多電平技術(shù)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：多電平逆變器在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，對減小轉(zhuǎn)矩脈動有積極作用，但中點電位穩(wěn)定與否，對系統(tǒng)運行的可靠性帶來很大影響。這里提出一種電壓矢量的合成方法，既能實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制，又能控制中點電壓穩(wěn)定，對分析結(jié)論進行了程序仿真和實際裝置實驗，結(jié)果都證明該方法有效。

關(guān)鍵詞：逆變器；三電平；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩脈動

1 引言

作為一種先進的控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能優(yōu)良，但是也存在比較突出的問題，即轉(zhuǎn)矩脈動較大。針對該問題，近年來，學者們提出了許多方法，如空間電壓矢量的優(yōu)化處理，采用無速度傳感器運行，改進磁鏈觀測技術(shù)，完善控制方式等。這里則是利用多電平技術(shù)，細化空間電壓矢量，通過降低磁鏈的諧波，從而減小轉(zhuǎn)矩的脈動量。

2 多電平逆變技術(shù)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，二極管箝位型多電平逆變器技術(shù)已受到越來越多的關(guān)注，多電平逆變器較傳統(tǒng)的兩點平逆變器而言，具有更多的空間電壓狀態(tài)矢量，這樣逆變器的整個空間電壓矢量平面就可進行細分，在很大程度上能夠減小轉(zhuǎn)矩波動與磁鏈誤差。但隨著電平數(shù)增多，優(yōu)化矢量表的復(fù)雜程度也急劇增加，同時二極管箝位三電平逆變器的中點電壓平衡也是一個難點，給直接轉(zhuǎn)矩控制在多電平電路上的應(yīng)用帶來了很多困難。圖1示出二極管箝位三電平逆變器。

兩電平逆變器每相只有兩種開關(guān)狀態(tài)，而三電平逆變器每相則有3種開關(guān)狀態(tài)，這樣就有33即27個開關(guān)狀態(tài)組合，其中有6個長矢量(1 -1-1)，(1 1 -1)，(-1 1 -1)，(-1 1 1)，(-1 -1 1)，(1 -1 1)；6個中矢量(1 0 -1)，(0 1 -1)，(-1 10)，(-1 0 1)，(0 -1 1)，(1 -1 0)；12個，小矢量(0 -1 -1)，(1 0 0)，(0 0 -1)，(1 1 0)，(0 1 0)，(-1 0 -1)，(-1 0 0)，(0 1 1)，(-1 -1 0)，(0 01)，(0 -1 0)，(1 0 1)，還有3個零矢量(0 0 0)，(1 1 1)，( -1 -1 -1)。圖2示出三電平逆變器電壓空間矢量分布。

與兩電平逆變器類似，通過Park矢量變換可寫出電壓空間矢量的數(shù)學表達式為：

式中：uAN，uBN，uCN為逆變器三相輸出與負載中點之間的相電壓；uAO，uBO，uCO為三相輸出與逆變器直流側(cè)中點之間的電壓。

通常，電源中點與負載中點間的電位不同。

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3 三電平逆變電路的中點電位穩(wěn)定

對于二極管筘位三電平逆變器而言，其結(jié)構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)實現(xiàn)，但最大弊端在于直流側(cè)的兩個電容電壓不穩(wěn)定，致使某些開關(guān)器件承受的反向壓降出現(xiàn)不均衡，嚴重影響逆變器的性能。圖3為三電平逆變器的等效開關(guān)模型圖。

當某一相工作在0開關(guān)狀態(tài)時，其中點就與負載相連，必然就有電流流入或流出，中點電壓也就會發(fā)生相應(yīng)變化。對于中點Q，根據(jù)基爾霍夫電流定律，中點電流為：

iQ=iC1+iC2      (2)

由于Udc(Udc=uC1+uC2)為一定值，因此在uC1增大的同時，uC2必然減小，反之亦然，并且C1=C2，則iC1=iC2=iQ／2。那么當iQ>0時，C1充電，uC1增大，相應(yīng)的C2放電，uC2減??；當iQ<0時，C1放電，uC1減小，相應(yīng)的C2充電，uC2增大。而Q點相對于假想電源中點O的電位UQO=(uC2-uC1)／2，因此iQ>0，中點電位下降，iQ<0，中點電位上升。

對于每一種長矢量，輸出接直流母線的正端和負端，沒有與中點相連的情況，因此，iQ=0，對中點電壓不會產(chǎn)生影響。而對于中矢量，由于總有一相與中點相連，中點流過相應(yīng)相的電流，中點電壓發(fā)生相應(yīng)變化。對于成對出現(xiàn)的小矢量，以長矢量(1 -1 -1)方向相關(guān)的(1 0 0)和(0 -1 -1)為例來進行說明。

小矢量(1 0 0)作用時，電機的b相和c相與Q點相連，此時iQ=ib+ic。由于三相異步電機正常工作時三相電流ia+ib+ic=0，此時流過中點的電流可用-ia來表示。小矢量(0 -1 -1)作用時，電機的a相與Q點相連，這時iQ=ia?？梢姡@兩個小矢量都會對中點電壓產(chǎn)生影響，并且作用是反相的，當一個矢量使中點電壓增加(稱為正小矢量)時，另一個必然會使其減小(稱為負小矢量)。對于其他的電壓矢量，用同樣的分析方法可以得到。經(jīng)過分析可知，零矢量和長矢量作用時，iQ=0，即不會對中點電壓產(chǎn)生影響。成對出現(xiàn)的小矢量對iQ的作用是相反的，在控制中可以利用這一點來對中點電壓進行控制。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

圖4為設(shè)計的三電平逆變器異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體框架圖。

系統(tǒng)硬件由整流模塊、異步電機、二極管箝位三電平逆變器、DSP、電流與電壓檢測電路、速度反饋電路構(gòu)成。DSP芯片是整個系統(tǒng)的核心，一方面需要完成速度、電壓、電流檢測，并進行數(shù)字濾波；另一方面又要根據(jù)系統(tǒng)的運行情況進行實時計算，適時發(fā)送PWM控制信號來控制逆變器的開通與關(guān)斷，在充分發(fā)揮三電平逆變器性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。

整個調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機為主要控制對象，所采用實驗樣機主要參數(shù)為：額定電壓220V；額定電流0．55A；額定轉(zhuǎn)速1420 r·min-1；額定功率100 W；極對數(shù)為2。

二極管箝位三電平逆變器主電路設(shè)計時要防止每個橋臂在1→0→-1切換過程中出現(xiàn)短路的情況。在狀態(tài)1時，開關(guān)管VTa1，VTa2導(dǎo)通，VTa3，VTa4關(guān)斷，而在0狀態(tài)時，VTa2，VTa3導(dǎo)通，VTa1，VTa4關(guān)斷；從狀態(tài)1切換到狀態(tài)0時，關(guān)斷VTa1，同時開通VTa3；實際中由于開關(guān)管的開通與關(guān)斷需要一定的時間，若器件選擇不好，就可能導(dǎo)致VTa1，VTa2，VTa3同時開通，造成直流母線的正端P與中點Q之間的短路。為了避免這種情況的發(fā)生，可以采用IRF450型MOSFET，該管是壓控型器件，輸入電流很小，輸入阻抗很高，其單極性載流子的工作特性使其具有很高的開關(guān)速度和工作頻率，驅(qū)動電路簡單，易于控制。

此課題在設(shè)計過程中很多環(huán)節(jié)都留有一定裕量，每個開關(guān)管都反并聯(lián)一個快速恢復(fù)二極管HFA25TB60，作為續(xù)流二極管。箝位二極管采用的也是HFA25TB60。直流母線側(cè)采用兩個2 200μF／450 V電解電容，每個電容都并聯(lián)一個功率電阻，一方面起到均壓作用，另一方面在逆變器停止工作時為電容上存儲的電荷提供釋放通路。

5 實驗結(jié)果與分析

繞線式異步電動機參數(shù)為：極對數(shù)為2，額定功率100 W，額定電壓220 V，額定電流0．55 A，額定轉(zhuǎn)速1 442 r·min-1；直流發(fā)電機參數(shù)為：額定功率185 W，額定電壓220 V，額定電流1．1 A；單相調(diào)壓器參數(shù)為：容量3 kW，輸入電壓220 V，輸出電壓0～250 V；仿真器采用SEED-XDSPP。

實驗測試波形控制周期為100μs，直流母線電壓為150 V。在實驗過程中，利用直接轉(zhuǎn)矩控制產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)矩的控制信號以及中點電壓控制信號，查詢設(shè)計好的開關(guān)狀態(tài)表，然后更新DSP比較寄存器的值，實現(xiàn)電機的控制。

電機在給定轉(zhuǎn)速為500 r·min-1_時a，b兩相間線電壓uab的波形如圖5a所示。由圖可知，三電平逆變器輸出的線電壓有5種電平狀態(tài)，與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，諧波含量較低，更接近于正弦波。圖5b示出uab的放大波形。由于在控制過程中，合理地安排了電壓矢量的作用順序，避免了過高的du／dt的出現(xiàn)。

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對系統(tǒng)進行了負載實驗，如圖6a所示，系統(tǒng)在突加負載時轉(zhuǎn)速有一個明顯下降過程，經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)之后，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)速仍能按照給定轉(zhuǎn)速運行。圖6b給出了這個過程中電流的變化波形，可見，在負載增大后，為保證電機的轉(zhuǎn)速不變，電機電磁轉(zhuǎn)矩增大，定子電流增加。

6 結(jié)論

二極管筘位三電平逆變器異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計為直接轉(zhuǎn)矩控制以及多電平逆變器交流傳動控制積累了一定的經(jīng)驗，系統(tǒng)的硬件電路以及軟件程序都為其他設(shè)計者提供了一個參考。上述研究實驗結(jié)果表明，多電平技術(shù)與空間矢

量控制技術(shù)相結(jié)合，可以減小轉(zhuǎn)矩波動。但在矢量合成方法的選擇方面還可以進一步優(yōu)化，并且同時引入智能控制方法，實現(xiàn)系統(tǒng)的更優(yōu)控制。