SPWM逆變器死區(qū)影響的幾種補(bǔ)償方法

摘要：分析逆變器死區(qū)對(duì)輸出電壓的影響以及幾種常用的補(bǔ)償方法。

關(guān)鍵詞：死區(qū) 補(bǔ)償 逆變器 脈寬調(diào)制

1 引言

死區(qū)可以避免因橋臂開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的故障，但死區(qū)同時(shí)也引起反饋二極管的續(xù)流，使輸出電壓基波幅值減小，并產(chǎn)生出與死區(qū)時(shí)間△t及載波比N成比例的3、5、7…次諧波，這是設(shè)置死區(qū)帶來(lái)的缺點(diǎn)。這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的影響最為顯著。特別是在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，調(diào)制波角頻率ωs減小，使載波比N相對(duì)增大，因此，死區(qū)△t中二極管續(xù)流引起的基波幅值減小，和3、5、7…次諧波的增大更加嚴(yán)重。在這種情況下，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，就必須對(duì)死區(qū)中二極管續(xù)流的這種不良影響進(jìn)行補(bǔ)償。

常用的最基本補(bǔ)償方法有兩種：一種是電流反饋型補(bǔ)償，另一種是電壓反饋型補(bǔ)償。它們的共同補(bǔ)償原理就是設(shè)法產(chǎn)生一個(gè)與二極管續(xù)流引起的誤差電壓波形相似、相位相差180°的補(bǔ)償電壓ucom，來(lái)抵消或減弱誤差波的影響。所謂誤差波，就是由反饋二極管續(xù)流而引起的誤差電壓。三相半橋式SPWM逆變器電路圖見(jiàn)圖1。

2 電流反饋型補(bǔ)償

死區(qū)設(shè)置方式有兩種，即雙邊對(duì)稱設(shè)置和單邊不對(duì)稱設(shè)置。現(xiàn)以雙邊對(duì)稱設(shè)置方式為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，其結(jié)果對(duì)單邊不對(duì)稱設(shè)置方式也同樣適用。

帶死區(qū)的SPWM逆變器在感性負(fù)載時(shí)，基波幅值的減小與3、5、7…次諧波幅值的增大都與Δtωc=ΔtNωs成正比（ωc為SPWM中三角波電壓的角頻率），隨著死區(qū)時(shí)間△t及載波比N的增加，輸出電壓基波幅值將減小，3、5、7…次諧波幅值將比例增大。當(dāng)ωs減小N相對(duì)增大時(shí)，這種影響進(jìn)一步加劇。為了保證逆變器的正常運(yùn)行，就必須消除這種不良影響。加入補(bǔ)償電路就能很好地達(dá)到這個(gè)目的。采用電流反饋型的補(bǔ)償電路如圖2所示。通過(guò)檢測(cè)逆變器的三相輸出電流，并把它變成三相方波電壓分別加到各自的調(diào)制波us上，例如將檢測(cè)到的A相電流iA，變成方波電壓ui加到A相調(diào)制波us上，方波電壓ui使逆變器產(chǎn)生一個(gè)與電流iA相位相同，與誤差波uD1.4波形相似，但與uD1.4相位相反的補(bǔ)償電壓ucom,如圖3所示。

補(bǔ)償電壓ucom的相位與電流iA的相位相同，與誤差波電壓uD1.4的相位相反。由于載波三角波的每個(gè)邊都是線性的，所以u(píng)s＋ui調(diào)制的波形等于us和ui調(diào)制波形的和。us產(chǎn)生的有死區(qū)調(diào)制波為uAO′，反饋二極管產(chǎn)生的誤差波為uD1.4，ui產(chǎn)生的調(diào)制波為ucom，所以逆變器的輸出電壓方程式為：

采用如圖2所示的電流反饋補(bǔ)償電路，很好地達(dá)到了消除誤差波uD1.4對(duì)基波幅值減小和產(chǎn)生3、5、7…次諧波的不良影響。

3 電壓反饋型補(bǔ)償

電壓反饋型補(bǔ)償電路如圖4所示。將各相的SPWM輸出電壓波形uAO″通過(guò)降壓變壓器Tr檢測(cè)出來(lái)，并倒相變成－uAO″，用－uAO″與給定的SPWM帶死區(qū)的信號(hào)uAO″相加得到補(bǔ)償電壓ucom，ucom的相位與電流iA相同，與誤差波uD1.4的相位相反，用以抵消誤差波uD1.4的不良影響。

圖4所示的電壓反饋型補(bǔ)償電路，可以完全消除掉誤差波uD1.4所造成的不良影響，只不過(guò)電路比電流反饋型復(fù)雜些。

4 電流反饋型補(bǔ)償電路在矢量控制系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)例

文獻(xiàn)[2]介紹了一種矢量控制系統(tǒng)中應(yīng)用的電流反饋型補(bǔ)償電路，是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)用空間矢量來(lái)表示變頻器的三相輸出電壓和電流時(shí)，則可以得到不同電流矢量下的誤差電壓矢量△ui，其相位與電流矢量相反，而與電流的幅值無(wú)關(guān)，如表1所示。

由表1可知，當(dāng)電流矢量位于空間六個(gè)不同區(qū)域時(shí)，變頻器的輸出電壓將損失六個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓矢量ΔU1～ΔU6，這六個(gè)誤差電壓矢量的方向與變頻器的六個(gè)非零空間電壓矢量方向完全一致，其幅值為3ΔU/2。

假定變頻器輸出電壓的角頻率為ω1，則得到一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系doq，d軸與電動(dòng)機(jī)定子A相繞組的夾角θ=fω1·dt，如圖5所示，則電動(dòng)機(jī)定子電流矢量在doq坐標(biāo)系上的id、iq分量為：

任一時(shí)刻電流矢量i1在靜止坐標(biāo)系中的位置角（以A相繞組為橫坐標(biāo)軸）為

θ=θ0＋θ1

變頻器輸出電流矢量與誤差電壓矢量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，由表1可以得到補(bǔ)償電壓矢量與θ的關(guān)系，如表2所示。

由表2可知，只要實(shí)時(shí)地檢測(cè)電動(dòng)機(jī)兩相定子電流iA、iB,通過(guò)上述方程式計(jì)算出電流矢量的位置角θ，由表2查出相應(yīng)的補(bǔ)償電壓矢量進(jìn)行補(bǔ)償，就可以完全消除掉誤差波引起的不良影響。補(bǔ)償電路如圖6所示。此系統(tǒng)采用專用微處理器μPD78365,變頻器的最高頻率可達(dá)15kHz。

5 電壓反饋型補(bǔ)償電路在變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

這是一種電壓反饋型補(bǔ)償電路在8098單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。在本例中，死區(qū)是按單邊不對(duì)稱方式設(shè)置的。補(bǔ)償電路是按照檢測(cè)輸出電壓uAO″，并與控制信號(hào)波uAO進(jìn)行比較，用所得的偏差電壓udev=uAO－uAO″以補(bǔ)償控制方式進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹?/P>

udev的相位與電流iA相同，與誤差電壓uD1.4相反，udev的方程式與uD1.4相似。所含基波與3、5、7…次諧波的成分與uD1.4相同。因此用udev作為補(bǔ)償電壓ucom進(jìn)行補(bǔ)償，雖然不如ucom=－uD1.4好，但也是比較理想的。最終可以使輸出電壓uAO″的波形達(dá)到或接近uAO′的水平。補(bǔ)償?shù)脑黼娐啡鐖D7所示，用光耦檢測(cè)A點(diǎn)電位uAO″，uAO以SPWM理想控制信號(hào)。當(dāng)uAO″與uAO電平相同時(shí)不輸入CK信號(hào)；當(dāng)uAO″下降沿遲于uAO下降沿時(shí)，CK輸入到減法器；當(dāng)uAO″上升沿遲于uAO上升沿時(shí)，CK輸入到加法器。這一原理分析表明：如果SPWM脈沖在上升沿產(chǎn)生偏差，則在下個(gè)脈沖的上升沿就可以得到補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生偏差的積累效應(yīng)，是一種穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償法。

6 結(jié)語(yǔ)

電流反饋型與電壓反饋型補(bǔ)償電路，是最基本的補(bǔ)償電路，這兩種補(bǔ)償電路如果調(diào)整得當(dāng)都能很好地補(bǔ)償?shù)舳O管續(xù)流產(chǎn)生的誤差波引起的不良影響。

電流反饋補(bǔ)償電路的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但它是通過(guò)對(duì)電流的過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹Ｓ捎陔娏髟肼暤挠绊?，電流過(guò)零點(diǎn)一般都存在一定程度的模糊性，檢測(cè)精度會(huì)受到一定影響。再則，電流濾波環(huán)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)滯后。因此，在用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，檢測(cè)精度的不準(zhǔn)和檢測(cè)滯后的影響會(huì)使補(bǔ)償?shù)木茸儾睢?/P>

電壓反饋型補(bǔ)償電路，雖沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的模糊性，但都存在SPWM波的檢測(cè)精度問(wèn)題。和檢測(cè)滯后問(wèn)題。補(bǔ)償電路相對(duì)比較復(fù)雜。

應(yīng)用微處理器μPD78365的矢量控制系統(tǒng)中的電流反饋型補(bǔ)償電路，與圖2所示的原電流反饋型補(bǔ)償電路的不同之處是，用電流矢量位置角的檢測(cè)代替了電流過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)，避開(kāi)了電流過(guò)零點(diǎn)的模糊性，由于用區(qū)域檢測(cè)代替瞬時(shí)值檢測(cè)，因而對(duì)采樣速度的要求較低，易于軟件實(shí)現(xiàn)。由于是在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行補(bǔ)償，所以電流的濾波環(huán)節(jié)也不會(huì)引起滯后。同時(shí)電路也比較簡(jiǎn)單，抗干擾能力也比較強(qiáng)，補(bǔ)償效果非常理想。應(yīng)用于8098單片機(jī)控制系統(tǒng)中的電壓反饋型補(bǔ)償電路，具有與此相同的效果和特性。