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基于STS—SVM技術(shù)的級(jí)聯(lián)型多電平變流器

作者: 時(shí)間:2007-03-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量調(diào)制(STS—SVM)技術(shù)是一種高品質(zhì)的新型調(diào)制技術(shù)。將其應(yīng)用在級(jí)聯(lián)型多電平變流器中可以更充分地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。在簡(jiǎn)要介紹了STS—SVM技術(shù)在級(jí)聯(lián)型多電平變流器中的實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上分析了其技術(shù)特點(diǎn),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞:空間矢量調(diào)制;錯(cuò)時(shí)采樣;多電平變流器O 引言空間矢量脈寬調(diào)制(SVM)技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的一種開(kāi)關(guān)調(diào)制策略,具有線性調(diào)制范圍寬,輸出諧波小,易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)??臻g矢量調(diào)制本質(zhì)上是一種規(guī)則采樣的脈寬調(diào)制,采樣頻率決定其輸出的諧波品質(zhì)[1]。由于大功率器件(如GT0等)的開(kāi)關(guān)頻率普遍較低,因而限制了SVM技術(shù)在大功率電力電子裝置中的應(yīng)用。錯(cuò)時(shí)采樣SVM(STS—SVM)技術(shù)是一種高品質(zhì)的新型開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)。能夠在較低的開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高的等效開(kāi)關(guān)頻率的效果,具有良好的諧波特性,因而可以適用于大功率電力電子裝置的應(yīng)用場(chǎng)合中中。多電平變流器由于避免了變壓器或電抗器的使用,因而在大功率電力電子裝置的發(fā)展上有更好的前景。級(jí)聯(lián)型多電平變流器在各種多電平變流器中具有使用元器件最少,直流側(cè)均壓容易實(shí)現(xiàn),易于模塊化設(shè)計(jì)和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。因此,將STS—SVM技術(shù)應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型多電平變流器中就可以更充分地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。 1 STS—SVM在級(jí)聯(lián)型多電平變流器中的實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)型多電平變流器[3]采用若干個(gè)低壓PWM變流單元直接級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出。由m個(gè)變流器單元級(jí)聯(lián)而成的多電平變流器的電平數(shù)為(2m+1)。級(jí)聯(lián)型多電平變流器具有下述特點(diǎn): 1)使用的元器件最少,容易實(shí)現(xiàn)電平數(shù)較高的輸出;2)每個(gè)變流器單元的結(jié)構(gòu)相同,便于模塊化設(shè)計(jì)和封裝;3)因?yàn)楦髯兞髌鲉卧g相對(duì)獨(dú)立,所以可以較容易地引入軟開(kāi)關(guān)控制;4)直流側(cè)的均壓比較容易實(shí)現(xiàn);5)各變流器單元的工作負(fù)荷一致。STS—SVM技術(shù)是SVM技術(shù)與多重化、多電平技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。它既可以應(yīng)用于組合變流器中,也可以應(yīng)用在級(jí)聯(lián)型多電平變流器中。它同時(shí)具備了SVM技術(shù)和組合相移SPWM技術(shù)的優(yōu)越性。其調(diào)制原理簡(jiǎn)言之就是將各變流器單元的采樣時(shí)間錯(cuò)開(kāi)。對(duì)于如圖1所示的N級(jí)三相級(jí)聯(lián)型多電平變流器,對(duì)每個(gè)變流器單元的左右橋臂分別進(jìn)行相同幅度調(diào)制比,頻率調(diào)制比下的SVM控制,并使左右橋臂的采樣時(shí)間相互錯(cuò)開(kāi)△t,△t=T/2 (1)式中:T為開(kāi)關(guān)周期。 這就是橋內(nèi)STS—SVM的控制方法。變流器各單元之間則采用橋間STS—SVM控制,相鄰兩個(gè)變流器單元同側(cè)橋臂的采樣時(shí)間相互錯(cuò)開(kāi)△t橋間△t橋間=Ts/2N (2)采用這種控制方法,當(dāng)幅度調(diào)制比M,足夠高時(shí),每個(gè)變流器單元的電壓輸出為三電平。N級(jí)三相級(jí)聯(lián)多電平變流器的相電壓輸出為2N+1電平。由此可見(jiàn),采用STS—SVM技術(shù)后,實(shí)際輸出的電壓波形相當(dāng)于所有橋臂調(diào)制信號(hào)的代數(shù)和。因此,N級(jí)級(jí)聯(lián)型多電平STS—SVM變流器的等效開(kāi)關(guān)頻率提高了2N倍,亦即實(shí)際的采樣點(diǎn)數(shù)目提高了2N倍,與常規(guī)SVM技術(shù)相比各提高了N倍,從而使電壓空間矢量的軌跡更接近于圓形,降低了輸出諧波,改善了輸出波形。需要注意,該結(jié)論的前提是有足夠高的幅度凋制比Mr,因而確切地說(shuō),N級(jí)三相級(jí)聯(lián)多電平變流器的相電壓輸出最高為2N+1電平。當(dāng)Mr小于某臨界值時(shí),由于各橋臂的輸出脈沖都比較窄,有可能相互錯(cuò)開(kāi)而無(wú)法疊加出應(yīng)有的電平數(shù)。以單級(jí)多電平變流器為例,當(dāng)Mr>0.5時(shí),相電壓為三電平,線電壓為五電平;當(dāng)Mr<0 5時(shí),相電壓為二電平而線電壓為三電平。幅度調(diào)制比Mr與輸出電壓電平數(shù)的具體關(guān)系限于篇幅不再贅述。 2 STS—SVM與其他調(diào)制方式在三相級(jí)聯(lián)型多電平變流器中的技術(shù)特點(diǎn)比較在級(jí)聯(lián)型多電平變流器上除了采用STS—SVM控制方式外,常用的調(diào)制方法還有:1)基于定次諧波消除技術(shù)(SHE)的階梯波脈寬調(diào)制;2)載波相移SPWM;3)多電平SVM技術(shù)。與基于SHE的階梯波脈寬調(diào)制技術(shù)相比,STS—SVM技術(shù)消除和抑制諧波的能力不受輸出電平數(shù)的限制,能夠方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制,可以應(yīng)用在對(duì)系統(tǒng)有快速反應(yīng)要求的場(chǎng)合中。與級(jí)聯(lián)型載波相移SPWM多電平變流器相比較,級(jí)聯(lián)型STS—SVM多電平變流器具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)直流電壓利用率提高15%,如果采用不連續(xù)開(kāi)關(guān)調(diào)制模式,器件的開(kāi)關(guān)損耗可降低33% ;(2)STS—SVM按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)直接實(shí)現(xiàn)對(duì)電流(磁場(chǎng))的控制,因而在電機(jī)應(yīng)用等場(chǎng)合更有優(yōu)勢(shì)。多電平SVM技術(shù)是常規(guī)SVM技術(shù)在空間上的拓展應(yīng)用。這種調(diào)制技術(shù)存在的不足在于:(1)空間電壓矢量的數(shù)目隨著電平數(shù)的增加以立方級(jí)數(shù)迅速擴(kuò)展,其算法也就越來(lái)越復(fù)雜,有鑒于此,目前對(duì)多電平SVM技術(shù)的研究一般在五電平以下;(2)多電平SVM下開(kāi)關(guān)器件的負(fù)荷不均衡也是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題,目前還沒(méi)有較為成熟的解決方案。與多電平SVM技術(shù)相比較,STS—SVM技術(shù)是對(duì)各橋臂分別進(jìn)行調(diào)制,并不直接控制總的輸出的電壓矢量。在調(diào)制過(guò)程中,只須保證各橋臂調(diào)制信號(hào)本身的對(duì)稱性和均衡性,就能保證總的開(kāi)關(guān)負(fù)荷的均衡性和總輸出波形的對(duì)稱性。在對(duì)應(yīng)于同一電壓矢量的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇上完全是自動(dòng)的。比較于多電平SVM技術(shù),STS—SVM具有等效開(kāi)關(guān)頻率高、輸出低次偕波成分少、開(kāi)關(guān)負(fù)荷均衡等優(yōu)點(diǎn)。3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于前述的級(jí)聯(lián)型多電平變流器STS—SVM技術(shù),進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,這是三相級(jí)聯(lián)型STS—SVM多電平變流器的最簡(jiǎn)形式。其級(jí)聯(lián)數(shù)N=l,因而橋內(nèi)左右橋臂的采樣時(shí)間錯(cuò)開(kāi)△t=T8/2[如式(1)所示]。 逆變部分采用三個(gè)單相全橋結(jié)構(gòu),主開(kāi)關(guān)器件采用IR公司的MOSFET管IRF7460,輸出按Y型聯(lián)接直接與三相鼠籠式電機(jī)相連??刂扑惴ㄖ饕?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/ADI">ADI生產(chǎn)的電機(jī)專用DSP芯片ADMCF328實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中變頻器采用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán),恒壓頻比的控制方式。實(shí)驗(yàn)電機(jī)的額定線電壓有效值為100 V,額定額率50Hz,SVM的頻率調(diào)制比K取21,達(dá)到額定時(shí)的幅度調(diào)制比取O.8。 根據(jù)以上的電路設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置,對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中達(dá)到額定頻率(50Hz)時(shí),變頻器的輸出線電壓波形如圖3所示。 額定狀態(tài)下幅度凋制比M,為0.8,因而輸出線電壓的電平數(shù)應(yīng)為五電平,與前面的分析相一致。對(duì)圖3所示波形進(jìn)行諧波分析得到其頻譜如圖4所示。 由圖4可見(jiàn),次數(shù)最低的諧波群出現(xiàn)在42(2K=2%26;#215;21=42)次諧波附近,也與前述級(jí)聯(lián)型多電平STS—SVM變流器的特性相吻合。額定頻率下的電機(jī)定子電流波形如圖5所示。 變頻器的初始工作頻率為10Hz,此時(shí)的變頻器輸出線電壓波形如圖6所示。 根據(jù)V/f曲線,此時(shí)的幅度調(diào)制比為O.28,因此輸出線電壓應(yīng)為三電平,也與前面的分析相吻合。此時(shí)定子電流波形如圖7所示。 4 結(jié)語(yǔ)STS—SVM技術(shù)是一種高品質(zhì)的新型開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù),是SVM技術(shù)與多重化、多電平技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,級(jí)聯(lián)型STS—SVM變流器可以在較低開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高的等效開(kāi)關(guān)頻率,其輸出波形諧波特性好,正弦度高,開(kāi)關(guān)頻率低,工作對(duì)稱,可直接連接負(fù)載而不需添加濾波器,因此,在大功率電力電子應(yīng)用場(chǎng)合有良好的前景。

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