SPWM逆變器死區影響的幾種補償方法

2020-12-07 電子產品世界

摘要：分析逆變器死區對輸出電壓的影響以及幾種常用的補償方法。

關鍵詞：死區 補償 逆變器 脈寬調製

1 引言

死區可以避免因橋臂開關管同時導通的故障，但死區同時也引起反饋二極體的續流，使輸出電壓基波幅值減小，並產生出與死區時間△t及載波比N成比例的3、5、7…次諧波，這是設置死區帶來的缺點。這個缺點對變頻調速系統的影響最為顯著。特別是在電機低速運行時，調製波角頻率ωs減小，使載波比N相對增大，因此，死區△t中二極體續流引起的基波幅值減小，和3、5、7…次諧波的增大更加嚴重。在這種情況下，為了保證系統的正常運行，就必須對死區中二極體續流的這種不良影響進行補償。

常用的最基本補償方法有兩種：一種是電流反饋型補償，另一種是電壓反饋型補償。它們的共同補償原理就是設法產生一個與二極體續流引起的誤差電壓波形相似、相位相差180°的補償電壓ucom，來抵消或減弱誤差波的影響。所謂誤差波，就是由反饋二極體續流而引起的誤差電壓。三相半橋式SPWM逆變器電路圖見圖1。

2 電流反饋型補償

死區設置方式有兩種，即雙邊對稱設置和單邊不對稱設置。現以雙邊對稱設置方式為例來進行說明，其結果對單邊不對稱設置方式也同樣適用。

帶死區的SPWM逆變器在感性負載時，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），隨著死區時間△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ωs減小N相對增大時，這種影響進一步加劇。為了保證逆變器的正常運行，就必須消除這種不良影響。加入補償電路就能很好地達到這個目的。採用電流反饋型的補償電路如圖2所示。通過檢測逆變器的三相輸出電流，並把它變成三相方波電壓分別加到各自的調製波us上，例如將檢測到的A相電流iA，變成方波電壓ui加到A相調製波us上，方波電壓ui使逆變器產生一個與電流iA相位相同，與誤差波uD1.4波形相似，但與uD1.4相位相反的補償電壓ucom,如圖3所示。

補償電壓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。由於載波三角波的每個邊都是線性的，所以us＋ui調製的波形等於us和ui調製波形的和。us產生的有死區調製波為uAO′，反饋二極體產生的誤差波為uD1.4，ui產生的調製波為ucom，所以逆變器的輸出電壓方程式為：

採用如圖2所示的電流反饋補償電路，很好地達到了消除誤差波uD1.4對基波幅值減小和產生3、5、7…次諧波的不良影響。

3 電壓反饋型補償

電壓反饋型補償電路如圖4所示。將各相的SPWM輸出電壓波形uAO″通過降壓變壓器Tr檢測出來，並倒相變成－uAO″，用－uAO″與給定的SPWM帶死區的信號uAO″相加得到補償電壓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，只不過電路比電流反饋型複雜些。

4 電流反饋型補償電路在矢量控制系統中應用實例

文獻[2]介紹了一種矢量控制系統中應用的電流反饋型補償電路，是在旋轉坐標系上進行補償。當用空間矢量來表示變頻器的三相輸出電壓和電流時，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，而與電流的幅值無關，如表1所示。

由表1可知，當電流矢量位於空間六個不同區域時，變頻器的輸出電壓將損失六個對應的電壓矢量ΔU1～ΔU6，這六個誤差電壓矢量的方向與變頻器的六個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，則得到一個同步旋轉坐標系doq，d軸與電動機定子A相繞組的夾角θ=fω1·dt，如圖5所示，則電動機定子電流矢量在doq坐標系上的id、iq分量為：

任一時刻電流矢量i1在靜止坐標系中的位置角（以A相繞組為橫坐標軸）為

 θ=θ0＋θ1

變頻器輸出電流矢量與誤差電壓矢量之間的對應關係如表1所示，由表1可以得到補償電壓矢量與θ的關係，如表2所示。

由表2可知，只要實時地檢測電動機兩相定子電流iA、iB,通過上述方程式計算出電流矢量的位置角θ，由表2查出相應的補償電壓矢量進行補償，就可以完全消除掉誤差波引起的不良影響。補償電路如圖6所示。此系統採用專用微處理器μPD78365,變頻器的最高頻率可達15kHz。

5 電壓反饋型補償電路在變頻調速系統的應用實例

這是一種電壓反饋型補償電路在8098單片機控制的變頻調速系統中的一個應用實例。在本例中，死區是按單邊不對稱方式設置的。補償電路是按照檢測輸出電壓uAO″，並與控制信號波uAO進行比較，用所得的偏差電壓udev=uAO－uAO″以補償控制方式進行補償的。

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作為補償電壓ucom進行補償，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″的波形達到或接近uAO′的水平。補償的原理電路如圖7所示，用光耦檢測A點電位uAO″，uAO以SPWM理想控制信號。當uAO″與uAO電平相同時不輸入CK信號；當uAO″下降沿遲於uAO下降沿時，CK輸入到減法器；當uAO″上升沿遲於uAO上升沿時，CK輸入到加法器。這一原理分析表明：如果SPWM脈衝在上升沿產生偏差，則在下個脈衝的上升沿就可以得到補償，不會產生偏差的積累效應，是一種穩態補償法。

6 結語

電流反饋型與電壓反饋型補償電路，是最基本的補償電路，這兩種補償電路如果調整得當都能很好地補償掉二極體續流產生的誤差波引起的不良影響。

電流反饋補償電路的特點是電路簡單，但它是通過對電流的過零點的檢測來進行補償的。由於電流噪聲的影響，電流過零點一般都存在一定程度的模糊性，檢測精度會受到一定影響。再則，電流濾波環節也會產生檢測滯後。因此，在用軟體實現時，檢測精度的不準和檢測滯後的影響會使補償的精度變差。

電壓反饋型補償電路，雖沒有過零點檢測的模糊性，但都存在SPWM波的檢測精度問題。和檢測滯後問題。補償電路相對比較複雜。

應用微處理器μPD78365的矢量控制系統中的電流反饋型補償電路，與圖2所示的原電流反饋型補償電路的不同之處是，用電流矢量位置角的檢測代替了電流過零點的檢測，避開了電流過零點的模糊性，由於用區域檢測代替瞬時值檢測，因而對採樣速度的要求較低，易於軟體實現。由於是在同步旋轉坐標系上進行補償，所以電流的濾波環節也不會引起滯後。同時電路也比較簡單，抗幹擾能力也比較強，補償效果非常理想。應用於8098單片機控制系統中的電壓反饋型補償電路，具有與此相同的效果和特性。


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