空间矢量逆变器死区分析及补偿

设计分斩／　／，ｔ／／／　，』…………………………………………………………………微特电棚　２００５年第４期　………………………………’　空间矢量逆变器死区分析及补偿　张俊洪　，赵镜红　（１．华中科技大学，湖北武汉４３００７４；２．海军工程大学，湖北武汉４３００３３）　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｅａｄ—－Ｔｉｍｅ　ｆｏｒ　Ｓｐａｃｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ—ｈｏｎｇ　．ＺＨＡＯ　ｒｉｎｇ—ｈｏｎｇ　（１．Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｖａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　４３００３３，Ｃｈｉｎａ）　摘　要：文章分析了死区时问对逆变器输出电压和产生　谐波方面的影响，并对电动机磁链矢量偏移进行了讨论，同　时介绍了一种死区补偿分析方法，该方法不须附加硬件，只　需对原控制软件进行修改，实验结果表明，该方法是有效的。　关键词：空间矢量脉宽调制；逆变器；死区时间；补偿　中图分类号：ＴＭ３１５　文献标识码：Ａ　法，该方法不须附加硬件，只需对原控制软件进行修　改。　２逆变器死区效应分析　死区的存在使精确设计的ＰＷＭ控制信号不能　准确无误地加到主电路开关器件的控制极，从而导　致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电　文章编号：１００４—７０１８（２００５）０４－００２４—０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｅａｄ　ｔｉｍｅ　ｏｎ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｉｓ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｈａｉｎ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ　ｃｏｍ—　ｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｄｏｅｓｎｔ　ｎｅｅｄ　压波形，有的脉冲宽度被拉长，有的脉冲宽度被缩　短，由于在死区时间全部开关器件都是关断的，这种　拉长和缩短与死区时间的长短和输出电流的方向有　ａｎｙ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｈａｒｄｗａｒｅ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＶＰＷＭ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　关。三相逆变器的每一相都是由上下臂各一组开关　功率管和二极管构成，以ｕ相为例。设由逆变器流　向负载的方向为输出电流ｉ　的正方向，如图１所　示。　ｌ引　言　随着微处理器的发展，空间矢量脉宽调制成为　三相逆变器中最重要的调制方式。它用空间矢量的　概念来计算开关作用时间，是一种简化的数字ＰＷＭ　调制。空间矢量脉宽调制的显著特点就是数字实现　方法简单和更宽的线性调制范围。空间矢量脉宽调　制的基本思想是运用逆变器的六个有效电压矢量与　两个零矢量在每个控制周期里合成所需要的电压矢　量，从而决定在该控制周期里的逆变器的开关状态。　图１三相逆变器电路　图２中，在ｔ　～ｔ　、ｔ　～ｔ　这两段死区时间内，由　于上下桥臂的功率管都处于阻断状态，因此该桥臂　的输出电压是失控的，能量流向和输出电压完全由　为防止同一桥臂上的两功率管直通造成短路，　必须设置死区时间。但是这给逆变器带来了十分有　害的死区效应，输出电流波形发生畸变，特别在低速　时稳态转矩脉动，甚至引起电机振荡。　死区效应已经越来越引起人们的注意，不少人　已提出很多死区补偿措施　，但效果不甚理想，诸　负载状况决定。死区效应使　、　（　为功率管１　的开通时间，　为功率管２的开通时间）在一个载　波周期中的导通时间均减少了　（　为死区时　间）。当ｉ　＞０时，换流在Ｔ　和Ｄ　之间进行，实际　输出电压的正向脉冲宽度减少了　，对于理想输出　电压而言，相当于叠加上了一个幅值为Ｅ（直流侧电　压），宽度为　的负脉冲；当ｉ　＜０时，换流在Ｄ　和　Ｔ＇之间进行，实际输出电压的正向脉冲宽度增加了　如存在补偿滞后、增加系统复杂性等问题。本文首　先阐述了死区时间对于逆变器输出电压产生的波　动，进而从磁链矢量角度讨论死区时间产生的危害；　对于理想输出电压而言，相当于叠加上了一个幅　在此基础上提出了空间矢量脉宽调制死区补偿方　值为Ｅ，宽度为　的正脉冲。由此可以看出，在一　个基波周期内　相电压叠加上了Ⅳ（Ⅳ为载波比）　个这样的正负脉冲，随着Ⅳ的增加，逆变器输出电　一　收稿日期．２Ｏ０３—０６－３０　压的失真度也就相应增加。　维普资讯 http://www.cqvip.com

触持电棚　２００５年第４期　Ｇ’　Ｇ　电　定子　电　定子　图２死区时问　对输出电压的影响　利用平均电压的概念，在一个载波周期　中由　死区时间　引起的ｕ相输出电压误差△ｕ可表示为：　△ｕ＝ｐ　Ｅ　ｒ１　ｉ　＞０　式中：Ｐ＝｛０　ｉ　＝０　（１）　【一１　＜０　如果用空间矢量表示逆变器的三相输出电压和三相　输出电流，可以得到不同电流矢量下的偏差电压矢　量△ｕ，。偏差电压矢量的方向取决于电流矢量的方　向，而与电流矢量的幅值无关，其关系如表１所示。　表１　电流矢量与偏差电压的关系　轴￡ｓ　Ｉ　Ⅱ　Ⅲ　Ⅳ　～　Ｖ　Ⅵ　￡＾　＋　／＋　一＼　＋　￡　＋　＋　＋　ｔＣ　＋　＋　＋　△ｕ＾　一△“　一△ｕ　＋△ｕ　＋△ｕ　＋△ｕ　一△“　Ａｕ＾　＋△Ⅱ　一△“　一△“　一△“　＋△“　＋△Ⅱ　Ａｕ　４　＋△Ⅱ　＋△“　＋△“　一△“　一△“　一△Ⅱ　△“．　Ａ“６　△“ｄ　Ａ“５　Ａ“Ｉ　Ａ“３　△“２　对于电动机系统，作为负载的感应电动机希望　获得一个圆形磁场，也即希望逆变器输出三相对称　正弦波电压加到三相电动机的定子绕组上，在三相　电机绕组中该三相电压合成一个电压矢量，这样在　个输出正弦波周期中就产生了多个非零电压矢　量。在逆变器系统中，由于死区效应，每个电压矢量　上都叠加上了一个偏差电压矢量△ｕ　，方向和电流　矢量方向相反。相对于三相电流方向的六种组合，　产生了六种偏差电压矢量，这六个偏差电压矢量的　方向与变频器的六个非零电压矢量方向完全一致，　幅值为２ＡＵ。如图３所示，由于磁链矢量是电压矢　量对时间的积分，这样就使原来电机中准圆形的旋　转磁场产生了偏离，对电动机的运行性能产生不良　影响。　如对图３中的偏差电压进行谐波分析，可以得　到　次谐波的电压幅值为：　Ｕｋ＝　ｆＴ，；Ｅ　（ｋ＝１，３，５，７……）　多　式中　表示开关频率。　轴　、“６　电压畸变程度可以通过定义下面的畸变系数来表示：　其中：ｕ　为基波分量。　由于偏差电压中的基波分量只会影响到基波电　压的幅值和相位，不会引起基波电压畸变，因此上式中不包含偏差电压的基波分量。电压畸变程度与死　区时间、开关频率成正比，而与系统的输出频率成反比，因此系统在低速区受到的影响最大。　死区对输出电流的影响主要表现在偏差电压中的高次谐波大大增加了电流中的高次谐波含量。谐波电流不仅使电机的铜耗、铁耗增加，同时也引起转矩脉动的直接因素。另外一个比较重要的问题是，：有ＰＷＭ逆变器供电的感应电机在一定范围内有发生振荡的可能性。而死区的影响将使系统发生振荡的频率范围增大，轻载时可能使系统无法工作。　３死区补偿方法　为了补偿由于死区造成的指令电压和输出电压之间的偏差，图３中的偏差电压△“，对于电流为正　时，只要将ＰＷＭ指令前沿向后移动一段时间　口ｊ可；电流为负时把ＰＷＭ指令前沿向后移动一段时　间　。在实际ＰＷＭ的计算中，这等效地表现为将　脉冲宽度加上或减去一个　，。　常规死区补偿　的基本思想是如何使逆变器成为一个可以按照所需要求的三相对称正弦波电源。常用的方法有两种：电压反馈型和电流反馈型。！矢　前者是将三相的输出电压检测出来，同给定的ＰＷＭ　嚣　波进行比较，得到实际偏差电压，然后将偏差电压与给定ＰＷＭ波叠加，得到新的给定：这种方法在时　间上存在滞后性；后者是通过检｝见０三相电流的极性　芬　来确定补偿电压，该方法低频时存在明显的电流嵌位现象，主要因为过零点电流的检测存在着误差和　忿　滞后。　坐标系中坐标　军釜　进行死区补偿的方法。在异步电巍　机稳态运－　　ｉ！　ｉ　ｉ　！　：　；　　；　：　　；；　ｊ　　　；　ｉｉ塞　　ｉｉ　－　维普资讯 http://www.cqvip.com

设计分靳　砸持违相－…………　………………　２１ＮＩ５　第Ｊ　＾Ｊ＾　聊　够　！，彳时，　卡Ｈ定ｆ电流的基波分齄在同步旋转坐标系　中表现为商流分量　如果对直流丹丛进｛ｒ滤波，将　不会引起幅值的变化．世　存在十Ⅱ位　０滞后、　首先检测二相电流　．　ｉ　ｉ．Ｊ　｜殳变顿器的输出　！电压角频普　１工Ｊ　ｍ．．不难｛　到同步旋转坐标系　坐　；标系．且ｒ　轴Ｌｊ电机定了Ｊ杆Ｉ绕组的炙角　．＝　一　…　ｌ　｛　｝　：　：　ｊ　．　ｊ　Ｉ　ｌＩ　、尤　｝偿电诚　ｌｆ｛　【ｈ，翻　乜汽博　图６　Ｉ　５００　ｒ，￣ｒａｉｎ电流披彤　；ｌ∞．ｄｔ，如图４所示，则电机定子电流矢量在由。坐　：标系上的两个分量为：　￣．，ｏ　ｏ，１［ｉｉ１　：且角度：　０ｌ＝ｍ　‘¨　Ｊ圈４电流矢量罔　碍任一时刻的电流矢量ｉ．在静ＬＬ坐标系中的位置　角为（　Ａ棚绕组为坐标横轴）：０＝　＋　．　根据前史分析结果．变额器的输出电流矢量同　偏差电压矢量柯明确的埘应戈系ｃ如表１所示）．由　此可得表２所，　的补偿电　矢量。ｊ　的关系。　表２角度日与偏差电　矢『　∞冀系　因而，只要实时传测电机的两ｌｆ日定子电流ｉ　、　ｉ　，通过匕述　计算出电流矢量的位置角，由表２　查ｔＰｉ相应的补偿电压矢髓进行电压校正，就可以实　现正确的死区时间补偿　４实验结果　图５　６为ＳＶＰＷＭ逆变器驱动异步电机稳态运　行的相电流波形电机运行于７５０　ｒ／ｍｉｎ和ｌ　５００　ｒ／ｍｉｎ时的相电流实验波形电流的畸形现象均比较　严重，但是采用　述死区补偿方法以后（如图６Ｉ，所　示），相电流更接近于正弦波　ｌｉｌ无讣偿电洫渡彤　（１　冉补偿电流：庄｛ｆ三　图ｓ　７５０　ｒ／ｔｎｉｎ　ｌ电流波形　系统是采用本补偿方案的矢量控制系统．该系　统主控制器采用数字信号处理器ＴＭＳ３２０１：－９４０　ＩＧ—　Ｂ．ｒ的开关领章为ｌ０　ｋＨｚ　５结论　书文苘先阐述Ｊ　死Ｉｔ　ｎ，Ｊ　刘十逆变　输出电雎　产生的波动，世而从磁雒灾培角度讨论死区时间产　生的危害；住此基础上提出Ｊ　空唰矢　壮宽阑制死　Ⅸ补偿方法，往州司的扇『　叶』，根精　问矢量调制策　略决定的逆堂器开ｊ乏的状态和ｌｊ堑变器的Ｉ　作电流呵　以确定死区作用矢最．从而能对参考审问电压矢量　进行校正，得到补偿了死区效应的枝正的空间电压　矢量　此方案主要优点有：（１）率史提Ｈ１的纯区时间　补偿方案简单易行．具有很好的补偿故果；（！）Ｉｍ　ｗ　于　在同步旋转坐标系卜进行补偿．对检测电流的滤嫂　＿川Ⅲ鹕盯主¨Ｍ　州　　　～～川　会引起滞后；【３）对ｌ乜流采样速崖的要求低．易于　辕件实现；（４）ｊ｝响较强的抗干扰性能：（５）　：受输　出电流幅值、颧率的影响．避开Ｊ　电流过零点的直接　枪删　帅眦　ｍ　＿主　ｍ　参考文献　篓　ｍ　川　一一　怍暂简秆：张陧洪ｃ１９６０一）．再，副教托．　十　．｛＝】『究＾向电气　一曲化　越镜红ｌ１９７５）．男．　帏．砸ｆ．　开究订Ｈ电力系统墨其自动　化　一川Ｙ兰Ⅵ　；；　Ｋ　．＂＝三