本發(fā)明涉及電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域中多相電機(jī)交流控制系統(tǒng)(包含五相逆變器、五相永磁同步電機(jī))設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，具體涉及一種抑制五相逆變器共模電壓的空間矢量調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

變頻調(diào)速系統(tǒng)具有：功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、改善交流電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高電機(jī)的效率等優(yōu)點(diǎn)，因此變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。電力電子變頻器是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)備。此外，多相變頻系統(tǒng)電壓受限制的場合能夠提供更大的功率，且容錯(cuò)性能好，可靠性高，得到了日益廣泛的關(guān)注和研究。

變頻調(diào)速技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，但是，在電機(jī)系統(tǒng)中由于變頻器輸出的對地電壓之和不恒等于零，因此在電機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生了交變的共模電壓。由于電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間和電機(jī)外殼之間存在寄生電容，在共模電壓的作用下，會(huì)在電機(jī)軸上形成電荷的累積。電機(jī)軸上使用絕緣的潤滑劑，因此電機(jī)軸內(nèi)外層沒有電氣連接，當(dāng)電荷累積到一定程度，會(huì)擊穿絕緣的潤滑劑，產(chǎn)生軸電流和漏電流，形成共模電磁干擾。共模電磁干擾會(huì)引起接地保護(hù)電流繼電器誤動(dòng)作，并且影響該系統(tǒng)上其它用電設(shè)備的正常工作。另一方面，共模電壓過大，會(huì)使電機(jī)的軸電壓、軸電流過大，引起電機(jī)發(fā)熱，加速電機(jī)軸承老化，降低電機(jī)壽命，并損害電機(jī)。如果電機(jī)未接地或者接地不良就會(huì)發(fā)生電擊事件。電機(jī)軸損壞占電機(jī)總損壞的40％左右，而其中25％的軸損壞時(shí)由脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)逆變器供電引起。

目前關(guān)于五相永磁同步電機(jī)的空間矢量脈寬調(diào)制算法中，線性調(diào)制區(qū)內(nèi)主要有兩種算法：基于臨近最大兩矢量的調(diào)制算法以及基于最近四矢量的調(diào)制算法。前者只是傳統(tǒng)三相調(diào)速系統(tǒng)空間矢量調(diào)制算法的簡單推廣；后者則是結(jié)合了五相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，主要是為了消除電機(jī)相電流特有的低次諧波(主要指三次諧波)，在五相調(diào)制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其采用的原理就是在基波空間滿足電壓矢量的合成，同時(shí)保證諧波空間的平均電壓矢量為零，以此達(dá)到消除諧波電流的目的。這兩種控制算法都不可避免的采用了中矢量，都將會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓。

逆變器共模電壓的抑制方法可分為主動(dòng)抑制和被動(dòng)抑制。被動(dòng)抑制包括采用共模電感、共模抑制變壓器、共模濾波器以及共模扼流線圈等，這些方法均需要增加硬件成本；主動(dòng)抑制主要從逆變器的控制算法入手抑制共模電壓，強(qiáng)調(diào)通過修改調(diào)制算法達(dá)到抑制共模電壓的目的，無需額外的硬件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種抑制五相逆變器共模電壓的空間矢量調(diào)制方法，一方面獲得高正弦度的相電流，另一方面達(dá)到抑制共模電壓的目的，且保證易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，降低程序設(shè)計(jì)的難度，且開關(guān)損耗不會(huì)增加。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種抑制五相逆變器共模電壓的空間矢量調(diào)制方法，包括以下步驟：

步驟1：判斷目標(biāo)合成電壓矢量的空間扇區(qū)位置k(k＝1,2,3….10)；

步驟2：每個(gè)控制周期T_s內(nèi)，計(jì)算與目標(biāo)電壓矢量U_ref所在k扇區(qū)臨近的四個(gè)電壓矢量U_Lk、U_Mk、U_L(k+1)以及U_M(k+1)的作用時(shí)間T_Lk、T_Mk、T_L(k+1)以及T_M(k+1)；

步驟3：依照基于“兩個(gè)大矢量+兩個(gè)中矢量”的空間矢量調(diào)制方法確定作用的對稱模式脈沖序列，得到每個(gè)扇區(qū)內(nèi)每相橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的高電平持續(xù)作用時(shí)間；

步驟4：在保證每相橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的高電平持續(xù)作用時(shí)間不變的原則下，對每個(gè)扇區(qū)內(nèi)每相橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的作用序列進(jìn)行重新排列組合：即保證最終的五相橋臂作用開關(guān)狀態(tài)的組合僅包含大矢量或小矢量，保持脈沖序列為對稱模式。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、不增加原有調(diào)制方法的開關(guān)頻率的條件下能夠顯著抑制共模電壓。2、電流正弦度高，性能優(yōu)越。3、脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)空間矢量調(diào)制方法的要求，因此易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。4、本發(fā)明基于五相電壓源逆變器進(jìn)行分析，其同樣可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他多相變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是五相電壓源逆變器在d1-q1坐標(biāo)下的空間電壓矢量分布圖。

圖2是五相電壓源逆變器在d3-q3坐標(biāo)下的空間電壓矢量分布圖。

圖3是在d1-q1坐標(biāo)下，四矢量調(diào)制空間矢量合成示意圖(以第一扇區(qū)為例)。

圖4是在d3-q3坐標(biāo)下，四矢量調(diào)制空間矢量合成示意圖(以第一扇區(qū)為例)。

圖5是采用傳統(tǒng)四矢量調(diào)制的各扇區(qū)內(nèi)脈沖合成序列(以第一扇區(qū)為例)。

圖6是改進(jìn)后本發(fā)明的各扇區(qū)內(nèi)脈沖合成序列(以第一扇區(qū)為例)。

圖7是本發(fā)明中逆變器輸出的相電流波形。

圖8是本發(fā)明中逆變器輸出的FFT分析。

圖9是傳統(tǒng)四矢量調(diào)制算法對應(yīng)的逆變器輸出共模電壓。

圖10是本發(fā)明所提出的空間矢量調(diào)制算法對應(yīng)的逆變器輸出共模電壓。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明方法在保證傳統(tǒng)算法開關(guān)頻率不變的情況下顯著抑制逆變器的共模電壓，且電流正弦度較高。

五相電機(jī)系統(tǒng)包含有4個(gè)自由度和零序分量。電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)擴(kuò)展的派克旋轉(zhuǎn)變換式將自然坐標(biāo)系下的對稱物理量分別映射到d1-q1和d3-q3兩個(gè)正交的坐標(biāo)系下。d1-q1坐標(biāo)系下的大、中、小電壓矢量幅值分別為0.6472U_dc、0.4U_dc、0.2472U_dc，同方向上相鄰電壓矢量的幅值比為1.618。U_dc表示逆變器直流側(cè)母線電壓。五相逆變器共有32個(gè)電壓矢量，其對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)以及共模電壓如表1所示。

表1電壓矢量組分類

五相電壓源逆變器的空間電壓矢量的分布規(guī)律如下：

1)d1-q1坐標(biāo)系下大矢量與d3-q3坐標(biāo)系下小矢量一一映射；

2)d1-q1坐標(biāo)系下具有相同指向的大、中、小電壓矢量(例如，U₁，U₁₁，U₂₁)，在d3-q3坐標(biāo)系下，中矢量(U₁₁)則會(huì)與大(U₁)、小(U₂₁)矢量指向相反。

對于五相電壓源逆變器，其輸出的共模電壓大小計(jì)算為：

式中U_CM即表示共模電壓。S_i(i＝a,b,c,d,e)依次表示逆變器各橋臂的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時(shí)，S_i＝1；下橋臂導(dǎo)通時(shí)，S_i＝0，且上橋臂與下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通。

通過對五相逆變器的空間電壓矢量的特點(diǎn)分析可知，逆變器共模電壓的來源主要是采用了零電壓矢量以及中電壓矢量。根據(jù)式可知零矢量以及中矢量具有較大的共模電壓，而大矢量和小矢量將輸出幅值較小的共模電壓?；诖嗽恚捎么笫噶炕蛐∈噶看?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)制算法中的中矢量和零矢量的作用效果來達(dá)到抑制共模電壓的目的。具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：判斷目標(biāo)合成電壓矢量的空間扇區(qū)位置k(k＝1,2,3….10)。

步驟2：每個(gè)控制周期T_s內(nèi)，采用傳統(tǒng)四矢量調(diào)制方法計(jì)算與目標(biāo)電壓矢量U_ref所在k扇區(qū)臨近的四個(gè)電壓矢量U_Lk,U_Mk,U_L(k+1)以及U_M(k+1)的作用時(shí)間T_Lk,T_Mk,T_L(k+1)以及T_M(k+1)。

步驟3：依照傳統(tǒng)基于四矢量(兩個(gè)大矢量+兩個(gè)中矢量)的空間矢量調(diào)制算法確定作用的對稱模式脈沖序列(高電平位于中間)；得到每個(gè)扇區(qū)內(nèi)每相橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的高電平持續(xù)作用時(shí)間。

步驟4：在保證每相橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的高電平持續(xù)作用時(shí)間不變的原則下，對每個(gè)扇區(qū)內(nèi)每相橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的作用序列進(jìn)行重新排列組合：即保證最終的五相橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖作用序列的組合不構(gòu)成中矢量，而僅包含大矢量或小矢量，同時(shí)保持脈沖序列仍為對稱模式(此時(shí)不局限于高電平位于中間)。

在本發(fā)明中，將自然坐標(biāo)系下的對稱物理量分別映射到d₁-q₁和d₃-q₃兩個(gè)正交子空間中，每個(gè)空間均被劃分為十個(gè)扇區(qū)

式中α＝2π/5。

基波和10j±1(j＝1,2,3…)次諧波經(jīng)變換矩陣的前兩行映射到d₁-q₁子空間，且以(10j±1)ω(j為整數(shù))的速度旋轉(zhuǎn)，與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換相關(guān)。電機(jī)變量中的3次和10j±3(j＝1,2,3…)次諧波經(jīng)過變換矩陣的第3和4行，映射到d₃-q₃子空間，并以(10j±3)ω(j為整數(shù))的速度旋轉(zhuǎn)，與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換無關(guān)。電機(jī)變量中的10j±5(j＝1,2,3…)次諧波被投影到第5行組成的零序子空間中，對于星形連接的五相對稱負(fù)載，該項(xiàng)始終保持為零。

五相逆變器的電壓矢量本質(zhì)上是四維的，分別映射到兩個(gè)二維的子空間中，如果要在d₁-q₁子空間合成所需參考電壓的同時(shí)，又使d₃-q₃子空間產(chǎn)生的諧波電壓分量盡可能小甚至為零，從而降低電流紋波和開關(guān)損耗，至少需要選用4個(gè)基本電壓矢量來實(shí)現(xiàn)對參考電壓的合成。在d₁-q₁空間內(nèi)選用與參考電壓距離最近的兩個(gè)大矢量和同方向上的兩個(gè)中矢量，由此構(gòu)成了最近四矢量SVPWM算法。以第一扇區(qū)為例，選取相鄰電壓矢量U₁(11001)、U₂(11000)、U₁₁(10000)、U₁₂(11101)以及U₀(00000)、U₃₁(11111)。d₁-q₁空間和d₃-q₃空間下的電壓矢量U_1ref和U_3ref的合成示意圖分別如圖3、圖4所示。

五相電壓源逆變器中零矢量與中矢量具有較大的共模電壓，要避免使用。因此對零矢量與中矢量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的作用效果采用大矢量和小矢量進(jìn)行等效替代，達(dá)到抑制共模電壓的目的。圖6是對本發(fā)明中改進(jìn)后的各扇區(qū)內(nèi)的合成開關(guān)序列，調(diào)制周期T_s內(nèi)不通過使用零矢量和中矢量，而全部采用大矢量和小矢量。

圖7和圖8分別示出了本發(fā)明提出的逆變器空間矢量調(diào)制算法對應(yīng)的輸出相電流波形以及FFT分析，開關(guān)頻率設(shè)定為2kHz。此時(shí)，電流的諧波畸變率為，正弦度高，說明了本在抑制共模電壓的條件下仍然能夠保證電流具有優(yōu)越的穩(wěn)態(tài)性能，且不會(huì)增加開關(guān)頻率，與傳統(tǒng)四矢量空間調(diào)制算法相同。

從圖9和圖10的對比可以看出，本發(fā)明對應(yīng)的逆變器輸出共模電壓最大值為5V(0.1U_dc)；傳統(tǒng)四矢量空間矢量調(diào)制對應(yīng)的逆變器輸出共模電壓最大值為25V(0.5U_dc)。共模電壓幅值減小了80％。說明本發(fā)明能夠整體提升和改善系統(tǒng)的性能，同時(shí)顯著抑制共模電壓引起的負(fù)面效應(yīng)。