一种基于SVPWM的三相逆变器无死区控制方法

摘要

本发明提出一种基于SVPWM的三相逆变器无死区控制方法，对三相电压型逆变器控制无死区问题进行分析研究，优化目标为使三相电压型逆变器无死区。运用三相电压型逆变器SVPWM控制方法，提出了通过控制过零扇区脉冲序列、常规扇区脉冲序列、过渡扇区脉冲序列的策略，考虑其对逆变器无死区效应控制效果和效率，提出其为基于SVPWM的无死区控制策略。此外，本发明考虑实际电力系统中，低次谐波影响较大，高次谐波影响较小，而三相电压逆变器无死区可以避免低次谐波的影响，更对实际电力系统有效。

主权项

一种基于SVPWM的三相逆变器无死区控制方法，其特征在于，以及定义上桥臂开关S_A、S_B和S_C，其中，S_A、S_B和S_C分别为绝缘栅双极型晶体管V₁、V₃和V₅；相应的下桥臂开关为S_A′、S_B′和S_C′，其中，S_A′、S_B′和S_C′分别为绝缘栅双极型晶体管V₂、V₄和V₆；并且，三相逆变器中桥臂开关的单极性二值逻辑开关函数S_m按以下公式取值：三相逆变器的工作状态采用三相电压空间矢量(S_AS_BS_C)表示，包括矢量U₀(000)、U₁(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄(100)、U₅(101)、U₆(110)、U₇(111)；其中矢量U₀、U₇零矢量；包括以下步骤：步骤1，根据三相电流在各个扇区的极性得出无死区控制时的三相逆变器正常工作时的各个扇区的矢量序列以及对应的开关及二极管状态；具体是：依据三相电流在各个扇区的极性状态，对于A相，将A相桥臂分解为两个相互关联的单元；D₁、D₄是反并联二极管；晶体管V₁和二极管D₄串联；晶体管V₄和二极管D₁串联；在Ⅰ、Ⅱ扇区，i_A＞0，则应控制晶体管V₁导通，或者二极管D₄导通，在Ⅲ扇区，电流由正变成负，应控制晶体管V₄导通，二极管D₄导通，在Ⅳ、Ⅴ扇区，i_A＜0，应控制晶体管V₄导通，二极管D₁导通，在Ⅵ扇区，电流由负变成正，应控制晶体管V₁导通，二极管D₁导通；同理，对于B相，在Ⅲ、Ⅳ扇区，i_B>0，则应控制晶体管V₃导通，或者二极管D₆导通，在Ⅴ扇区，电流由正变成负，应控制晶体管V₆或者二极管D₆导通，在Ⅰ、Ⅵ扇区，i_B<0，应控制晶体管V₆导通或者二极管D₃导通，在Ⅱ扇区，电流由负变成正，应控制晶体管V₃导通或者二极管D₃导通；同理，对于C相，在Ⅴ、Ⅵ扇区，i_C>0，则应控制晶体管V₅导通，或者二极管D₂导通，在Ⅰ扇区，电流由正变成负，应控制晶体管V₂或者二极管D₂导通，在Ⅱ、Ⅲ扇区，i_C<0，应控制晶体管V₂导通或者二极管D₅导通，在Ⅳ扇区，电流由负变成正，应控制晶体管V₅导通或者二极管D₅导通；步骤2，根据开关状态和二极管状态得出各扇区序列，所述扇区序列包括电流过零扇区序列、常规扇区序列、过渡扇区序列，通过对这些序列的控制实现三相逆变器的无死区控制，即当流过逆变器一个桥臂的电流方向一定时，只需要控制该桥臂中一个IGBT的开关状态就可以控制整个桥臂的输出电压，从而避免上下桥臂发生直通，实现无死区控制；所述步骤2中，对于电流过零扇区序列，该区域的某相控制序列恒为0或1，恒为0时，只给下桥臂的开关管发脉冲，没有发生直通条件；恒为1时，只给上桥臂发脉冲，没有发生直通条件；具体是：对于A相，首先对于过零扇区序列，Ⅲ扇区，A相电流从正到负过渡，Ⅲ扇区的非零矢量为U₂(010)及U₃(011),限制该扇区零矢量为U₀(000)，故该区域A相的控制序列恒为0，代表只给晶体管V₄发脉冲，当i_A＞0时，电流经续流二极管D₄续流，二极管D₄导通，电流逐渐减小为零；然后给晶体管V₄发脉冲，当i_A＜0时，电流经晶体管V₄导通；因而在该扇区，对A相桥臂来说，可以根据序列仅给A相下桥臂晶体管V₄发脉冲，此时，A相矢量信号始终为零，晶体管V₁没有导通条件，A相桥臂不会发生直通；Ⅵ扇区，A相电流从负到正过渡，Ⅵ扇区的非零矢量为U₄(100)及U₅(101),限制该扇区零矢量为U₇(111)，故该区域A相的控制序列恒为1，代表只给晶体管V₁发脉冲，当i_A＜0时，电流经续流二极管D₁导通续流；当i_A＞0时，电流经晶体管V₁导通；因而在该扇区，对A相桥臂来说，可以根据序列仅给A相上桥臂晶体管V₁发脉冲，此时，晶体管V₄没有导通条件，A相桥臂不会发生直通；同理，可以分析B、C相电流在各个过零扇区的零矢量及开关序列的限定情况；对B相，在第Ⅱ扇区，限制该扇区零矢量为U₇(111)，根据序列仅给晶体管V₃发脉冲；在第Ⅴ扇区，限制该扇区零矢量为U₀(000)，根据序列仅给晶体管V₆发脉冲；对C相，在第Ⅰ扇区，限制该扇区零矢量为U₀(000)，根据序列仅给晶体管V₂发脉冲；在第Ⅳ扇区，限制该扇区零矢量为U₇(111)，根据序列仅给晶体管V₅发脉冲；通过以上序列控制，对于各相在其相应的过零扇区没有发生直通的条件，实现对过零扇区无死区控制；其次，对于常规扇区序列，Ⅰ扇区，开关序列为U₄(100)、U₆(110)、U₀(000)，晶体管V₁的控制序列为1、1、0，晶体管V₄恒为零，代表不给下桥臂晶体管V₄发脉冲，只给上桥臂晶体管V₁发脉冲；Ⅱ扇区开关序列为U₆(110)、U₂(010)、U₇(111),晶体管V₁的控制序列为1、0、1,晶体管V₄恒为零，代表不给晶体管V₄发脉冲，只给桥臂晶体管V₁发脉冲，A相电流i_A＞0，在A相控制序列为1时，晶体管V₁导通电流；在A相控制序列为0时，即零矢量U₀作用时，续流二极管D₄导通电流；故在该区域内，对A相桥臂来说，可以根据序列仅给A相上桥臂晶体管V₁发脉冲，此时，晶体管V₄没有导通条件，A相桥臂不会发生直通；Ⅳ、Ⅴ扇区，Ⅳ扇区，开关序列为U₃(011)、U₁(001)、U₇(111)，晶体管V₁恒为零，晶体管V₄的控制序列为1、1、0，A相电流i_A＜0，不给晶体管V₁发脉冲，只给晶体管V₄发脉冲；Ⅴ扇区，开关序列为U₁(001)、U₅(101)、U₀(000)，A相电流i_A＜0，不给晶体管V₁发脉冲，只给晶体管V₄发脉冲；A相控制序列为0时，晶体管V₄导通电流；故在该区域内，对A相桥臂来说，可以根据序列仅给A相下桥臂晶体管V₄发脉冲，此时，晶体管V₁没有导通条件，A相桥臂不会发生直通；同理，可以分析B、C相电流在常规扇区时各个开关器件的导通情况；对B相，在Ⅲ、Ⅳ扇区，根据序列仅给晶体管V₃发脉冲；在Ⅵ、Ⅰ扇区，根据序列仅给晶体管V₆发脉冲；对C相，在Ⅰ、Ⅱ扇区，根据序列仅给晶体管V₂发脉冲；在Ⅳ、Ⅴ扇区，根据序列仅给晶体管V₅发脉冲；通过以上序列控制，对于各相在其相应的常规扇区没有发生直通的条件，实现对常规扇区无死区控制；再次，对于扇区过渡点序列，Ⅵ、Ⅰ、Ⅱ扇区，A相下桥臂功率器件晶体管V₄的脉冲序列恒为0，不给晶体管V₄发脉冲，即从Ⅰ扇区过渡到Ⅱ扇区时，晶体管V₄没有触发脉冲，不会导通，上下桥臂不能发生直通；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ扇区，A相上桥臂功率器件晶体管V₁的脉冲序列恒为0，此时不给晶体管V₁发脉冲，即从Ⅲ扇区过渡到Ⅳ扇区，从Ⅳ过渡到Ⅴ扇区时，晶体管V₁没有脉冲，不会导通，上下桥臂不能发生直通，不会产生死区；而电流i_A从Ⅱ扇区过渡到Ⅲ扇区时，限制Ⅱ扇区最后一个矢量序列必须是U₂(010)，代表A相上桥臂晶体管V₁已经收到关断脉冲，这样就保证了A相上桥臂在进入第Ⅲ扇区前已经关断了，为第Ⅲ扇区中A相下桥臂的导通准备了时间，补偿了开关器件关断时间大于开通时间的延长差，避免了上下桥臂发生直通；电流i_A从Ⅴ扇区过渡到Ⅵ扇区时，限制Ⅴ扇区最后一个矢量序列必须是U₅(101)，代表A相下桥臂已经收到关断脉冲，这样就保证了A相下桥臂在进入第Ⅵ扇区前已经关断了，为第Ⅵ扇区中A相上桥臂的导通准备了时间，避免了上下桥臂发生直通；同理，可以分析B、C相在各个扇区间过渡时的矢量序列限制；综合三相对各个扇区提出的限制条件为：Ⅰ扇区最后一个矢量状态必须是U₆，Ⅱ扇区最后一个矢量状态必须是U₂，Ⅲ扇区最后一个矢量状态必须是U₃，Ⅳ扇区最后一个矢量状态必须是U₁，Ⅴ扇区最后一个矢量状态必须是U₅，Ⅵ扇区最后一个矢量状态必须是U₄；综上，采用上述的脉冲序列，可以保证在过零扇区、常规扇区、各扇区过渡的时间过程上下桥臂不发生直通，实现扇区的平稳过渡，避免了因为死区效应对波形的畸变，从而实现基于SVPWM的无死区控制。