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        基于三相橋式逆變器的DPWM調(diào)制算法測(cè)試研究

        2018-08-27 10:24:00栗偉周朱政通梁滿(mǎn)營(yíng)張瑞杰
        機(jī)電信息 2018年24期
        關(guān)鍵詞:效率

        栗偉周 朱政通 梁滿(mǎn)營(yíng) 張瑞杰

        (1.許昌學(xué)院工程技術(shù)中心,河南許昌461000;2.許昌智能繼電器股份有限公司,河南許昌461000)

        0 引言

        隨著科技的發(fā)展,電力電子變換裝置的良好表現(xiàn)使得其在交流傳動(dòng)系統(tǒng)、微電源并網(wǎng)系統(tǒng)、DC-DC變換系統(tǒng)等領(lǐng)域得到不斷推廣和應(yīng)用。進(jìn)一步的研究主要集中在如何降低開(kāi)關(guān)損耗、提升變換效率等方面。不連續(xù)脈寬調(diào)制技術(shù)(discontinuous pulse width modulation,DPWM)能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)管在一個(gè)電壓基波周期內(nèi)的一定區(qū)間不動(dòng)作,從而通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高變換效率,DPWM調(diào)制策略在三相橋式逆變器中的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。

        目前國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)針對(duì)三相橋式逆變器的控制進(jìn)行了深入研究,但試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)不是很全面,離產(chǎn)品化和實(shí)用化還存在一定距離,本文以三相橋式逆變器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)為對(duì)象,對(duì)DPWM調(diào)制算法進(jìn)行測(cè)試,并與空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)進(jìn)行對(duì)比分析[3]。

        1 SVPWM與DPWM

        在交流傳動(dòng)系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)中,三相橋式逆變器應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其控制算法也在逐步完善。目前主流的三相逆變器調(diào)制算法以SVPWM調(diào)制為主,衍生的有不連續(xù)脈寬調(diào)制技術(shù)、過(guò)調(diào)制SVPWM技術(shù)、共模電壓抑制SVPWM、人工神經(jīng)元SVPWM技術(shù)等。

        1.1 SVPWM原理

        SVPWM是近年推廣應(yīng)用的一種較新穎的調(diào)制方式,是將逆變器和控制對(duì)象作為一個(gè)整體,由三相功率逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波,按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制PWM電壓,能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形,該調(diào)制方式算法簡(jiǎn)單,電壓損耗較小,但在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),該調(diào)制方式效率提升受限。

        1.2 DPWM原理及特征

        DPWM是一種開(kāi)關(guān)損耗最小的空間電壓矢量PWM技術(shù),該調(diào)制方式在三個(gè)相鄰矢量所夾扇區(qū)固定選用一個(gè)適當(dāng)?shù)牧闶噶烤涂墒姑恳唤M在一個(gè)周期內(nèi)有120°的扇區(qū)內(nèi)不開(kāi)關(guān),對(duì)大功率逆變器而言可以在提高開(kāi)關(guān)頻率的基礎(chǔ)上,改善波形質(zhì)量,降低開(kāi)關(guān)損耗。DPWM調(diào)制方式根據(jù)零矢量的不同取值可分為DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMIN、DPWMMAX 6種[4]。

        圖1為不同PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理圖,在相電壓中注入提取出來(lái)的零序分量后可以得到不同的PWM調(diào)制方法,三相參考電壓標(biāo)幺值U**a,b,c,記為:

        圖1 不同PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理

        2 基于三相橋式逆變的調(diào)速控制系統(tǒng)

        永磁同步調(diào)速控制器系統(tǒng)主要由主電路、檢測(cè)調(diào)理電路及運(yùn)算電路三部分組成。其中,主電路包括電源模塊、逆變器電路、永磁同步電機(jī)等,檢測(cè)調(diào)理電路包括各部分電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的檢測(cè)與調(diào)理,運(yùn)算電路為以DSP為核心的主控電路。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        圖2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

        從圖2可以看出,主電路中通過(guò)逆變器將電源的直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電,為交流永磁同步電機(jī)供電,電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行調(diào)理可獲知電機(jī)狀態(tài)。檢測(cè)調(diào)理電路部分,永磁同步電機(jī)的相電流通過(guò)電流傳感器獲知,進(jìn)而對(duì)所獲取的電流型號(hào)進(jìn)行調(diào)理,最后將狀態(tài)輸入DSP,保護(hù)電路中的過(guò)流、過(guò)壓檢測(cè)也屬于檢測(cè)調(diào)理電路。運(yùn)算電路以DSP主控芯片和外圍電路為核心,通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和發(fā)送,最終將PWM信號(hào)輸出給逆變器,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制,同時(shí),DSP通過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信,通過(guò)數(shù)據(jù)輸出可便于觀測(cè)波形。

        3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比及分析

        實(shí)驗(yàn)測(cè)試的直流側(cè)電壓為384 V,冷卻液溫度25℃,流量15 L/min。采用英飛凌1782IPM模塊,采用的電機(jī)最高額定功率37 kW,額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min,最高轉(zhuǎn)速10 000 r/min。

        3.1 調(diào)制電流實(shí)驗(yàn)波形

        測(cè)試的兩個(gè)工況點(diǎn)分別為1 000 r/min、340 A和6 000 r/min、340 A。DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMIN、DPWMMAX和SVPWM調(diào)制模式下1 000 r/min與6 000 r/min電流波形如圖3~圖16所示。

        圖3 DPWM0調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

        圖5 DPWM1調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

        圖6 DPWM1調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

        圖7 DPWM2調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

        圖8 DPWM2調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

        圖9 DPWM3調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

        圖10 DPWM3調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

        圖11 DPWMMIN調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

        圖12 DPWMMIN調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

        從圖3~圖16的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3調(diào)制方式在1 000 r/min工況下電流波形畸變嚴(yán)重,DPWMMAX和DPWMMIN調(diào)制方式波形相對(duì)平緩,但兩種策略由于一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的損耗不均勻較少采用,1 000 r/min工況下DPWM調(diào)制方式的調(diào)制波近似方波,與理想調(diào)制波相差較大,導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變,即調(diào)制比低時(shí)DPWM調(diào)制策略電流波形電流畸變嚴(yán)重,控制器無(wú)法正常運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)(測(cè)試6 000 r/min),DPWM調(diào)制策略電流波形較為平滑,為理想調(diào)制波形。

        圖13 DPWMMAX模式1 000 r/min電流波形

        圖14 DPWMMAX模式6 000 r/min電流波形

        圖15 SVPWM調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

        圖16 SVPWM調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

        3.2 DPWM調(diào)制效率對(duì)比

        不同轉(zhuǎn)速下的DPWM和SVPWM控制器效率曲線(xiàn)對(duì)比圖如圖17所示。

        由圖17可以看出,在電機(jī)轉(zhuǎn)速大于6000r/min后的不同轉(zhuǎn)速下,DPWMMAX調(diào)制模式下的控制器效率最高,SVPWM調(diào)制模式下效率最低。在轉(zhuǎn)速8 000 r/min為“分水嶺”,8 000 r/min以下時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的升高,控制器效率曲線(xiàn)逐漸升高,大于8 000 r/min后基本平滑,DPWM1模式和DPWM2模式下效率下滑稍微明顯,SVPWM模式下為平滑上升。

        圖17 DPWM和SVPWM控制器效率曲線(xiàn)對(duì)比圖

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文在SVPWM的原理基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了空間矢量DPWM算法在不同模式下的測(cè)試情況,并且對(duì)幾種DPWM算法和SVPWM算法及其特征進(jìn)行了深入的分析,最后對(duì)比得出了在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)DPWM方法在控制器效率方面高于SVPWM算法(DPWMMAX調(diào)制方式效率最高),但電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)電流波形畸變嚴(yán)重的結(jié)論,為下一步算法優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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