1 引言
消除電網(wǎng)諧波污染、提高功率因數(shù)是電力電子領(lǐng)域研究的重大課題。隨著功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的進(jìn)步，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制(pwm)控制為基礎(chǔ)的各類(lèi)變流裝置，如變頻器、逆變電源等。將pwm技術(shù)引入整流器的控制之中，使整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且可運(yùn)行于單位功率因素基礎(chǔ)上的能量雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了“綠色電能變換”。
空間矢量pwm(svpwm)控制策略是依據(jù)變流器空間電壓(電流)矢量切換來(lái)控制變流器的一種控制策略，其主要思路主要在于拋棄了原有的正弦脈寬調(diào)制(spwm)，而采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電壓利用率，同時(shí)降低電流的諧波含量。
2 空間電壓矢量控制策略
圖1 三相電壓型pwm整流器主電路拓?fù)?/P>
定義圖1中的三相整流橋開(kāi)關(guān)函數(shù)sa,sb,sc為:
(1)
其中k ＝ a、b、c。
三相電壓空間矢量描述了三相pwm整流器交流側(cè)電壓在復(fù)平面上的空間分布。
(2)
式中sa,sb,sc為三相單極性二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)。由
中開(kāi)關(guān)組合可得相應(yīng)的三相pwm整流器交流側(cè)的電壓值。
如果νa,νb,νc是角頻率為ω的三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓，那么矢量v的模即為相電壓的峰值，且以角頻率ω按逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量v在三相坐標(biāo)系上的投影就是對(duì)稱(chēng)的三相正弦量。
圖2 復(fù)平面中的基本矢量分布
因此，空間矢量調(diào)制就是利用三相橋能輸出的8個(gè)電壓矢量來(lái)合成指令電壓矢量，從圖2中可以看到，8個(gè)電壓矢量是間斷的，而參考電壓矢量是連續(xù)的，但是如果開(kāi)關(guān)頻率足夠高，則可以以一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的平均值為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行等效，這是空間矢量調(diào)制的基本原理。
3 svpwm的簡(jiǎn)化算法實(shí)現(xiàn)
3.1 矢量作用時(shí)間的簡(jiǎn)化算法
在實(shí)際的計(jì)算中，指令矢量ｖ＊一般給定為兩相靜止坐標(biāo)系下矢量ｖ＊在a,β坐標(biāo)軸上的分量ua,uβ。通過(guò)反正切、正弦函數(shù)才能得到夾角θ的大小以及矢量的作用時(shí)間，但這種方法的實(shí)現(xiàn)需要大量的快速的運(yùn)算，對(duì)控制器的硬件要求很高。本文采用了一種簡(jiǎn)化計(jì)算的方法，根據(jù)指令電壓的ua,uβ直接計(jì)算空間矢量在各個(gè)扇區(qū)的作用時(shí)間。
指令電壓矢量ｖ＊在扇區(qū)i時(shí)，如圖2所示。其中矢量的作用時(shí)間可由下式計(jì)算:
(4)
(5)
令線性調(diào)制區(qū)指令矢量│ｖ＊│max=1，即電壓空間矢量形成六邊形的內(nèi)切圓為單位圓，則
，再將
，代入式(4)、(5)得:
(6)
(7)
指令電壓矢量ｖ＊在扇區(qū)ⅱ時(shí)，由矢量v2,v3來(lái)合成指令矢量，此時(shí)矢量作用時(shí)間的計(jì)算方法同在扇區(qū)i中有所區(qū)別，引入輔助計(jì)算量a,b，如圖3所示:
圖3 第二扇區(qū)矢量的合成
根據(jù)正弦定律可得:
(8)
(9)
由圖可知，v2,v3的作用時(shí)間可用a,b來(lái)表示:
(10)
(11)
將
，
，
，
代入式(8)、(9)，再由式(10)、(11)可得:
(12)
(13)
用同樣的方法可以計(jì)算出其他扇區(qū)中矢量的作用時(shí)間(見(jiàn)附表)，計(jì)算的結(jié)果同扇區(qū)ⅰ,ⅱ的計(jì)算結(jié)果類(lèi)似。定義如下輔助參數(shù):
(14)
附表 簡(jiǎn)化的合成算法
其中，t1,t2分別為該扇區(qū)中電壓矢量的作用時(shí)間。
3.2 扇區(qū)的確定
從上述的分析可知，只要確定指令電壓矢量ｖ＊所在的扇區(qū)即可通過(guò)查表獲得合成矢量的作用時(shí)間。區(qū)間的劃分如圖4所示:
圖4 靜止坐標(biāo)系下扇區(qū)的劃分
本文采用的扇區(qū)區(qū)分的方法通過(guò)修改clark反變換使變換后的三相值更易于判斷出指令電壓矢量所在的扇區(qū)，而且最多只需要三次比較即可獲得扇區(qū)號(hào)。將clark反變換作如下修改:
(15)
圖5 修改后的扇區(qū)劃分
根據(jù)修改后的clark反變換，可以得到圖5。根據(jù)變換后的三相值，通過(guò)如圖6中的流程即可確定指令電壓矢量的扇區(qū)號(hào)。
圖6 扇區(qū)確定流程
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
主控制芯片采用dsp56803，該芯片是freescale dsp56800系列面向于控制應(yīng)用開(kāi)發(fā)的16位dsp處理器。它將數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)和微控制器(mcu)集合于一身，使數(shù)字信號(hào)控制器(dsc)既有數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)的高速實(shí)時(shí)運(yùn)算能力，又具備同微控制器(mcu)一樣的豐富的外部設(shè)備，具有三對(duì)互補(bǔ)輸出的pwm口線，并可方便配置互補(bǔ)輸出死區(qū)時(shí)間。
圖7 控制結(jié)構(gòu)圖
圖7所示系統(tǒng)采用雙閉環(huán)pi控制，電壓外環(huán)用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓，同時(shí)電壓環(huán)pi輸出為指令電流大小，電流環(huán)用于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中交流側(cè)相電壓為40v，主回路電感為1mh，直流側(cè)支撐電容為4700，整流和逆變的直流側(cè)電壓分別為160v和130v。開(kāi)關(guān)頻率為5khz。圖8、9中ch1為交流側(cè)電壓波形，ch2代表電流波形，ch3代表直流側(cè)電壓波形。
圖8 整流波形
圖9 逆變波形
5 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種簡(jiǎn)化的空間電壓矢量(svpwm)的控制算法，同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。為驗(yàn)證該控制策略的正確性，設(shè)計(jì)了一臺(tái)8kw的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，分別進(jìn)行了整流和逆變的實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)波形上可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的空間矢量控制策略，能很好的實(shí)現(xiàn)pwm整流器的雙向能量流動(dòng)，接近功率因素的±控制。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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