四開關三相逆變器的pwm脈沖生成方式

屠黎俊，孫培德，劉曉潔

  (東華大學，上海201620)

    摘要：研究四開關三相逆變器電路，對pwm脈沖信號生成方式進行了分析．采用四個基本矢量控制的空間矢量控制方案，通過選取三個或四個基本矢量合成等組合方式來實現所需的電壓輸出，并對不同矢量合成組合進行研究。

    關鍵詞：pwm；空間矢量；四開關；三相逆變器

    中圖分類號：tm34  文獻標識碼：a  文章編號：1加4—7018(2009)12—0038—04

0引言   

    三相逆變器的研究是電力電子的重要研究方向，傳統的三相逆變器是由三組橋臂、六個開關管組成，其成本較高，所采用的空間矢量控制方式通常是基于六個基本空間矢量合成的。四開關三相逆變器減少了兩個開關，以一組電容代替。相應的矢量控制也與傳統的控制方式不同，以四個基本矢量來合成，控制簡便，成本低廉。華中科技大學對此進行了研究，并引入了雙環解耦的控制策略^[1]。浙江大學研究的四開關三相逆變器電路，在矢量合成方式上采用了兩個奇矢量和一個偶矢量^[2]。國內文獻較少涉及以矢量合成方式作為主要研究對象的。本文主要研究矢量合成的四種方式：(1)兩個奇矢量和一個偶矢量；(2)一個奇矢量和兩個偶矢量；(3)占不同時間權重的奇矢量和偶矢量合成方式；(4)重新劃分扇區后的新型矢量合成方式。四開關三相逆變器電路結構如圖1a所示。

    本文所呈現的pwm脈沖信號控制的四開關三相逆變器，其主要思想是基于空間矢量pwm技術。其基本原理是在一個開關周期內，選取三個或四個基本矢量等不同矢量合成組合方式來實現同一電壓輸出的目的，并通過一個參數來實現對不同矢量組合要求的控制。

1原理分析

    四開關三相逆變器(以下簡稱fstpi^[1])電路拓撲結構如圖1 a所示，圖1b和圖lc分別為逆變器負載的y型聯結和△型聯結，本文主要研究y型負

載。逆變器由四個開關管和兩個電容構成。逆變器的開關狀態量由四個二進制變量表示，即s1～s4其中二進制數1表示開關閉合，o表示開關斷開。開關變量中，s₁、s₃與s₄、s₂兩組互補。圖1b中各電壓關系分別為：v₁="v_a0"-v_no,v₂=v_bo-v_no,v₃=v_co-v_no.得出αβ坐標系下電壓表達式[3]：

標系的i～ⅳ區間，如圖2所示。矢量v1、v3大小相等，方向相反；v2、v4大小相等，方向相反，其幅值為前者的√3倍。 

     在矢量合成中，合成矢量與時間的乘積等于基本矢量與相應的時間乘積之和。則有如下關系式：

式中：t為開關周期；v為合成參考電壓；t₁～t₄分別為基本矢量v₁～v₄在一個開關周期內作用時間。

    從上述方程中仍無法分別解出t₁～t₄，將要求解的四個未知開關矢量轉化成三個才能求解。而實際電路所要求解的參數為相鄰的兩個基本矢量的作用時間以及零矢量的作用時間。在六開關的矢量合成方法中，用相鄰的兩個基本矢量和零矢量來構成所需的矢量，而在四開關中，沒有零矢量，岡此只能通過兩個方向相反的矢量作用相等的時間來構成。

    由式(7)、式(8)可知，合成奇矢量v₁、v₃作用時間為t₁₃，偶矢量v₂、v₄作用時間為t24。定義一個開關周期內剩余時間為：δt=t—|t₁₃|-|t₂₄|。定義矢量v₁、v₃在一個開關周期內剩余時間權重為λ(o≤λ≤1)；則矢量v₂、v₄的時間權重為1-λ。在一個開關時間周期內，各扇區基本矢量作用時間計算公式如下^[5]：