不能太大,必須保證每個橋臂中只能有上面三種情況的兩個開關管導通,,絕不容許有3個開關管同時導通,,但是,由于所采用的開關器件都不是理想的,,開關管的開通和關斷都需要一定的時間,。因此,必須對開關控制信號加入死區(qū)時間,。從上面分析可知,,一個橋臂中,控制信號只有兩個獨立的控制信號,。Sa1和Sa2的驅動控制信號是由2個具有同相位,,同頻率fc,相同的峰峰值Ac,,且對稱分布的三角載波和一個峰峰值為Am,,頻率為fm的正弦參考信號比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時刻,,如果正弦波的值大于載波的值,,則開通相應的開關器件,反之則關斷該器件,。對于三電平變換器,,幅度調制比ma和頻率調制比mf定義為
ma=Am/2Ac(1)
mf=fc/fm(2)
圖2是調制比為ma=0.9,mf=9的三電平變換器的原理圖,。
(a)調制原理
(b)A相電壓波形
(c)B相電壓波形
(d)AB線電壓波形
圖2 SPWM原理圖
3 基于DSP的三電平SPWM的實現(xiàn)
TI公司的TMS320LF2407ADSP是面向電力電子控制領域的,,它具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB,能夠實現(xiàn)PWM對稱和非對稱波形,;外部引腳PDPINTx快速封鎖PWM通道,;可編程的死區(qū)控制;3個捕獲單元,;片內光電編碼器接口電路,;16通道的A/D轉換。另外,,它還有串行通信接口(SCI),,16位的串行外設接口模塊(SPI)和控制器局域網(wǎng)絡(CAN)2.0B模塊。LF2407A可以很好地實現(xiàn)電力電子領域的控制。DSP實現(xiàn)SPWM控制三電平變換器的控制框圖見圖3,。對稱的規(guī)則采樣PWM法比較簡單,,適合于數(shù)字控制的實現(xiàn),它的原理是在三角載波的峰點(谷點)的時刻采樣正弦波調制信號而形成的波形,,采樣周期Ts為三角載波的周期,。用DSP實現(xiàn)SPWM控制的過程中,主要是計算各個載波周期內的開關時間,。圖4是計算載波周期內開關時間的中斷程序流程圖。中斷程序主要就是計算第N個載波周期內的開關的時間,,其中v0為正弦波的幅值,。表1是DSP的信號與開關管對應表。表2是各個扇區(qū)內CMPRx的值表,。
表1 DSP信號和主功率管的對應關系
PWM1 | PWM2 | PWM3 | PWM4 | PWM5 | PWM6 |
---|---|---|---|---|---|
Sa3 | Sa1 | Sa4 | Sa2 | Sb3 | Sb1 |
PWM7 | PWM8 | PWM9 | PWM10 | PWM11 | PWM12 |
Sb4 | Sb2 | Sc3 | Sc1 | Sc4 | Sc2 |
表2 CMPRx在各個區(qū)內的值
CMPR1 | CMPR2 | CMPR3 | CMPR4 | CMPR5 | CMPR6 | |
---|---|---|---|---|---|---|
Z1 | v0sinθ | T | v0sin(π/3-θ) | T | 0 | T-v0sin(θ+π/3) |
Z2 | v0sin(θ+π/3) | T | 0 | T-v0sinθ | 0 | T-v0sin(π/3-θ) |
Z3 | v0sin(π/3-θ) | T | 0 | T-v0sin(θ+π/3) | v0sinθ | T |
Z4 | 0 | T-v0sinθ | 0 | T-v0sin(π/3-θ) | v0sin(θ+π/3) | T |
Z5 | 0 | T-v0sin(θ+π/3) | v0sinθ | T | v0sin(π/3-θ) | T |
Z6 | 0 | T-v0sin(π/3-θ) | v0sin(θ+π/3) | T | 0 | T-v0sinθ |
圖3 DSP控制的三電平變換器框圖
圖4 中斷程序流程圖
4三電平SPWM的仿真研究
為了研究載波調制的諧波消除效果,,采用電力電子專用仿真軟件PSIM對圖1所示的三電平變換器進行了仿真研究。仿真參數(shù)設置載波的頻率fc=10kHz,,調制正弦波的頻率fm=50Hz,,幅度調制比為ma=0.9。相電壓,、線電壓的仿真波形如圖5(a)所示,。從仿真結果不難看出三電平的諧波主要集中在載波頻率的倍數(shù)的位置,如圖5(b)所示,,而低次諧波很小,。
5 實驗模型和實驗結果
實驗模型的主電路采用12個IRF840開關管,6個鉗位和12個反向恢復的二極管MUR860,。實驗的控制部分主要是基于實驗室開發(fā)的雙DSP數(shù)字控制平臺,。電路的輸入的直流電壓300V,負載為2.2kW的電動機,。開關頻率fc=10kHz,,ma=0.9。圖6(a)是相電壓波形,,圖6(b)是相電壓的FFT分析,。圖7(a)是線電壓波形,圖7(b)是線電壓波形的FFT分析波形,。
(a)相,、線電壓波形
(b)相、線電壓FFT分析
圖5 相,、線電壓波形與FFT分析
(a)相電壓波形
(b)相電壓波形的頻譜分析
圖6 相電壓波形與其FFT分析
(a)線電壓波形
(b)線電壓波形的頻譜分析
圖7 線電壓波形與其FFT分析
6 結語
上述仿真和實驗結果表明,,SPWM方法的諧波主要集中在高頻部分,因此,對它進行濾波器的設計比較容易實現(xiàn),。三電平變換器在高性能中高電壓的變頻調速,,有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無功補償?shù)阮I域有著廣泛的應用前景。DSPLF2407A具有多路PWM輸出和可編程的死區(qū)時間控制,,因此,,在實現(xiàn)復雜的電力電子領域的控制中具有明顯的優(yōu)勢。