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抑制共模电压的双逆变器SVPWM调制策略

2023-12-30 来源:乌哈旅游
第50卷 第6期 'I}籼 Vo1.5O.No.6 2017拒 6月 MICROMOTORS Jun.2017 抑制共模电压的双逆变器SVPWM调制策略 邹存芝,朱佳梅 (哈尔滨石油学院信息工程学院,哈尔滨150028) 摘要:与传统星接绕组电机驱动系统相比,采用双逆变器供电的开放绕组电机驱动系统具有高母线电压利用率、 更好的容错能力等优点,在电动汽车、电力牵引等领域具有良好的应用前景。但由于三相绕组中性点被拆开,导致 系统中存在潜在的零序电流问题,零序电流会增加逆变器容量和系统损耗,甚至使系统无法运行。为消除系统零序 电流,本文提出采用不产生共模电压的开关组合进行SVPWM调制,从而抑制系统的共模电压以及由此引起的零序 电流。最后通过仿真和实验验证了这种方法的可行性。 关键词:开放绕组电机;双逆变器;共模电压;SVPWM 中图分类号:TM464 文献标志码:A 文章编号:1001—6848(2017)06—0069-05 Common-mode Voltage Suppressed SVPWM Strategy for Dual Two..1evel Inverters ZOU Cunzhi,ZHU Jiamei (Institute ofInformation Engineering,Harbin Institute ofPetroleum,Harbin 150028,China) Abstract:Compared with traditional star connected winding motor,open-end winding motor fed by the duel inverter has the advantages of high voltage rate,better fault tolerance,and SO on,and therefore it has a good application prospect in the field of electrical vehicle,electrical traction.But since the neutral point of three winding is apart,the potential zero—sequence current in the open—end winding drive system has to be consid— ered since it causes high capacity and system loss.In order to eliminate the system zero—sequence current,a SVPWM modulation using the switch combination without common・-mode voltage was investigated in this pa・- per,and the common-mode voltage and zero—sequence current can be suppressed.Finally,the method was verified by simulations and experiments. Key words:open—end winding motor;dual two—level inverter;common—mode voltage;SVPWM 0 引 言 流母线和隔离母线双逆变器。隔离母线双逆变器采 用两个隔离的电源供电,系统复杂,成本增加,但 随着多电平技术的应用和发展,国外学者提出 是可以将三相电流之和钳位到零,系统不存在零序 了双逆变器拓扑结构,并且将这种拓扑结构应用到 电流。共直流母线双逆变器仅需要一个直流电源, 电机驱动领域中 1-4]。采用双逆变器供电的开放绕组 结构简单,但是存在潜在的零序电流问题,零序电 (Open—end Winding,OEW)电机系统,是一种三电平 流会增加逆变器的容量和系统损耗,甚至导致系统 驱动拓扑,因此直流母线电压利用率比传统采用单 无法运行 11-15]。 端逆变器供电的星接绕组电机系统提高一倍,同时 为了抑制共母线双逆变器供电的开放绕组驱动 克服了钳位型三电平逆变器电容电压平衡等问题 J。 系统的零序电流,文献[16]提出了增加辅助开关, 并且开放绕组电机各相电流可以独立控制,系统容 但是开关管数量和控制难度都要增加。文献[17 18] 错能力提高,在电动汽车、电力牵引、风力发电系 通过在SVPWM调制时重新分配电压矢量的有效作 统等领域具有很好的应用前景 。。。。按照两个逆变 用时间以达到共模电压的动态平衡,但是这种方法 器的直流母线是否连接在一起,双逆变器分为共直 并不能完全消除共模电压,对零序电流的抑制效果 收稿日期:2016—08—31,修回日期:2016—09—12 基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12543039) 作者简介:邹存芝(1980),女,讲师,硕士研究生,研究方向为电机调速与控制、传感与检测技术。 ・7移・ ,It 50卷 有限。 本文通过分析双逆变器空间电压矢量的特点, 得到不产生共模电压的矢量组合,提出一种采用不 产生共模电压开关组合的SVPWM调制策略,这种 方法理论上不会产生共模电压,从而可以有效抑制 系统零序电流,并通过仿真和实验对该方法的可行 性进行验证。 1双逆变器的工作原理 1.1双逆变器的拓扑结构 共直流母线双逆变器供电的开放绕组电机系统 拓扑如图l所示。两个两电平逆变器VSI1和VSI2 的直流母线并联,分别从两端给电机绕组供电。通 常每个桥臂上下管的开关信号互补,分别用s l、s。I、s ¥b2和sc2来表示桥臂0l、bl、cl、a2、b2 和c:上功率管的开关状态:等于“1”时表示上管导 通下管关断;等于“0”时表示上管关断下管导通。 s一啦一n.lI  审 1I l /,  m\ 、; ln2 l } .Satld ̄} s slc -}: ~ \、一,/ s  1,  lu2 c2 Open-cad VSIl winding 8c motor vSI2 图1双逆变器的拓扑结构 1.2双逆变器的电压矢量 每个两电平逆变器可以产生8个电压矢量,双 逆变器的电压矢量如图2所示。其中括号内分别采 用(s。。 。s。 )和(s sb2 s。:)表示开关状态。 图2两电平逆变器的电压矢量分布 双逆变器产生的电压矢量可以由两个逆变器的 电压矢量之差来合成,一共有8 8=64种组合,合 成电压矢量分布如图3所示。双逆变器的19个电压 矢量的空间分布与三电平逆变器相同,其中1个零 矢量位于原点O,18个非零矢量分别位于三个等边 六边形ABCDEF、HJLNQS、GIKMPR的顶点,幅值 分别为2Voc/3、2 vdc/3和4Vdc/,3。 1.3双逆变器的共模电压分析 对于共母线双逆变器,共模电压表现为三相绕 组中的零序电压: 口0=( al丑2+ blb2+ le2)/3= ( a10一Va20+ b1o—Vb20+ 。l0一 。20)/3 (1) 图3双逆变器的空间电压矢量分布 将双逆变器的64种开关组合分别代入到式(1) 中,共母线双逆变器产生的共模电压如表1所示。 其中,有20种开关组合产生的共模电压为零,它们 对应的电压矢量位于六边形HJLNQS顶点和原点, 因此,理想情况下运用这2O个开关组合进行SVP— WM调制将不会带来共模电压。 表1 开关组合对应的共模电压 开关组合 共模电 压Ⅱ (78 ) 。 (74 )(76 )(72 )(58 )(38 )(18 ) 2v, /3 (75 )(73 )(54 )(34 )(14 )(71 )(56“ 一Vdc/3 (36 )(52 )(32 )(48 )(16 )(12 )(68 )(28 ) (88 )(77 )(66 )(55 )(44 )(33 )(22 )(11 )(53 )(35 ) (15 )(51 )(13 )(31 )(46 )(64 )(24 )(42 )(26 )(62 ) (57 )(37 )(45 )(43 )(41 )(17 )(65 )(63 ) (25 )(23 )(84 )(61( 47 )(  )(2l )(86 )(82 )67 )( 27 )( 85 )( 83 )( 81) 2 cX  ̄  /3/3 .(87 ) I 2 双逆变器的SVPWM(DI—SVPWM) 策略 双逆变器的64种开关组合使其具有灵活的调制 6期 邹存芝等:抑制共模电压的双逆变器SVPWM调制策略 ・7l・ 策略,3个六边形ABCDEF、HJLNQS和GIKMPR上 的电压矢量均可用于实现SVPWM调制。然而根据 表2电机参数 参数 额定功率P /w 额定转速rtN/r/min 参数值 600 20o0 上面的分析,当采用六边形HJLNQS上的电压矢量 进行SVPWM调制时,双逆变器不会产生共模电压。 将SVPWM算法应用于六边形HJLNQS中,矢量平面 分为I~VI共六个扇区,如图4所示,各扇区的开 额定电流 /A 额定转矩 /Nm 2.5 3 关信号波形描绘在图中。 图4采用HJLNQS矢量的SVPWM合成原理 若定义调制系数为 m=I l/ 。 (2) 式中, 为参考电压,当采用六边形HJLNQS上的 电压矢量进行SVPWM调制时可获得的最大输出电 压矢量幅值为该六边形的内切圆半径,即l U I = ,最大调制系数为1。而传统两电平逆变器 SVPWM的最大调制系数为1 ,因此,采用无共 模电压DI—SVPWM调制时,双逆变器的直流母线电 压利用率为两电平逆变器的 倍。 3仿真与实验 3.1双逆变器调制策略的仿真 双逆变器供电的开放绕组永磁同步电机矢量控 制系统的控制结构如图5所示,仿真模型所用电机 的参数如表2所示,且三相反电势正弦对称,仿真 模型中的双逆变器采用理想IGBT器件,直流母线电 压为 图5 开放绕组永磁同步电机矢量控制系统 极对数 3 绕组电阻R./I ̄ 3 绕组自感L/mH 8.5 绕组互感 /mH 0.9 转动惯量∥(kg・m ) 4.4×l0一 采用无共模电压DI.SVPWM的仿真结果如图6 所示。折合到转子轴系的转动惯量为2.5×10 (kg ・nl ),转速给定为2000 r/min,电机空载起动, 0.25 s时突加3 Nm负载。图6(a)为a相绕组电压, 电机相电压具有0和±300 V三种电平;系统的双逆 变器采用理想的功率开关器件,并且调制时选用 平面上的电压矢量,开关死区时间为零,系统的共 模电压近似为零,如图6(b)所示;由于电机三相反 电势正弦对称,反电势的零序分量为零,因此电机 的零序电流近似为零,如图6(c)所示,相电流正弦 对称,无其他谐波成分。 300 >.0 ≈ 一300 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 t/s (a)a相电压  .0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 t/s (c)a相电流、零序电流分析 ・72・ 徽电机 50卷 H“『_Ill】IIII O r“rI (tI1 1l 流l 波分析 图6无共模电压DI—SVPWM仿真结果 3.2 系统实验 采用32位DSP TMS320F28335和FPGA芯片搭 建系统实验平台,其中DSP采集电机绕组电流和 转子位置,主要完成电机的转速闭环控制、dqO坐 标系下的电流闭环控制,以及双逆变器的SVPWM 算法..DSP输ff{舣逆变器1 2路开关信号的占空比 到FPGA中,住FPGA tf1完成肝火信号的PWM调 制 、实验所川的电机参数 仿真时相同,如表2, 实验结果如 7所刀 。}冬1 7(a)为采用无共模电压 DI—SVPWM调制的PWM波形。 7(b)为低通滤波 后得到的马鞍形SVPWM波 电机的相电压及其低 通滤波后的波形分别如罔7(c)干¨图7(d),开放绕 组卡H电压呈现为0和±V 3种【也平,使得相电压的 基波分量幅值比譬接绕组电机提高。图7(e)为起 动过程的转速和q轴电流波形,电机运行平稳。图 7(f)为_卡l】电流和零序电流波形,零序电流接近于 零,可见采用所提的双逆变器SVPWM方法能够抑 制系统的零序电流。 _\八八 厂 八 八八 .几 。 -厂、舢 Time f5ms1 ̄】 难 ; 昌 = .:s 一 …. 一 一…… ~ 一…j Time【2ms/格】 ㈩ I 压波形 堙 > 里 Time【2ms/格】 低通滤波后的柑jl 乐 一谁_删dlS∞ 一难 。 rr[£ l ‘}}I}TI rIu,‘ ^L ^ LJ …~^… J~…… j Time【1 s/格】 (r)转速干I1转钶j电流 蝗 已 .S t(5ms/格) n H1lu流手II零序IU流 图7 开放绕组永磁同步电机实验结果 4 结 语 本文分析了双逆变器的工作原理和空问电压矢 量,提出了尤共模电压DI—SVPWM调制策略,并结 合歼放绕组永磁同步电机进行了仿真和实验,结果 表明,所提出的无共模电压DI—SVPWM算法能够有 效抑制系统的共模电压和零序电流。 参考文献 [1] Kim J,Jung J,Nam K.Dual—inverter Control Strategy|br High— speed Operation of EV lndu(:/ion Motors[J].IEEE Transactions nu Industrial Electroni(’S.2004,51(2):312-320. 6期 邹存芝等:抑制共模电压的双逆变器SVPWM调制策略 [1I]Somani A,Gupta R K,Mohapatra K K,et a1.On the Cause ofCir- culating Currents in PWM Drives wih Open—t・end Winding AC Ma・- [2]Welchko B A,Nagashima J M.The Influence of Topology Selection on the Design of EV/HEV Propulsion Systems[J].IEEE Power E— lectrenics Letters,2003,1(2):36—40. chines[J].IEEE Transactions on Industiral Electonircs,2013,60 (9):3670-3678. [3]Corzine K A,Sudhoff S D,Whitcomb C A.Performance Character- istics of a Cascaded Two-level Converter[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,1999,14(3):433—439. [12]Baiju M R,Mohapatra K K.A Dual Two—level Inverter Scheme With Common Mode Voltage Elimination for an Induction Motor Drive[J]. IEEE Trnsactiaons on Power Electronics,2004,19(3):794-805. [4]Rossi C,Grandi G,Corbelli P,et a1.Generation System for Series Hybrid Powertrain Based on Dual Two—level Inverter[C].Bareelo— na:The 13th International European Power Electronics Conference nd Exhibitaion,2009:1—10. [13]Somasekhar V T,Gopakumar K,Shivakumar E G,et a1.A Space Veetor Modulation Scheme for a Dual Two Level Inverter Fed all Open—end Winding Induction Motor Drive for the Elimination of Zero [5]Somasekhar V T,Baiju M R,Gopakumar K.Dual Two-level Invert— Sequence Currents[J].European Power Electronics and Drives Jour- er Scheme for all Open—end Winding Induction Motor Drive with a nal,2002,12(2):26-36. Single DC Power Supply and Improved DC Bus Utilization[J].IEE [14]Shivakumar E G,Somasekhar V T,Mohapatra Krushna K,et a1.A Proceedings—Electirc Power Applieatinas,2004,151(2): Multi Level Space Phasor Based PWM Strategy for an Open—end 230-238. Winding Induction Motor Drive Using two Inverte ̄with Diferent DC [6] Sanduleseu A P,Meinguet F,Kestelyn X,et a1.Flux-weakening Link Voltages[C].4th IEEE International Conference on Power E— Operation of Open・-end Winding Drive Integrating a Cost-・effective lectronics and Drive Systems,2001:169—175. HigIl—powerCharger[J].IET Electr.Syst.Transp.,2013,3(1): [15]Mohapatra K K,GopakumarK,SomasekharV T,et a1.A Harmonic lO_21. Elimination and Suppression Scheme for an Open・-end Winding In-- [7] Jones M,Patkar F,Levi E.Carrier-based Pulse—width Modulation duction Motor Drive[J].IEEE Trans.Ind.Electron.,2003,50 Techniques for Asymmetircal Six—phase Open-end Winding Drives (6):1187—1198. [J].IET Eleetr.Power App1.,2013,7(6):441—452. [16]Somasekhar V T,Gopakumar K,Pittet A,et a1.PWM Inverter [8] Bodo N,Levi E,Jones M.Investigation of Carrier—Based PWM Switching Strategy ofr a Dual Two・-level Inverter Fed Open・・end Wind・- Techniques for a Five Phase Open—End Winding Drive Topology ing Induction Motor Drive With a Switched Neutrla[J].IEE Pro・ [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(5): ceedings-Electric Power Applications,2002,149(2):154・160. 2054-2O65. [17]Somasekhar V T,Srinivas S,Kumar K K.Effect of Zero—vector [9] Mondal G,Sivakumar K,Ramchand R,et a1.A Dual Seven.Level Placement in a Dua1.-inverter Fed Open・・end Winding Induction Motor Inverter Supply for an Open—End Winding Induction Motor Drive Drive Wiht Alternate Sub—hexagonal Center PWM Switching Scheme [J].IEEE Transactions on Industirla Electronics,2009,56(5): [J].IEEE Trnasactions on PowerElectronics,2008,23(3):1584— 1665—1673. 1591. [10]Welchko B A,Lipo T A,Jahns T M,et a1.Fault Tolerant hTree— [18]Somasekhar V T,Srinivsa S,Kumar K K.Effect of Zero-vector phase AC Motor Drive Topologies:A Comparison of Features,Cost, Placement in a Dual Inverter Fed Open-・end Winding Induction・-motor nad Limitations[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004, Drive With a Decoupled Space—vector PWM Strategy[J].IEEE 19(4):1108.1116. Transactions on Industirla Electronics,2008,55(6):2497-2505. (上接第37页) [3] 洪国慧.变频调速技术在风机泵类负载电机中的节电设计及测 5 结 语 定[J].电子元器件应用,2008(10):78-80. [4] 吴顺根.永磁调速装置的节能性能试验[J].上海电力学院学 永磁体厚度、气隙厚度和铜盘厚度是影响盘式永磁耦合器转矩 报,2009,25(3):261-263. 输出特性的主要因素,本文建立了盘式永磁耦合器转矩解析模型, [5] 张泽东.永磁磁力耦合器设计与关键技术研究[D].沈阳:沈 对转矩特性进行了参数化分析。设计了一台200 kW、4000 r/min永 阳工业大学,2012. 磁盘式耦合器,并建立了3D有限元模型,仿真结果验证了本文分析 [6] 张宏刚.新型节能调速设备永磁磁力耦合调速器的原理及应用 结论的正确性,为盘式永磁耦合器的优化设计提供了理论依据。 [J].管理论丛与技术研究专刊,2009:552-553. 参考文献 [7] Wang Jian,Lin Heyun,Fang Shuhua,et a1.A General Anal ̄ical Model of Permanent Magnet Eddy Current Couplings[J].IEEE [1] J F Charpentier.G Lemarquand.Study of Permanent—Magnet Cou— Transactions on Magnetics,2014,50(1). plings with Progressive Magnetization Using an Anal ̄ieal Formula- [8] 谢德馨.工程电磁场数值分析与综合[M].北京:机械工业出 tion[J].IEEE Transactions on Magnetics,1999(5):4206—4217. 版社,2008:99。109. [2] 张永清,邢德安,张家敦.变频器在风机泵类负载中的节能效 [9] 冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论[M].北京:高等教育出版 果及应用[J].山东建材学院学报,1998(4):376-379. 社.2000:151.152. 

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