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(duì)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有積極作用，但中點(diǎn)電位穩(wěn)定與否，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制，又能控制中點(diǎn)電壓穩(wěn)定，對(duì)分析結(jié)論進(jìn)行了程序仿真和實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)，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(dòng)

1 引言

作為一種先進(jìn)的控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)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(dòng)較大。針對(duì)該問題，近年來，學(xué)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(yùn)行，改進(jìn)磁鏈觀測(cè)技術(shù)，完善控制方式等。這里則是利用多電平技術(shù)，細(xì)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(dòng)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(diǎn)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(gè)空間電壓矢量平面就可進(jìn)行細(xì)分，在很大程度上能夠減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)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(shí)二極管箝位三電平逆變器的中點(diǎn)電壓平衡也是一個(gè)難點(diǎn)，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(gè)開關(guān)狀態(tài)組合，其中有6個(gè)長矢量(1 -1-1)，(1 1 -1)，(-1 1 -1)，(-1 1 1)，(-1 -1 1)，(1 -1 1)；6個(gè)中矢量(1 0 -1)，(0 1 -1)，(-1 10)，(-1 0 1)，(0 -1 1)，(1 -1 0)；12個(gè)，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(gè)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(xué)表達(dá)式為：

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

通常，電源中點(diǎn)與負(fù)載中點(diǎn)間的電位不同。

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3 三電平逆變電路的中點(diǎn)電位穩(wěn)定

對(duì)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(shí)現(xiàn)，但最大弊端在于直流側(cè)的兩個(gè)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(yán)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(dāng)某一相工作在0開關(guān)狀態(tài)時(shí)，其中點(diǎn)就與負(fù)載相連，必然就有電流流入或流出，中點(diǎn)電壓也就會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。對(duì)于中點(diǎn)Q，根據(jù)基爾霍夫電流定律，中點(diǎn)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(shí)，uC2必然減小，反之亦然，并且C1=C2，則iC1=iC2=iQ／2。那么當(dāng)iQ>0時(shí)，C1充電，uC1增大，相應(yīng)的C2放電，uC2減小；當(dāng)iQ<0時(shí)，C1放電，uC1減小，相應(yīng)的C2充電，uC2增大。而Q點(diǎn)相對(duì)于假想電源中點(diǎn)O的電位UQO=(uC2-uC1)／2，因此iQ>0，中點(diǎn)電位下降，iQ<0，中點(diǎn)電位上升。

對(duì)于每一種長矢量，輸出接直流母線的正端和負(fù)端，沒有與中點(diǎn)相連的情況，因此，iQ=0，對(duì)中點(diǎn)電壓不會(huì)產(chǎn)生影響。而對(duì)于中矢量，由于總有一相與中點(diǎn)相連，中點(diǎn)流過相應(yīng)相的電流，中點(diǎn)電壓發(fā)生相應(yīng)變化。對(duì)于成對(duì)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(jìn)行說明。

小矢量(1 0 0)作用時(shí)，電機(jī)的b相和c相與Q點(diǎn)相連，此時(shí)iQ=ib+ic。由于三相異步電機(jī)正常工作時(shí)三相電流ia+ib+ic=0，此時(shí)流過中點(diǎn)的電流可用-ia來表示。小矢量(0 -1 -1)作用時(shí)，電機(jī)的a相與Q點(diǎn)相連，這時(shí)iQ=ia。可見，這兩個(gè)小矢量都會(huì)對(duì)中點(diǎn)電壓產(chǎn)生影響，并且作用是反相的，當(dāng)一個(gè)矢量使中點(diǎn)電壓增加(稱為正小矢量)時(shí)，另一個(gè)必然會(huì)使其減小(稱為負(fù)小矢量)。對(duì)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(shí)，iQ=0，即不會(huì)對(duì)中點(diǎn)電壓產(chǎn)生影響。成對(duì)出現(xiàn)的小矢量對(duì)iQ的作用是相反的，在控制中可以利用這一點(diǎn)來對(duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行控制。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4為設(shè)計(jì)的三電平逆變器異步電機(jī)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(jī)、二極管箝位三電平逆變器、DSP、電流與電壓檢測(cè)電路、速度反饋電路構(gòu)成。DSP芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，一方面需要完成速度、電壓、電流檢測(cè)，并進(jìn)行數(shù)字濾波；另一方面又要根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，適時(shí)發(fā)送PWM控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。

整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)為主要控制對(duì)象，所采用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)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(duì)數(shù)為2。

二極管箝位三電平逆變器主電路設(shè)計(jì)時(shí)要防止每個(gè)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(shí)，開關(guān)管VTa1，VTa2導(dǎo)通，VTa3，VTa4關(guān)斷，而在0狀態(tài)時(shí)，VTa2，VTa3導(dǎo)通，VTa1，VTa4關(guān)斷；從狀態(tài)1切換到狀態(tài)0時(shí)，關(guān)斷VTa1，同時(shí)開通VTa3；實(shí)際中由于開關(guān)管的開通與關(guān)斷需要一定的時(shí)間，若器件選擇不好，就可能導(dǎo)致VTa1，VTa2，VTa3同時(shí)開通，造成直流母線的正端P與中點(diǎn)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(dòng)電路簡單，易于控制。

此課題在設(shè)計(jì)過程中很多環(huán)節(jié)都留有一定裕量，每個(gè)開關(guān)管都反并聯(lián)一個(gè)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(gè)2 200μF／450 V電解電容，每個(gè)電容都并聯(lián)一個(gè)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(shí)為電容上存儲(chǔ)的電荷提供釋放通路。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

繞線式異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：極對(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)試波形控制周期為100μs，直流母線電壓為150 V。在實(shí)驗(yàn)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(hào)以及中點(diǎn)電壓控制信號(hào)，查詢?cè)O(shè)計(jì)好的開關(guān)狀態(tài)表，然后更新DSP比較寄存器的值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。

電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為500 r·min-1_時(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了負(fù)載實(shí)驗(yàn)，如圖6a所示，系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速有一個(gè)明顯下降過程，經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)之后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)速仍能按照給定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。圖6b給出了這個(gè)過程中電流的變化波形，可見，在負(fù)載增大后，為保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為直接轉(zhuǎn)矩控制以及多電平逆變器交流傳動(dòng)控制積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的硬件電路以及軟件程序都為其他設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)參考。上述研究實(shí)驗(yàn)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(dòng)。但在矢量合成方法的選擇方面還可以進(jìn)一步優(yōu)化，并且同時(shí)引入智能控制方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的更優(yōu)控制。