楊 旭，陸 可

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031)

0 引 言

雙逆變器驅(qū)動系統(tǒng)是在單逆變器驅(qū)動傳統(tǒng)電機控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，不改變原電機的本體電磁設(shè)計，只是將繞組中性點打開，并在繞組另一端串接逆變器而成，這樣的結(jié)構(gòu)具有更高的容錯能力和電壓利用率，在電磁彈射、輪船推進、以及電動汽車上都有廣泛的應(yīng)用[1]。近20年來，三相開繞組雙逆變器系統(tǒng)已經(jīng)有了深入的研究[2-7]，開繞組系統(tǒng)所呈現(xiàn)的性能優(yōu)勢和應(yīng)用潛力正在越來越被學(xué)術(shù)界關(guān)注。近幾年，也有學(xué)者對多相開繞組結(jié)構(gòu)展開了研究[8-10]。目前，多相驅(qū)動一般是傳統(tǒng)兩電平逆變器或者中點鉗位的三電平逆變器，而針對多相電機的雙逆變器驅(qū)動結(jié)構(gòu)研究還較少，和三相系統(tǒng)相比，多相驅(qū)動系統(tǒng)具有更高的容錯能力、更高的母線電壓利用率，應(yīng)用場合更加廣泛。

五相雙逆變器系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)具有多樣性，按照電源的供電方式劃分,可分為單電源供電和雙獨立電源供電兩種結(jié)構(gòu)，即共直流母線和獨立直流母線，如圖1所示。獨立直流母線拓撲需要用到兩個隔離電源，這樣會增加系統(tǒng)成本，同時也會增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，在某些不能提供雙電源的場合，獨立直流母線結(jié)構(gòu)將不能使用。共直流母線拓撲使用單電源供電，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時節(jié)約了成本。然而，對于共直流母線結(jié)構(gòu)，電機繞組和母線之間將形成零序電流回路，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生共模電壓時，將會形成零序電流，零序電流流過電機繞組會增加系統(tǒng)的損耗，降低系統(tǒng)運行效率和運行穩(wěn)定性。

(a) 共直流母線

(b) 獨立直流母線圖1 五相開繞組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了抑制或消除零序電流，傳統(tǒng)方法是在定子回路增加濾波器[11],但這樣會使硬件電路更加復(fù)雜，增加了成本。事實上，空間脈寬調(diào)制是產(chǎn)生共模電壓的主要原因，只要抑制了系統(tǒng)的共模電壓，零序電流也將得到較好的抑制，因此更好的方式是優(yōu)化調(diào)制策略，抑制共模電壓，以抑制零序電流。但和三相系統(tǒng)不一樣的是，多相系統(tǒng)脈寬調(diào)制由于矢量的增多，調(diào)制算法將顯得更加復(fù)雜。在三相開繞組系統(tǒng)中已提出多種脈寬調(diào)制方法以消除共模電壓，文獻[2]利用電壓補償器的思想來抑制共模電壓,此種方法會用到低通濾波器和鎖相環(huán)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜；文獻[3]提出了基于正態(tài)分布和矢量解耦的原理抑制共模電壓；文獻[4-6]利用雙逆變器交替鉗位的思想，通過零電壓矢量作用時間的重新分配，實現(xiàn)零序共模電壓的抑制，但這種調(diào)制方式仍會存在瞬時共模電壓;文獻[7]用不產(chǎn)生共模電壓的矢量作為合成矢量，因此，理論上在每個時刻系統(tǒng)產(chǎn)生的共模電壓將為零，在后來多相開繞組系統(tǒng)中也運用了此思想，以消除共模電壓[12]。

目前，對雙逆變器系統(tǒng)共模電壓抑制的研究主要集中在三相系統(tǒng)，對五相系統(tǒng)的研究較少。文獻[13]把每個扇區(qū)分為4個小扇區(qū)，每9°一個小扇區(qū)，按照開關(guān)切換次數(shù)最少的原則，在每一個小扇區(qū)采用一種開關(guān)矢量作用于INV1和INV2，這種方式能減少輸出諧波，但卻增加了開關(guān)頻率，增大了損耗；文獻[14]應(yīng)用交替鉗位的思想，把INV1和INV2交替作為鉗位逆變器和調(diào)制逆變器，使一個周期內(nèi)輸出的平均共模電壓為零，這種方式可以降低功率管的使用頻率，減小系統(tǒng)損耗，但這種方式仍會存在瞬時共模電壓。

本文采用文獻[7]提出的理論，選擇不產(chǎn)生共模電壓的矢量來合成參考矢量，相較于文獻[7]中針對三相系統(tǒng)解耦角度為120°，本文針對五相系統(tǒng)解耦角度為144°。和三相系統(tǒng)共模電壓抑制相比，五相系統(tǒng)共模電壓抑制更加復(fù)雜，主要體現(xiàn)在輸出的空間矢量增多，空間矢量需分解到基波空間和三次諧波空間，這都會增加調(diào)制的難度，本文對解耦后單個五逆變器采用最近四矢量空間脈寬矢量調(diào)制，以此實現(xiàn)對五相雙逆變器系統(tǒng)共模電壓的抑制，最后通過仿真驗證了本方法的正確性。

1 五相開繞組雙逆變器系統(tǒng)

共直流母線五相開繞組電機雙逆變器拓撲如圖1(a)所示。雙逆變器系統(tǒng)由10個橋臂(a，b，c，d，e，a′,b′,c′,d′和e′)和20個功率管構(gòu)成，aa′,bb′,cc′,dd′和ee′為五相開繞組電機各相繞組，五相繞組兩端分別接逆變器1(INV1)和逆變器2(INV2)，直流電壓源同時給INV1和INV2供電,開繞組五相電機輸出相電壓由INV1和INV2共同調(diào)制，輸出的相電壓可表示：

(1)

雙逆變器系統(tǒng)分別在兩個正交子空間d1-q1,d3-q3產(chǎn)生的空間矢量：

(2)

(3)

對于單個五相逆變器，產(chǎn)生的空間矢量(00000～11111)一共有32種，則雙逆變器系統(tǒng)一共可產(chǎn)生32×32=1 024種空間矢量，如此多矢量將會增大調(diào)制難度，本文介紹的調(diào)制方法將大大減少選擇的空間矢量數(shù)量，減小調(diào)制難度。

2 共模電壓分析

式(4)為INV1,INV2產(chǎn)生的共模電壓，式(5)為雙逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生的共模電壓，若要使雙逆變器系統(tǒng)輸出共模電壓為零，則需滿足式(6):

(4)

(5)

(6)

(7)

按照以上矢量產(chǎn)生規(guī)則，五相雙逆變器系統(tǒng)中輸出不產(chǎn)生共模電壓的空間矢量如圖2所示，矢量位置分布為5個十邊形D1～D5和零矢量D0,一共6種不同的幅值，當(dāng)只用這十邊形上的矢量作為合成矢量時，雙逆變器輸出的共模電壓即為零。

圖2 輸出VCM為零的電壓矢量圖

將扇區(qū)1內(nèi)D0～D5矢量開關(guān)狀態(tài)列出，如表1所示，進一步說明開關(guān)狀態(tài)和空間矢量位置的關(guān)系。

表1 輸出VCM為零的開關(guān)組合狀態(tài)

3 共模電壓抑制策略

為了保證在d3-q3空間合成矢量幅值為零，并且調(diào)制度盡可能得大，選D3,D5作為合成矢量。每一個矢量位置都是由幾種不同的開關(guān)組合而成，但在滿足開關(guān)切換次數(shù)最少的情況下，一共可有兩種空間矢量位置組合順序，如圖3所示。

圖3 兩種空間矢量位置組合順序

在選擇空間矢量時，零矢量D0有32種(圖3矢量位置O)，D3每個空間矢量位置有8種(圖3矢量位置A,B)，D5每個空間矢量位置有2種(圖3矢量位置C,D)，因此對于同一個矢量位置合理選擇開關(guān)狀態(tài)就非常重要。以雙逆變器系統(tǒng)輸出空間矢量在扇區(qū)1為例，按照表1給出的每個空間位置可以選擇的開關(guān)矢量。其中D3，D5表格上部分對應(yīng)矢量位置A,C；D3，D5表格下部分對應(yīng)矢量位置B,D。在選擇開關(guān)切換狀態(tài)時，還需滿足開關(guān)切換次數(shù)應(yīng)為最小，則INV1和INV2可按表2的切換順序進行開關(guān)狀態(tài)切換，即圖3實線順序(O-A-D-C-B)，若按虛線順序也是一樣的原理，本文按實線軌跡為例。

表2 INV1,INV2開關(guān)切換順序

圖4 144°空間矢量解耦原理圖

(8)

經(jīng)過解耦之后，五相開繞組電機雙逆變器系統(tǒng)的控制可轉(zhuǎn)化為2個五相逆變器的控制。由于在單個逆變器中只用中矢量和大矢量作為合成矢量，這樣能夠保證在d3-q3空間矢量幅值為零[15]，以此消除諧波，這種調(diào)制方式稱作最近四矢量空間矢量脈寬調(diào)制。

4 最近四矢量空間矢量脈寬調(diào)制

圖5為五相逆變器第1扇區(qū)離參考矢量最近的相鄰四矢量，圖5(a)為d1-q1空間矢量，圖5(b)為d3-q3空間矢量。

(a) d1-q1空間矢量

(b) d3-q3空間矢量圖5 第1扇區(qū)相鄰四矢量

d1-q1空間兩個大矢量分別為U1,U2幅值為0.647 2Vdc,在d3-q3空間對應(yīng)幅值為0.247 2Vdc，d1-q1空間兩個中矢量為U3，U4,幅值為0.4Vdc，在d3-q3空間對應(yīng)幅值為0.4Vdc，它們的作用時間分別為T1～T4,要使在三次諧波空間合成矢量幅值為零，需滿足下式：

(9)

可求出：

(10)

基本矢量U1,U2,U3,U4作用時間應(yīng)滿足下式：

(11)

聯(lián)立式(10)即可完成相鄰四矢量空間四矢量脈寬調(diào)制的基本電壓矢量作用時間的計算。

5 仿真驗證

為了驗證本文的調(diào)制算法對五相雙逆變器系統(tǒng)共模電壓抑制的效果，搭建了五相開繞組永磁電機的MATLAB開環(huán)仿真模型，采用恒壓頻比(V/F) 的控制方式控制電機運行，如圖6所示。仿真參數(shù)如下：直流電壓源400 V，載波頻率10 kHz，定子電阻6.8 Ω，d,q軸電感為7.5 mH,漏感1.5 mH,極對數(shù)為2，永磁體磁鏈為0.5 Wb。

當(dāng)vref1和vref2成144°解耦時，SVPWM產(chǎn)生的調(diào)制波如圖7所示，其中Tga為INV1a相橋臂調(diào)制波，Tga′為INV2a′相橋臂調(diào)制波。

圖7 INV1和INV2調(diào)制波波形

圖8、圖9分別為雙逆變器系統(tǒng)A相相電壓波形Vaa′和AB兩相間線電壓波形Vaa′-bb′。

圖8 相電壓仿真波形Vaa′

圖9 線電壓仿真波形Vaa′-bb′

為了證明本文對雙逆變器系統(tǒng)輸出共模電壓抑制的效果，將144°解耦調(diào)制和非144°(本文任取60°)解耦調(diào)制進行對比分析，輸出共模電壓調(diào)制度分別為0.5和0.9。圖10為調(diào)制度m=m1=m2=0.9時，144°解耦調(diào)制和60°解耦調(diào)制輸出的共模電壓波形。圖11為144°解耦調(diào)制和60°解耦調(diào)制輸出的電流波形及對應(yīng)諧波頻譜。圖12為在調(diào)制度m=m1=m2=0.5時，144°解耦調(diào)制和60°解耦調(diào)制輸出的共模電壓波形。圖13為144°解耦調(diào)制和60°解耦調(diào)制輸出的電流波形及對應(yīng)諧波頻譜。

圖10 m=0.9時輸出共模電壓仿真波形

(a) 144°解耦調(diào)制

(b) 60°解耦調(diào)制圖11 m=0.9時相電流波形及諧波頻譜

圖12 m=0.5時輸出共模電壓仿真波形

(a) 144°解耦調(diào)制

(b) 60°解耦調(diào)制圖13 m=0.5時相電流波形及諧波頻譜

為了更加直觀對比在不同調(diào)制度下，144°解耦調(diào)制相對于60°解耦調(diào)制共模電壓的抑制效果，將調(diào)制度為0.1～1.0之間取10組，分別進行仿真并對比相電流THD值，如圖14所示。

圖14 0.1～1.0調(diào)制度下兩種解耦 角度A相電流THD對比

由圖10～圖14仿真結(jié)果可知，本文的144°解耦調(diào)制算法在高調(diào)制度和低調(diào)制度時都能較好地抑制共模電壓，且電機輸出電流波形良好。當(dāng)采用60°解耦調(diào)制即非144°解耦調(diào)制時，系統(tǒng)在高低調(diào)制度下都會輸出±80 V的共模電壓，這會使電機相電流產(chǎn)生很大的畸變，輸出電流波形效果很差。由此可見，本文的144°解耦調(diào)制算法能較好地抑制系統(tǒng)共模電壓。

6 結(jié) 語

本文借鑒三相開繞組電機雙逆變器系統(tǒng)，基于空間矢量解耦抑制共模電壓的思想，研究了針對五相雙逆變器共模電壓抑制的方法，結(jié)合空間矢量解耦思想和單個五相逆變器最近四矢量調(diào)制策略，有效地抑制了共模電壓，仿真驗證了此方法的正確性。