多電平技術(shù)在直接轉矩控制系統中的應用研究

3 三電平逆變電路的中點(diǎn)電位穩定

對于二極管筘位三電平逆變器而言，其結構簡(jiǎn)單，便于系統實(shí)現，但最大弊端在于直流側的兩個(gè)電容電壓不穩定，致使某些開(kāi)關(guān)器件承受的反向壓降出現不均衡，嚴重影響逆變器的性能。圖3為三電平逆變器的等效開(kāi)關(guān)模型圖。

當某一相工作在0開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，其中點(diǎn)就與負載相連，必然就有電流流入或流出，中點(diǎn)電壓也就會(huì )發(fā)生相應變化。對于中點(diǎn)Q，根據基爾霍夫電流定律，中點(diǎn)電流為：

iQ=iC1+iC2 (2)

由于Udc(Udc=uC1+uC2)為一定值，因此在uC1增大的同時(shí)，uC2必然減小，反之亦然，并且C1=C2，則iC1=iC2=iQ／2。那么當iQ>0時(shí)，C1充電，uC1增大，相應的C2放電，uC2減??；當iQ0時(shí)，C1放電，uC1減小，相應的C2充電，uC2增大。而Q點(diǎn)相對于假想電源中點(diǎn)O的電位UQO=(uC2-uC1)／2，因此iQ>0，中點(diǎn)電位下降，iQ0，中點(diǎn)電位上升。

對于每一種長(cháng)矢量，輸出接直流母線(xiàn)的正端和負端，沒(méi)有與中點(diǎn)相連的情況，因此，iQ=0，對中點(diǎn)電壓不會(huì )產(chǎn)生影響。而對于中矢量，由于總有一相與中點(diǎn)相連，中點(diǎn)流過(guò)相應相的電流，中點(diǎn)電壓發(fā)生相應變化。對于成對出現的小矢量，以長(cháng)矢量(1 -1 -1)方向相關(guān)的(1 0 0)和(0 -1 -1)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

小矢量(1 0 0)作用時(shí)，電機的b相和c相與Q點(diǎn)相連，此時(shí)iQ=ib+ic。由于三相異步電機正常工作時(shí)三相電流ia+ib+ic=0，此時(shí)流過(guò)中點(diǎn)的電流可用-ia來(lái)表示。小矢量(0 -1 -1)作用時(shí)，電機的a相與Q點(diǎn)相連，這時(shí)iQ=ia?？梢?jiàn)，這兩個(gè)小矢量都會(huì )對中點(diǎn)電壓產(chǎn)生影響，并且作用是反相的，當一個(gè)矢量使中點(diǎn)電壓增加(稱(chēng)為正小矢量)時(shí)，另一個(gè)必然會(huì )使其減小(稱(chēng)為負小矢量)。對于其他的電壓矢量，用同樣的分析方法可以得到。經(jīng)過(guò)分析可知，零矢量和長(cháng)矢量作用時(shí)，iQ=0，即不會(huì )對中點(diǎn)電壓產(chǎn)生影響。成對出現的小矢量對iQ的作用是相反的，在控制中可以利用這一點(diǎn)來(lái)對中點(diǎn)電壓進(jìn)行控制。

4 控制系統設計

圖4為設計的三電平逆變器異步電機直接轉矩控制系統的整體框架圖。

系統硬件由整流模塊、異步電機、二極管箝位三電平逆變器、DSP、電流與電壓檢測電路、速度反饋電路構成。DSP芯片是整個(gè)系統的核心，一方面需要完成速度、電壓、電流檢測，并進(jìn)行數字濾波；另一方面又要根據系統的運行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)計算，適時(shí)發(fā)送PWM控制信號來(lái)控制逆變器的開(kāi)通與關(guān)斷，在充分發(fā)揮三電平逆變器性能的基礎上，實(shí)現對異步電機的直接轉矩控制。

整個(gè)調速系統中，異步電動(dòng)機為主要控制對象，所采用實(shí)驗樣機主要參數為：額定電壓220V；額定電流0．55A；額定轉速1420 r·min-1；額定功率100 W；極對數為2。

二極管箝位三電平逆變器主電路設計時(shí)要防止每個(gè)橋臂在1→0→-1切換過(guò)程中出現短路的情況。在狀態(tài)1時(shí)，開(kāi)關(guān)管VTa1，VTa2導通，VTa3，VTa4關(guān)斷，而在0狀態(tài)時(shí)，VTa2，VTa3導通，VTa1，VTa4關(guān)斷；從狀態(tài)1切換到狀態(tài)0時(shí)，關(guān)斷VTa1，同時(shí)開(kāi)通VTa3；實(shí)際中由于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷需要一定的時(shí)間，若器件選擇不好，就可能導致VTa1，VTa2，VTa3同時(shí)開(kāi)通，造成直流母線(xiàn)的正端P與中點(diǎn)Q之間的短路。為了避免這種情況的發(fā)生，可以采用IRF450型MOSFET，該管是壓控型器件，輸入電流很小，輸入阻抗很高，其單極性載流子的工作特性使其具有很高的開(kāi)關(guān)速度和工作頻率，驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，易于控制。

此課題在設計過(guò)程中很多環(huán)節都留有一定裕量，每個(gè)開(kāi)關(guān)管都反并聯(lián)一個(gè)快速恢復二極管HFA25TB60，作為續流二極管。箝位二極管采用的也是HFA25TB60。直流母線(xiàn)側采用兩個(gè)2 200μF／450 V電解電容，每個(gè)電容都并聯(lián)一個(gè)功率電阻，一方面起到均壓作用，另一方面在逆變器停止工作時(shí)為電容上存儲的電荷提供釋放通路。

5 實(shí)驗結果與分析

繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機參數為：極對數為2，額定功率100 W，額定電壓220 V，額定電流0．55 A，額定轉速1 442 r·min-1；直流發(fā)電機參數為：額定功率185 W，額定電壓220 V，額定電流1．1 A；單相調壓器參數為：容量3 kW，輸入電壓220 V，輸出電壓0～250 V；仿真器采用SEED-XDSPP。

實(shí)驗測試波形控制周期為100μs，直流母線(xiàn)電壓為150 V。在實(shí)驗過(guò)程中，利用直接轉矩控制產(chǎn)生的磁鏈與轉矩的控制信號以及中點(diǎn)電壓控制信號，查詢(xún)設計好的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表，然后更新DSP比較寄存器的值，實(shí)現電機的控制。

電機在給定轉速為500 r·min-1_時(shí)a，b兩相間線(xiàn)電壓uab的波形如圖5a所示。由圖可知，三電平逆變器輸出的線(xiàn)電壓有5種電平狀態(tài)，與傳統的兩電平逆變器相比，諧波含量較低，更接近于正弦波。圖5b示出uab的放大波形。由于在控制過(guò)程中，合理地安排了電壓矢量的作用順序，避免了過(guò)高的du／dt的出現。