文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172685
中文引用格式: 劉亨杰,趙錦成,,方淑輝. 自然坐標(biāo)系SVPWM四橋臂中頻逆變器調(diào)制策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(3):139-142.
英文引用格式: Liu Hengjie,,Zhao Jincheng,,F(xiàn)ang Shuhui. Research on space vector pulse-width modulation strategy for three-phase four-leg medium frequency inverter using natural coordinate[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(3):139-142.
0 引言
400 Hz中頻電源作為軍用雷達,、航電設(shè)備和部分裝甲車輛設(shè)備的基準電源之一[1-2],其電能質(zhì)量水平關(guān)乎武器裝備性能,,中頻電源的主要負載為電機類負載,,大部分工況下處于不平衡的負載狀態(tài),而傳統(tǒng)中頻電源帶不平衡負載能力較弱,,穩(wěn)定性和可靠性較差,因此研究中頻逆變電源有很重要的意義,。
三相四橋臂逆變拓撲即在傳統(tǒng)三相全橋逆變的基礎(chǔ)上增加了一個第四橋臂,,將三相負載的中性點與第四橋臂的中點相連,通過第四橋臂來控制中性點電壓,,使三相四橋臂逆變器可以產(chǎn)生三相獨立的電壓,使逆變器具有穩(wěn)定三相電壓對稱輸出的能力,。這種逆變拓撲具有控制方法靈活,、直流電壓利用率高和無需并聯(lián)大的直流電容的優(yōu)點,避免連接中點形成變壓器,,大大減少逆變器的體積重量,,減少對各類武器系統(tǒng)、裝甲車輛和航空平臺有限體積的占用,,因此得到廣泛的重視和研究,。
三相四橋臂逆變拓撲的調(diào)制策略主要有脈寬調(diào)制[3]、滯環(huán)電流控制[4],、空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse-Width Modulation,,SVPWM)[5]等策略,。其中SVPWM具有易實現(xiàn)數(shù)字控制和直流母線電壓利用率高的優(yōu)點,,因此多應(yīng)用于逆變器調(diào)制中。傳統(tǒng)的基于αβγ坐標(biāo)系的SVPWM策略[6-7],,需要反復(fù)對三相電壓電流進行坐標(biāo)變換,,運算過程復(fù)雜,且必須根據(jù)負載情況來確定參考電壓,,當(dāng)負載突變或不明時,,參考電壓的軌跡無法確定,導(dǎo)致實時控制困難,。文獻[8]提出了一種基于abc自然坐標(biāo)系的三維空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù),,計算方法簡單,并且可拓展到多電平三相四橋臂逆變器中進行運用,,但參考電壓的計算方法尚未給出,。
本文基于自然坐標(biāo)系的SVPWM技術(shù),研究三相四橋臂逆變器的調(diào)制策略,,通過建立分析四橋臂拓撲的平均電流模型,,確定參考電壓,并根據(jù)“伏秒平衡”原則計算參考電壓的占空比,。由于參考電壓是根據(jù)負載電流實時計算出的,,因此逆變器在三相不平衡負載條件下可穩(wěn)定輸出三相對稱電壓,且總諧波畸變率較小,,并通過仿真和實驗加以驗證,。
1 基于自然坐標(biāo)系SVPWM理論分析
1.1 空間矢量及電壓矢量的合成與選擇
圖1為三相四橋臂逆變器主電路拓撲。
主拓撲有四對橋臂,,每對橋臂對應(yīng)兩種開關(guān)狀態(tài),,共組成24=16種開關(guān)組合狀態(tài),將各橋臂的開關(guān)狀態(tài)用開關(guān)矢量Si表示:
上式中i=a,,b,,c,n,,分別表示逆變器的A,、B、C和N相,。且需注意同一橋臂的上下兩個開關(guān)器件不能同時導(dǎo)通,,否則會出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象,破壞開關(guān)器件,。根據(jù)開關(guān)狀態(tài)可得到電壓矢量:
結(jié)合式(1),,可得到逆變器的16種開關(guān)組合狀態(tài)與空間電壓矢量的對應(yīng)關(guān)系,如表1所示,。
表1的16種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)空間電壓矢量描繪到abc自然坐標(biāo)系中,,可得如圖2空間電壓矢量圖。
圖2可看作是一個封閉十二面體,,可用平面Va=0,、Vb=0、Vc=0和平面Va-Vb=0,、Va-Vc=0,、Vb-Vc=0將十二面體分割為二十四個空間四面體,每個四面體由兩個零電壓矢量(V1,、V16)和三個非零電壓矢量構(gòu)成,。只要確定了參考電壓矢量Vref落在哪個四面體中,即可用對應(yīng)的空間電壓矢量來合成,。
為判斷參考電壓矢量落在某個四面體中,,將該矢量與Va=0,、Vb=0、Vc=0和Va-Vb=0,、Va-Vc=0,、Vb-Vc=0六個面進行比較,通過判斷比較結(jié)果來確定合成參考電壓矢量的四面體,。利用二進制計數(shù)法,,對六個比較結(jié)果進行加權(quán)計算,用以標(biāo)記四面體,,特做如下定義:
其中Vfa,、Vfb、Vfc是參考電壓矢量Vref歸一化到abc自然坐標(biāo)系下的量,,指針函數(shù)的表達式為:
由式(2)計算得RP值見表2,,其對應(yīng)二十四個四面體,RP值確定參考電壓矢量所在四面體,,選擇該四面體的非零矢量和零矢量合成參考電壓矢量,。
1.2 電壓矢量占空比的計算
參考電壓矢量由非零矢量和零矢量合成,開關(guān)電壓矢量的作用時間可根據(jù)“伏秒平衡”原則求得:
上式中Vd1,、Vd2,、Vd3為d1、d2,、d3對應(yīng)的非零開關(guān)矢量,,且下標(biāo)a、b,、c分別表示開關(guān)矢量在abc坐標(biāo)軸的投影值,。確定了RP的值,就可根據(jù)參考電壓得到合成的空間矢量和占空比,,具體結(jié)果見表2,。
由表2可知,通過計算RP值來確定空間四面體,、開關(guān)電壓矢量和占空比的策略,,相比于在αβγ坐標(biāo)系的占空比求取更簡單,,易于數(shù)字化控制技術(shù)的實現(xiàn),。
1.3 參考電壓矢量的計算
建立abc坐標(biāo)系下三相四橋臂逆變器平均電流模型[9],如圖3所示,,輸出電壓等效為受控電壓源,。
IA,IB,,IC為等效成電流源的三相負載電流,,可根據(jù)對稱分量法將其分解為正序Ip,、負序In和零序I0分量,下角標(biāo)p,,n,,0分別表示正序、負序和零序,。
且三相電壓,、電流對稱輸出,VM表示輸出電壓的額定值,,則三相電壓表達式為:
由于三相電壓等效圖相同,,以A相進行對稱分量分析。圖4為A相正序,、負序,、零序分量等效圖。
依據(jù)電路理論分析參考電壓矢量Vref的正序,、負序和零序分量則可表示為:
分析可知,,只要檢測三相負載電流即可得到參考電壓,當(dāng)負載變化時DSP可根據(jù)負載電流的變化計算出每相參考電壓,,從而控制三相電壓對稱輸出,。
2 仿真分析
為驗證基于自然坐標(biāo)系的SVPWM策略的可行性和有效性,使用仿真軟件MATLAB/Simulink建立基于SVPWM策略的三相四橋臂逆變器仿真電路,,具體仿真參數(shù)為:設(shè)計總輸出功率為6 kV·A,,直流側(cè)輸入電壓300 V,功率器件開關(guān)頻率為20 kHz,,輸出三相電壓有效值為115 V,,頻率為400 Hz,輸出濾波電路濾波電感1 mH,,濾波電容20 μF,。
主要在以下負載情況對逆變器進行仿真分析:(1)阻性不平衡負載;(2)阻感性和阻容性不平衡負載,。
三相阻性不平衡負載分別為13 Ω,、26 Ω和40 Ω,逆變器三相電壓和電流的仿真結(jié)果如圖5所示,。
逆變器帶三相阻感性和阻容性不平衡負載,,其中A相13 Ω和10 mH感性負載,B相純阻性負載13 Ω,,C相13 Ω和10 μF容性負載,,仿真結(jié)果如圖6所示。
分析仿真結(jié)果可看出,,基于自然坐標(biāo)系SVPWM策略的三相四橋臂逆變器在不平衡負載條件下,,三相輸出電壓波形較為對稱,,且經(jīng)過仿真系統(tǒng)FFT分析三相電壓波形的總諧波畸變率THD小于3%
3 實驗結(jié)果
為驗證方案可行性,設(shè)計了一臺實驗樣機,,基于DSP(TMS320F28069)完成SVPWM策略對功率器件的矢量控制,,其中實驗樣機的主要參數(shù)為:輸出總功率為6 kV·A,輸入直流母線電壓300 V,,輸出電壓有效值和頻率為115 V/400 Hz,,開關(guān)頻率為20 kHz,輸出濾波器的電感和電容值分別為1 mH和20 μF,。主要測試了在不平衡負載下逆變器的輸出能力,,記錄了不平衡負載下的三相電壓電流和中線電流波形。
圖7分別給出了三相不平衡阻感性和阻容性負載時,,三相電壓和A相電流波形,,可見逆變器輸出適應(yīng)性強,在各種不平衡負載條件下均能使三相電壓對稱輸出,。
圖8為純阻性1/3不平衡負載下三相濾波和中線電感電流,,由于電感影響電流存在較小脈動,中線電流脈動較為明顯,,但電壓波形仍滿足THD<3%,。
4 結(jié)論
基于abc自然坐標(biāo)系下的SVPWM策略的三相四橋臂中頻逆變器與αβγ坐標(biāo)系空間矢量調(diào)制相比,一方面省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換,,另一方面在空間四面體的選擇和開關(guān)矢量占空比計算上也更簡單,,易于實現(xiàn)數(shù)字化控制和DSP程序編寫。本文建立了三相四橋臂平均電流模型,,分析并給出了空間參考電壓的計算方法,,最后經(jīng)過仿真和實驗驗證了SVPWM策略的中頻逆變器具有在不平衡和非線性負載下三相穩(wěn)定對稱輸出的能力,具有一定的實用價值,。
參考文獻
[1] 劉春喜,,馬偉明,孫馳,,等.大功率400 Hz逆變電源數(shù)字控制設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報,,2011(1):100-107.
[2] 張方華,蘇通,,王旭東,,等.高功率密度航空靜止變流器的研制[J].電力電子技術(shù),2014(12):15-17,,21.
[3] 符拯.基于改進PWM的三相四橋臂逆變器控制研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),,2012(5):103-107.
[4] 鄢志平,何英杰,李毅,等.三電平四橋臂SVG三電流滯環(huán)控制方法研究[J].中國電機工程學(xué)報,,2016(20):5575-5583,,5734.
[5] 羅耀華,,許鐵巖.一種三相四橋臂空間矢量脈寬調(diào)制方法[J].電力電子技術(shù),2013(1):61-63.
[6] 張曉勇,,王軍,,李川,等.基于三維空間矢量中γ分量控制的三相四橋臂逆變器[J].電力自動化設(shè)備,2010(12):70-73,87.
[7] 馬海嘯.一種三相四橋臂逆變器的解耦控制策略[J].電力電子技術(shù),,2012(10):80-82.
[8] Perales M A,,Prats M M,Portillo R,,et al.Three dimensional space vector modulation for four-leg inverters using natural coordinates[C].2004 IEEE International Symposium on Industrial Electronics,,2004:1129-1134.
[9] 顧和榮,王德玉,,沈虹.三相四橋臂逆變器控制技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,,2011(24):41-46.
作者信息:
劉亨杰1,趙錦成1,,方淑輝2
(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 車輛與電氣工程系,,河北 石家莊050003;2.青島瑞陽電子有限公司,,山東 青島266000)