《電子技術(shù)應(yīng)用》
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自然坐標(biāo)系SVPWM四橋臂中頻逆變器調(diào)制策略研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
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
摘要: 三相四橋臂中頻逆變器逐漸成熟,,能滿足航電和雷達(dá)設(shè)備對中頻電源的需求,,且能在不平衡負(fù)載下保持三相電壓穩(wěn)定,。為研究逆變器帶不平衡負(fù)載能力,,首先分析了自然坐標(biāo)系下空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)策略,,減少了在αβγ坐標(biāo)系下坐標(biāo)變換、矢量選取與占空比計算的復(fù)雜性,,利于實現(xiàn)DSP數(shù)字化控制,。通過分析三相四橋臂的平均電流模型,實時采樣負(fù)載電流并計算參考電壓,,使逆變器能適應(yīng)各種不平衡負(fù)載,,采用PI控制穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓。經(jīng)仿真和實驗驗證,,逆變器帶非線性負(fù)載和不平衡負(fù)載能力強,,輸出電壓波形THD小。
中圖分類號: TM464
文獻(xiàn)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.

Research on space vector pulse-width modulation strategy for three-phase four-leg medium frequency inverter using natural coordinate
Liu Hengjie1,,Zhao Jincheng1,,F(xiàn)ang Shuhui2
1.Department of Vehicle and Electrical Engineering,Army Engineering University,,Shijiazhuang 050003,,China,; 2.Qingdao Ruiyang Electronics Co.,Ltd,,Qingdao 266000,,China
Abstract: In order to study the capacity under unbalanced load of the inverter, the space vector pulse-width modulation(SVPWM) in natural coordinate is analyzed, which reduces the complexity of coordinate transformation, vector selection and duty cycle calculation in αβγ coordinate, as well as facilitates the realization of digital control. By analyzing the average current model of the three-phase four-leg topology, the load current is sampled in real time and the reference voltage is calculated so that the inverter can adapt to various unbalanced loads, the PI controller is used to stabilize the output voltage. Simulation and experiments verify that the inverter can bear non-linear and unbalanced load , total harmonic distortion of the output voltage waveform is small.
Key words : three-phase four-leg inverter;SVPWM,;natural coordinate,;unbalanced load

0 引言

    400 Hz中頻電源作為軍用雷達(dá)、航電設(shè)備和部分裝甲車輛設(shè)備的基準(zhǔn)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(fù)載為電機類負(fù)載,大部分工況下處于不平衡的負(fù)載狀態(tài),,而傳統(tǒng)中頻電源帶不平衡負(fù)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?fù)浼丛趥鹘y(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(fù)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?fù)渚哂锌刂品椒`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?fù)涞恼{(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(jìn)行坐標(biāo)變換,運算過程復(fù)雜,,且必須根據(jù)負(fù)載情況來確定參考電壓,,當(dāng)負(fù)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(xiàn)[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(jìn)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?fù)涞钠骄娏髂P?,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(fù)載電流實時計算出的,,因此逆變器在三相不平衡負(fù)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?fù)洹?/p>

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    主拓?fù)溆兴膶虮郏繉虮蹖?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:

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    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:

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    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。

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    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,。

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    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(jìn)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(jìn)制計數(shù)法,,對六個比較結(jié)果進(jìn)行加權(quán)計算,用以標(biāo)記四面體,,特做如下定義:

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    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(dá)式為:

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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,。

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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:

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    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。

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    IA,,IB,,IC為等效成電流源的三相負(fù)載電流,可根據(jù)對稱分量法將其分解為正序Ip,、負(fù)序In和零序I0分量,,下角標(biāo)p,n,,0分別表示正序,、負(fù)序和零序。

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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(dá)式為:

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    由于三相電壓等效圖相同,,以A相進(jìn)行對稱分量分析,。圖4為A相正序、負(fù)序,、零序分量等效圖,。

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    依據(jù)電路理論分析參考電壓矢量Vref的正序、負(fù)序和零序分量則可表示為:

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    分析可知,,只要檢測三相負(fù)載電流即可得到參考電壓,,當(dāng)負(fù)載變化時DSP可根據(jù)負(fù)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(fù)載情況對逆變器進(jìn)行仿真分析:(1)阻性不平衡負(fù)載,;(2)阻感性和阻容性不平衡負(fù)載。

    三相阻性不平衡負(fù)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。

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    逆變器帶三相阻感性和阻容性不平衡負(fù)載,,其中A相13 Ω和10 mH感性負(fù)載,,B相純阻性負(fù)載13 Ω,,C相13 Ω和10 μF容性負(fù)載,仿真結(jié)果如圖6所示,。

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    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(fù)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(fù)載下逆變器的輸出能力,,記錄了不平衡負(fù)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(fù)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(fù)載條件下均能使三相電壓對稱輸出,。

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    圖8為純阻性1/3不平衡負(fù)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%,。

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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(fù)載下三相穩(wěn)定對稱輸出的能力,具有一定的實用價值,。

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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)

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