鄧永紅，趙立永，黃成玉

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 101601)

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一種基于SVPWM的死區(qū)補償算法的研究

鄧永紅，趙立永，黃成玉

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 101601)

礦用四象限變流器死區(qū)時間效應(yīng)導(dǎo)致諧波、電流波形畸變和直流電壓波動，本文實現(xiàn)了一種基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)的脈寬調(diào)制礦用四象限變流器的死區(qū)補償方法，通過矢量合成的方法得到一個控制周期內(nèi)的死區(qū)時間矢量，并以此來修正指令空間電壓矢量，可以對死區(qū)效應(yīng)進行軟件算法補償，在礦用四象限變流器中的應(yīng)用結(jié)果表明了這種方法的有效性。

空間矢量脈寬調(diào)制；死區(qū)補償；諧波；四象限變流器

1 問題的提出

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，礦用四象限變流器成為發(fā)展的必然趨勢，而礦用的采煤機、提升機、空壓機、采掘機，刮板機、皮帶機、絞車等動力負(fù)荷變化較大的電氣設(shè)備，其在起動、加減速、制動和設(shè)備維護等方面的能耗非常的大，這就需要應(yīng)用高性能四象限變流器使制動能量回饋電網(wǎng)改善輸入電流波形，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，消除對電網(wǎng)的諧波污染，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，提高煤礦裝備的控制性能、安全性，降低故障率。

圖1所示為四象限變流器主回路原理圖，采用的是電壓型逆變器，主要有兩種工作狀態(tài)：功率因數(shù)為1的整流工況和功率因數(shù)為-1的逆變工況。為避免上下橋臂開關(guān)管短路直通的情況發(fā)生，變流器同一橋臂的上下開關(guān)管之間的動作必須加入一段不導(dǎo)通時間，這樣的時間段被稱為死區(qū)時間。死區(qū)時間的作用是使得橋臂開關(guān)動作時，開通管子的觸發(fā)信號沿比要關(guān)斷管子的觸發(fā)信號沿有一段時間的延時，這造成在死區(qū)時間里一個橋臂的兩個管子均關(guān)斷，但由于有輸入電感，電流不會突變而由相應(yīng)的二極管續(xù)流，這使得四象限變流器輸出的電壓可能與控制系統(tǒng)所期望的不完全一致，從而影響控制系統(tǒng)對功率回路的精確控制。尤其是電壓脈沖的寬度有限，通常幾個或十幾個微秒，而IGBT的死區(qū)時間一般也有2～15微秒，由此而產(chǎn)生的誤脈沖對系統(tǒng)的性能影響將更大。死區(qū)的發(fā)生也會使橋臂中點電壓中含有豐富的諧波，對于高功率因數(shù)整流工況而言，死區(qū)效應(yīng)將加劇輸入側(cè)線電流波形的畸變和輸出側(cè)直流電壓的脈動；對于逆變工況而言，死區(qū)效應(yīng)會使輸出電壓波形畸變。這兩種工況下，死區(qū)效應(yīng)都會影響到系統(tǒng)獲得較高的理想功率因數(shù)[1-8]。因而對死區(qū)進行補償是必要的。

圖1 四象限變流器器主電路原理圖

2 死區(qū)效應(yīng)分析

2.1 電流方向?qū)τ谒绤^(qū)效應(yīng)的影響

變流器開關(guān)管在觸發(fā)信號為高電平時導(dǎo)通，低電平時關(guān)斷。一般情況下可以近似地認(rèn)為IGBT器件的開關(guān)觸發(fā)信號為方波，只是加入了一段時間的開關(guān)時延[2,3]。設(shè)死區(qū)時間為td，開通時延為tr，關(guān)斷時延為tf，電流正方向如圖1所示：

(1) 當(dāng)電流ia<0，如果理想狀態(tài)下某一時刻應(yīng)該下管關(guān)斷，上管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)后，電流在死區(qū)時間內(nèi)必然流經(jīng)下橋臂續(xù)流二極管VD2，使橋臂中點本應(yīng)為高的電位在這時段內(nèi)保持為“0”電平；反之，如果理想狀態(tài)下某一時刻應(yīng)該上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)后，電流在死區(qū)時間內(nèi)依然只能流經(jīng)下橋臂續(xù)流二極管VD2，橋臂中點電位與不注入死區(qū)時一樣為“0”電平，這時死區(qū)時間的注入對于橋臂中點電位無影響。

(2) 當(dāng)電流ia>0，如果理想狀態(tài)下某一時刻應(yīng)該下管關(guān)斷，上管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)時間后，電流在死區(qū)時間內(nèi)必然流經(jīng)上橋臂續(xù)流二極管VD1，橋臂中點電位與不注入死區(qū)時一樣為“1”電平，這時死區(qū)時間的注入對于橋臂中點電位無影響；如果理想狀態(tài)下某一時刻應(yīng)該上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則在注入死區(qū)后，電流在死區(qū)時間內(nèi)依然只能流經(jīng)上橋臂二極管VD1，使橋臂中點本應(yīng)為低的電位在這時段內(nèi)保持為“1”電平。由以上分析可知，死區(qū)效應(yīng)與交流側(cè)電流的方向密切相關(guān)。

2.2 影響死區(qū)效應(yīng)的因素

對于四象限變流器，考慮到死區(qū)時間的影響和IGBT的開通和關(guān)斷的時間后，可以將實際的輸出電壓和給定的PWM脈沖之間的關(guān)系表示如圖2所示。由上面分析可知，這一電壓偏差的正負(fù)與電流方向有直接關(guān)系，當(dāng)電流為正，電壓偏差為正，電流為負(fù)，電壓偏差為負(fù)[4]。

圖2 死區(qū)效應(yīng)對實際施加的相電壓的影響

可以看出，死區(qū)時間的影響可以概括為：(1)負(fù)載電流大于零時，實際的相電壓輸出比控制要求減少了一段td+tr-tf的時間；(2)負(fù)載電流小于零時，實際的相電壓輸出比控制要求增加了一段td+tr-tf的時間。如果根據(jù)采樣得到的負(fù)載電流方向?qū)λl(fā)的SVPWM脈沖寬度進行相應(yīng)的調(diào)整就可以對因變流器系統(tǒng)引入的控制偏差實施補償，從而使得四象限變流器系統(tǒng)實際的電壓輸出和控制[5-7]要求一致。

3 死區(qū)補償算法分析

空間矢量脈寬調(diào)制方法已經(jīng)在四象限變流器中得到了廣泛的應(yīng)用[8,9]，SVPWM控制技術(shù)的目標(biāo)就是通過控制6個非零矢量和2個零矢量的線性組合，調(diào)整每個扇區(qū)兩個相鄰非零空間矢量和零矢量作用時間的長短合成所需的電壓空間矢量，使電壓空間矢量Uout按照設(shè)定的參數(shù)圓形旋轉(zhuǎn)。為易于闡述本算法，令圖1上橋臂導(dǎo)通為l，下橋臂導(dǎo)通為0。電壓扇區(qū)的劃分如圖3所示。6個非零空間電壓矢量將變流器的一個工作周期等分為6個區(qū)域。

圖3 基本電壓空間矢量

在某個時刻電壓矢量Uout旋轉(zhuǎn)到某個扇區(qū)中，就由組成這個扇區(qū)的兩個非零矢量UX,UX±60分別作用T1,T2時間，先作用的UX稱為主矢量，后作用的UX±60稱為輔矢量，時間分解如圖4(a)所示，為了軟件計算方便，我們采用圖4(b)去等效圖4(a)。

圖4 電壓空間矢量的線性組合

根據(jù)圖4(b)求解上式得：

(1)

(2)

其中TPWM為一個PWM周期，Td為死區(qū)時間，TE=TPWM-Td。

圖5 SVPMW調(diào)制周期內(nèi)電壓矢量補償圖

其中k=a,b,c。

圖6 第三扇區(qū)死區(qū)時間補償前后觸發(fā)信號圖

歸納起來，死區(qū)矢量的計算遵循以下原則：

(3) 為簡化計算，對開關(guān)函數(shù)Sk(k=a,b,c)的上升沿與下降沿進行區(qū)分，濾除無效死區(qū)分矢量。由上面分析，當(dāng)Sk“由0變1”(上升沿)時，如果該相電流大于零，對應(yīng)死區(qū)分矢量為無效矢量，如果該相電流小于零，對應(yīng)死區(qū)分矢量為有效矢量；當(dāng)Sk“由1變0”(下降沿)時，如果該相電流大于零，對應(yīng)死區(qū)分矢量為有效矢量，如果該相電流小于零，則對應(yīng)死區(qū)分矢量為無效矢量，可以忽略。

(3)

求出總的死區(qū)矢量后，按下式對原電壓空間矢量進行修正：

(4)

其中，TPWM為一個PWM周期，Td為死區(qū)時間，TE=TPWM-Td。

4 實驗結(jié)果

對上述死區(qū)補償算法，在礦用四象限變流器上進行了成功的實現(xiàn)。系統(tǒng)主要參數(shù)為：四象限變流器額定功率：18.5 kW，輸入線電壓：AC380 V，整流輸出電壓：DC550 V，調(diào)制頻率為5 kHz，死區(qū)時間設(shè)定為5 us。圖7四象限變流器輸入側(cè)相電流波形圖，其中7(a)未進行死區(qū)補償?shù)牟ㄐ螆D，圖7(b)采用了本文所述補償方法的波形圖，可見采用死區(qū)補償措施后的電流波形波動明顯變小，更加接近正弦。

圖7 四象限變流器的相電流波形(a) 未加死區(qū)補償?shù)南嚯娏鞑ㄐ?(b) 加死區(qū)補償后的相電流波形

5 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，這種方法在礦用四象限變流器對死區(qū)效應(yīng)進行較好的補償，它不需要對系統(tǒng)進行任何硬件改動，完全依靠軟件就可以實現(xiàn)死區(qū)補償，這對于提高系統(tǒng)工作效率，降低系統(tǒng)成本具有積極的意義。同時這種方法適用于應(yīng)用SVPWM技術(shù)的四象限變流器的死區(qū)補償，特別在死區(qū)效應(yīng)比較明顯時，如整流器輸出電壓較高、逆變器輸出頻率較低等場合具有較好的工程實用及應(yīng)用推廣價值。

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Research on a dead time compensation algorithm based on SVPWM

DENG Yong-hong, ZHAO Li-yong, HUANG Cheng-yu

(InstituteofInformationandControlTechnology,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

The dead-time effect in mine 4-Quadrant Converter can result in harmonic, current waveforms distortion, DC voltage fluctuation. A dead-time compensation method used in the SVPWM mine 4-Quadrant Converter is realized. Based on the popular-used SVPWM, the dead-time effect can be compensated using the concept of dead-time vector. The method can be used via modification in the original controller software. The proposed method is verified by the experiment of the mine 4-Quadrant Converter.

SVPWM; Dead-Time Compensation; Harmonic; 4-Quadrant Converter

2016-02-24

廊坊市科技支撐計劃項目資助(2015011017),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(3142015023,3142013101)

鄧永紅(1975-)，男，湖南漣源人，碩士，華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所講師，研究方向：電力電子與電能變換技術(shù)，微型計算機控制技術(shù)等。 E-mail：dyhsyjdyx@163.com

TN78

A

1672-7169(2016)02-0116-05