CN107947619A - 适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平载波移相pwm调制方法 - Google Patents

适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平载波移相pwm调制方法 Download PDF

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Abstract

适用于多相***具有共模电压(CMV)抑制能力的两电平载波移相PWM调制(CPS‑SPWM)方法，属电力电子技术领域，其特征在于，通过设置三角载波的移相，将第k正弦调制波与三角载波进行脉冲宽度调制(PWM)，进而得到该相桥臂的控制信号step(k)；若step(k)＝0，则第k相桥臂的上、下桥臂功率开关管的驱动信号分别为0和1；若step(k)＝1，则第k相桥臂的上、下桥臂功率开关管的驱动信号分别为1和0，以此实现对多相***CMV的抑制；对应用于五相、六相对称和六相不对称电机驱动控制的两电平逆变器通过应用传统的SPWM调制方法与本发明提出的CPS‑SPWM调制方法进行仿真与实验验证，对比分析表明，本发明提出的调制方法在多相逆变器中具有良好的CMV抑制效果，并且本发明方法可以扩展到任意多相***。

Description

适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平载波移相 PWM调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于多相***具有共模电压(CMV)抑制能力的两电平载波移相PWM调制(CPS-SPWM)方法。
背景技术
在多相电机驱动控制的研究热潮中，诞生了多种多相逆变器的拓扑结构。但在各种类型、不同相数的多相电机驱动场合中，应用最广泛的依旧是传统的电压型两电平拓扑结构。但在其广泛应用中，存在一些显著的负面效应，其中最为典型的、严重的就是高频CMV的问题。
过高的CMV会增大电动机绕组对地的绝缘应力，极易造成绝缘击穿，影响电动机使用寿命；高频CMV会在电动机轴上感生出轴电流，引起轴承的“电蚀”，缩短轴承的寿命；此外，高频CMV产生的高频漏电流不仅会造成EMI，影响电网中其他设备正常工作，还会影响逆变器电力电子电路的安全。因此，研究多相***CMV的抑制方法具有重要的理论意义和实用价值。
美国学者Kimball曾对三相两电平逆变器采用过类似的载波移相SPWM调制策略，发现了这种调制方法的CMV抑制效果，但是，没有更进一步的从理论上的解释和进行实验验证。同时，之前从调制策略入手抑制多相变换器CMV的研究大多针对的是三电平或多电平的拓扑结构和三相***，目前还没有针对两电平多相逆变器***的CMV抑制方法的研究。
发明内容
本发明针对应用最广泛的单端式两电平逆变器，提出了一种能够显著抑制CMV、可以扩展到任意多相***的载波移相SPWM调制(CPS-SPWM)方法，并经仿真和实验，验证了CPS-SPWM优良的CMV抑制效果。
为实现上述的发明目的，本发明提供一种适用于多相***具有CMV抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，计算第k相调制波u0(k)；
步骤(2)，计算第k相载波uc(k)；
步骤(3)，将步骤(1)和步骤(2)所得的第k相调制波u0(k)和第k相载波uc(k)进行PWM调制，得到第k相桥臂的PWM控制信号；
步骤(4)，将步骤(3)所得各相PWM控制信号转化为对应功率开关管的驱动信号分别投入到两电平逆变器对应相的功率开关管中，即可实现本发明的目的。
前述的适用于多相***具有CMV抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，第k相调制波u0(k)的计算方法为：
式中，
M为调制度，可人为设定；
Tmax为三角载波幅值，其计算方式如下：
其中fcount、fswitch分别对应为***采样频率、***开关频率(载波频率)；
uk为第k相的调制信号，具体表达式为：
其中f0为调制波频率，t为***当前运行时间，为第k相的调制信号相移角度，以对称五相电机为例，其第k相的调制信号相移角度如下：
其他相数的多相***根据实际情况计算进行移相即可。
前述的适用于多相***具有CMV抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，计算各相三角载波uc，以第k相为例，首先设置第k相三角载波计数器初始值方法如下式：
式中m代表该***为m相***。
***运行时则按照式(5)方法分别为各相三角载波计数器赋初始值生成对应的三角载波，以此实现对三角载波的移相。
前述的适用于多相***具有CMV抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，由步骤(1)和步骤(2)得出的第k相调制波u0(k)和第k相载波uc(k)进行PWM调制，得到第k相桥臂的功率开关管的PWM控制信号。针对于第k相，判断调制波u0(k)是否大于三角载波为uc(k)，若是step(k)＝1，否则step(k)＝0，此处step(k)为第k相桥臂的功率开关管的PWM控制信号。
前述的适用于多相***具有CMV抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，将步骤(3)所得各相PWM控制信号转化为对应功率开关管的驱动信号分别投入到两电平逆变器对应相的功率开关管中，具体方法为：
当step(k)＝0时，第k相桥臂的上桥臂功率开关管的驱动信号为0，下桥臂功率开关管的驱动信号为1；
当step(k)＝1时，第k相桥臂的上桥臂功率开关管的驱动信号为1，下桥臂功率开关管的驱动信号为0。
对应用于五相、六相对称和六相不对称电机驱动控制的两电平逆变器通过应用传统的SPWM调制方法与本发明提出的CPS-SPWM调制方法进行仿真并进行实验验证，对比分析表明，本发明提出的调制方法在多相逆变器中具有良好的CMV抑制效果，甚至能够在偶数相对称型逆变器中将CMV完全消除，充分验证了本方法的有效性；本方法可在多相电机驱动控制等负载呈现较强低通滤波特性的应用场合；并且本方法只需从软件方面进行改进，无需增添任何硬件辅助实施，因此可以降低多相***CMV抑制的成本，可行性高，具有较强的实用性。应用本方法不仅可实现对基于两电平逆变器的多相***中CMV峰峰值的抑制。
附图说明
图1为本发明提出的CPS-SPWM方法的程序框图。
图2为两电平m相逆变器中CMV定义。
图3为基于等值线描绘法的五相两电平逆变器在传统的SPWM调制下产生CMV的原理分析。
图4为基于等值线描绘法的五相两电平逆变器在本发明提出的CPS-SPWM调制下产生CMV的原理分析。
图5为五相、对称六相、非对称六相逆变器带RL负载分别应用两种SPWM调制方法通过仿真所得CMV的对比波形。
图6为五相两电平逆变器在两种SPWM调制下通过仿真和实验所得的调制系数M与CMV峰峰值vp-p之间的关系。
图7为五相、对称六相、非对称六相逆变器带RL负载分别应用两种SPWM调制方法通过实验所得CMV的对比波形。
图8为五相逆变器带五相感应电机分别应用两种SPWM调制方法通过实验所得CMV的对比波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明做进一步的说明。
图1为本发明所提出的适用于多相***具有CMV抑制能力的两电平CPS-SPWM方法的程序框图。
下面以五相电机为例简要介绍本发明的基本原理。图2是两电平m相逆变器中CMVvcom的定义。在传统的SPWM调制中，不同相的三角载波相位是相同的，利用等值线描绘法，通过载波比直线的轨迹所经过的区域可得到图3所示的CMV波形，显然在传统的SPWM调制方式下，五相两电平逆变器的CMV共有6种幅值，变化范围为-Vdc/2到Vdc/2，这与已有的研究结论一致。本发明提出的CPS-SPWM方法与传统的SPWM的区别在于，各相的三角载波不再完全相同，相邻的两相载波之间存在一定的相位差，反映在时间轴上为Tc/m，反映在ωct轴上为2π/m。五相两电平逆变器在本发明提出的CPS-SPWM调制方法下产生的CMV如图4所示，与图3相比，图4中不存在I类和II类区域，这说明和的开关组合被消除，因此CMV中不存在-Vdc/2和Vdc/2的电压值，CMV幅值范围减少了40％。以上是基于等值线描绘法针对五相电机应用本发明提出的CPS-SPWM调制方法CMV抑制的原理分析，本分析方法对于其他多相***同样适用。
基于以上理论分析，在MATLAB/Simulink中搭建了五相、对称六相、非对称六相的两电平逆变器带RL负载的仿真模型。仿真参数的设置为：母线电压Vdc＝180V，开关频率(载波频率)fc＝2kHz，调制波频率fo＝50Hz，每相电阻负载R＝10Ω,每相电感负载L＝50mH,调制度M＝0.8，开关器件的死区设置Tdead＝3.5μs。
如图5所示，在传统SPWM调制下，三种逆变器的CMV的峰峰值vp-p均为母线电压值180V，在应用本发明提出的调制方法后，五相逆变器的CMV的峰峰值vp-p降低到108V，对称六相逆变器的CMV的峰峰值vp-p降低到0V，非对称六相逆变器的CMV的峰峰值vp-p降低到120V。图6所示为在两种SPWM调制下，对于五相逆变器通过仿真和实验所得的调制系数M与CMV峰峰值之间的关系。由图可知采用本发明所提CPS-SPWM调制法时，CMV峰峰值在M较低时减少了80％，在M较高时减少了40％。
表1 两种SPWM方法产生的CMV仿真结果对比
SPWM CPS-SPWM 降幅比
五相 180V 108V 40％
对称六相 180V 0V 100％
非对称六相 180V 120V 33.33％
表1为三种逆变器分别应用两种SPWM方法时产生的CMV仿真结果对比。由表可知，与传统的SPWM调制相比，本发明提出的CPS-SPWM调制方法能够有效降低CMV的峰峰值vp-p。
随后，对本发明提出的方法进行了带RL负载的实验验证。实验中的参数设置与仿真中的参数设置一致。图7为三种逆变器在两种SPWM调制方法下的CMV波形，显然与仿真所得结果一致，再次验证了本发明提出的方法抑制CMV的有效性。
最后，对本发明所提方法进行了带电机实验，在五相感应电机上进行了两种SPWM调制方法的对比实验，表2为五相感应电机的主要参数，实验中母线电压Vdc＝200V，开关频率(载波频率)fc＝10kHz，开关器件的死区设置Tdead＝3.0μs，电机转速的指令值为800r/min，电机控制的控制方式为转子磁场定向矢量控制。
表2 五相感应电机的主要参数
图8为五相两电平逆变器应用两种SPWM调制方法驱动五相感应电机实验时分别产生的CMV波形。由图可知在传统SPWM调制下，CMV峰峰值vp-p为200V，而在本发明所提出的调制下vp-p下降到40V，下降了80％，与图5仿真结果相符。
综上所述，本发明提出的CPS-SPWM调制方法在多相逆变器中具有良好的CMV抑制效果，甚至能够在偶数相对称逆变器中将CMV完全消除。

Claims (5)

1.适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，计算第k相调制波u0(k)；
步骤(2)，计算第k相载波uc(k)；
步骤(3)，将步骤(1)和步骤(2)所得的第k相调制波u0(k)和第k相载波uc(k)进行CPS-SPWM调制，得到第k相桥臂的PWM控制信号；
步骤(4)，将步骤(3)所得各相PWM控制信号转化为对应功率开关管的驱动信号分别投入到两电平逆变器对应相的管子中，即可实现本发明的目的。
2.根据权利要求1所述的适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，第k相调制波u0(k)的计算方法为：
<mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mn>0</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>Mu</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，
M为调制度，可人为设定；
Tmax为三角载波幅值，其计算方式如下：
<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>w</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> <mi>c</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中fcount、fswitch分别对应为***采样频率、***开关频率(载波频率)；
uk为第k相的调制信号，具体表达式为：
其中f0为调制波频率，t为***当前运行时间，为第k相的调制信号相移角度，以对称五相电机为例，其第k相的调制信号相移角度如下：
其他相数的多相***根据实际情况计算进行移相即可。
3.根据权利要求1所述的适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，计算各相三角载波uc，以第k相为例，首先设置第k相三角载波计数器初始值方法如下式：
<mrow> <msub> <mi>T</mi> <msub> <mi>k</mi> <mn>0</mn> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中m代表该***为m相***。
***运行时则按照式(5)方法为各相三角载波计数器赋初始值生成对应的三角载波，以此实现对三角载波的移相。
4.根据权利要求1所述的适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，由步骤(1)和步骤(2)得出的第k相调制波u0(k)和第k相载波uc(k)进行PWM调制，得到第k相桥臂的功率开关管的PWM控制信号，针对于第k相，判断调制波u0(k)是否大于三角载波为uc(k)，若是step(k)＝1，否则step(k)＝0，此处step(k)为第k相桥臂的功率开关管的PWM控制信号。
5.根据权利要求1所述的适用于多相***具有共模电压抑制能力的两电平CPS-SPWM方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，将步骤(3)所得各相PWM控制信号转化为对应功率开关管的驱动信号分别投入到两电平逆变器对应相的功率开关管中，具体方法为：
当step＝0时，两电平逆变器上桥臂功率开关管的驱动信号为0，下桥臂功率开关管的驱动信号为1；
当step＝1时，两电平逆变器上桥臂功率开关管的驱动信号为1，下桥臂功率开关管的驱动信号为0。
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