一种抑制VSI零电流箝位效应的死区补偿方法.pdf

第 1 5卷第 1 期 2 0 1 1年 1 月 电 机 与 控 制 学 报 ELECTRI C M ACHI NES AND CONTR0L V0 1 1 5 No 1 J a n 2 01 1 一 种抑制 V S I 零 电流箝位效应 的死区补偿方法 周华伟 一 ， 温旭辉 赵 峰 ， 张剑 ， 郭新华 ( 1 中国科学院 电工研究所 ， 北京 1 0 0 1 9 0 ； 2 中国科学院 研究生院 ， 北京 1 0 0 1 9 0 ) 摘要 ：电压源逆变器低频和轻载时， 死 区效应导致相 电压和相电流畸 变、 零电流箝位效应等 问 题 。 为解决上述 问题 ， 分析 死 区效应 和零 电流箝位机理 ， 发现 了零 电流箝位效 应产 生的一个主要原 因， 提 出一种死 区时间补偿策略。该策略无需电流极性检测 ， 在 S V P WM基础上， 在每个 P WM周期 内对 两个非零 空间电压 矢量 作用 时间分别进行 补偿 ， 该补偿 根 据这 两个 空 间电压 矢量作 用 时 间之 比分配死区补偿时间获得， 死区补偿时间通过 离线测量得到。实验结果表明， 该方法明显地削弱 了 电流低频谐波， 有效地抑制 了零 电流箝位现 象， 显著地改善 了电流的正弦度 ， 提 高了系统低速运行 性 能。 关键 词 ： 空 间矢量脉 宽调 制 ；电压 源逆 变 器；死 区效应 ； 死 区时间补 偿 ；零 电流箝 位效应抑 制 中图分类号 ： T M 3 0 1 2 文献标志码 ： A 文章编 号：1 0 0 7 - 4 4 9 X( 2 0 1 1 ) O l 一 0 0 2 6 - 0 7 De a d- t i me c o mp e n s a t i o n me t h o d o f r e s t r a i n i n g z e r o c u r r e n t c l a mp i n g e ffe c t s f o r VS I Z HO U Hu a w e t 一，WE N X u h u i ，Z HAO F e n g ， Z HANG J i a n ，GUO Xi n h u a ( 1 I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 ， C h i n a ； 2 G r a d u a t e U n i v e r s i t y o f C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ，B e i j i n g 1 0 01 9 0，C h i n a ) A b s t r a c t ： V o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r( V S I )h a s s o m e p r o b l e ms c a u s e d b y d e a d t i m e e f f e c t s ， s u c h a s p h a s e - v o l t a g e a n d p h a s e c u r r e n t d i s t o rti o n sz e r o c u r r e n t c l a mp i n g e f f e c t s，e t c To s o l v e t h e p r o b l e ms，d e a d t i me e f f e c t s a n d z e r o c u r r e n t c l a mpi n g e f f e c t s we r e a n a l y z e d， a ma i n c a u s e o f z e r o - c u rre n t c l a mp i n g e f f e c t s wa s f o u n d，a n d t h e n a d e a d t i me c o mp e n s a t i o n a l g o r i t h m wa s p r o p o s e d T h e a l g o r i t h m d o e s n t h a v e t o c h e c k c u rr e n t p o l a r i t y B a s e d O i l s p a c e v e c t o r p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n( S V P WM) ， t h e d e a d t i me c o mp e n s a t i o n t i me wa s d i s t r i b u t e d t o c o mpe n s a t e t wo n o n z e r o s p a c e v o l t a g e v e c t o r s a c c o r d i n g t o t h e i r e f - f e e t i v e a c t i n g t i me r a t i o i n e v e r y P W M p e rio d，a n d t h e d e a d t i me c o mp e n s a t i o n t i me wa s o b t a i n e d b y o f f - l i n e me a s u r e me n t Ex p e r i me n t a l r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e p r o p o s e d a l g o rit h m r e ma r k a b l y s u p p r e s s e s l o w f r e q u e n c y c u rre n t h a r mo ni c，e f f e c t i v e l y r e s t r a i n s z e r o c u r r e n t c l a mp i n g e f f e c t s，g r e a t l y mi n i mi z e s c u r - r e n t d i s t o r t i o n s ， a n d i mp r o v e s o p e r a t i o n p e r f o r ma n c e a t l o w s p e e d Ke y wo r ds： s p a c e v e c t o r p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n；v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r ；d e a d t i me e f f e c t s ；d e a d t i me c o mp e n s a t i o n t i me：z e r o c u rre n t c l a mp i n g e f f e c t s r e s t r a i n t 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 2 3 基金项 目：国家自然科学基金( 5 0 7 7 7 0 6 0 ) 作者简介：周华伟 ( 1 9 8 0 一)， 男， 博士研 究生， 研究方向为永磁 同步电机驱动控制 ： 温旭辉( 1 9 6 3 一)， 女， 博士 ， 研究员， 博士生导师 ， 研究方向为电机驱动与电力电子技术应用研究 ： 赵峰 ( 1 9 7 9 ) ， 男， 博士， 副研究 员， 研 究方向为驱动 电机调速控制 ： 张 剑( 1 9 8 O ) ， 男， 硕士， 助理研 究员， 研究方向为驱动 电机调速控制； 郭新华( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 博士， 助理研 究员， 研究方向为永磁 同步电机驱动控制 第 1 期 周华伟等 ： 一种抑制 V S I 零电流箝位效应的死区补偿方法 2 7 0 引 言 三相 P WM 电压 源逆 变器 ( v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r ， V S I ) 同一桥臂上下管开通信号是互补的 ， 为了防 止直通 ， 必须人为在功率管开关动作期间插入一段 死区时间。但是该死区时间导致 V S I 输出电压和 目 标 电压之间存在误差 ， 它的累积效应导致 电机相电 压和相电流畸变 、 零电流箝位效应以及转矩和转速 脉动， 系统性能降低 。因此为提高电机控制性 能 ， 对 V S I 死区进行研究是非常必要 的。 目前 国内 外研 究 主要 有 ： 死 区补 偿 策 略 j 、 无 死 区控 制 策 略 。 死 区精确补 偿 需 两个 条 件 ： 电压 误 差 AV和 电 流方向正确估算 。电压误差求取是基于平均误差理 论 ， 在 一个 周期 内求 出 V S I 理想 输 出 电压 和 实 际输 出电压平均差值 ， 然后根据各相 电流极性将其加到 指令电压中进行补偿 ； 无死 区控制策略是根据 电流 换流特 性 ， 调整 P WM策 略实 现 的 ， 实 现较复 杂 。 对 于死 区 补 偿 方 法 ， 死 区 时 间 是 通 过 离 线 测 量 或在线估算求得 ； 但是电流极性 检测是主要 问题 ， 因为电流极性检测不准会使补偿 电压成为扰 动电压。低 频时 ， 由于 P WM 噪声 、 零 电流箝位 现 象 、 电流穿越零点的速度等 ， 精确检测电流穿越零点 非常困难， 若采用硬件方法检测电流极性 ， 往往存在 检测的滞后以及 A D转换精确度 ， 因此 一般采 用修正或估算的方法 。 川 ， 或者避 开电流极性检 测 ， 在同步旋转坐标系上进行在线补偿 。 本文在详细分析死区效应和零电流箝位效应的 基础上 ， 发现零 电流箝位效应产生 的一个主要原 因 是在 S V P WM周期 内， 2个非零空 间电压矢量作用 时 间同时小 于 2倍 死 区时 间致使 实 际非零 空 间电压 矢量作用效果为零 ； 为有效抑制零电流箝位现象 ， 削 弱电流低频谐波 ， 且避免电流极性精确检测的困难 ， 提出了一种简单易行的对非零空间电压矢量作用时 间进行补偿的死区补偿方法 。 1 VS I死 区效应分析 1 1 VS I 死 区效应 对输 出 电压 电流 的 影响 V S I 实际死区时间 由人为设定死 区时间 、 逆 变器开关延迟时间、 I G B T饱和压降和续流二极管前 向压降等因素等效的死 区时间构成。图 1( a ) 是三 相 V S I 的基本配置 ， 在 里 ， a 相桥臂上下管 Q 和 Q 均关断 ， 此时输出电压 由相 电流 i 的方 向决定 。 规定电流流人 电机为正 ， 流出为负。图 1 ( b ) I 部分 是 V S I a相桥臂上下管相对理想驱动信号的实际开 关信号 ； 图 1 ( b )I I 部分反映的是 V S I a 相实际输 出 端 电压与 a 相电流极性 的关系 ， 阴影部分是电压误 差 。 由于 死 区原 因 ， 相 电流 为正 时 ， V S I a相输 出 端 电压减少 ， 相电流为负时 ， V S I a 相输出端电压 增 加 V d 。V S I a 相 输 出端 电压 误差 I a 为 = s i g n ( i 。 ) ， ： 孕 ， c ， s i g n ( i ) = 1 i 0 f ， ， 【 一1 ， i 0， i h0， i 0。 ( 2) 式中 i 、 i 为 b相和 c 相电流。 由式 ( 1 ) 、 式 ( 2 ) 得 V S I 施加 到 电机 a 、 b 、 C三相 的相 电压误 差 和 ， 分别为 ， ， 一 一