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1、第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 电压型P W M 逆变器输出电压误差分析 黄红武。，陈科伟，熊万里2 ( 1 厦门理_ T 学院，厦门，3 6 1 0 0 52 湖南大学，国家高效磨削中心，长沙4 1 ( X ) 8 2 ) * 要：由于逆变器死区时间、开关时延以及功率开关器件( I G Br ) 正向管压降的影响，电压型P W M 逆变器的 输出电压发生了明显的畸变，使得许多交流调速方法在低速时控制性能不佳乃至无法实现调速本文踩入分 析了死区时间和逆变器本身非线性特性对输出电压的影响，推导了电压误差的基本公式，对改善交流调速系 统的低速性能具有参考价值 关健词：电压型逆变器；死区时
2、间；开关时延；I G B l 营压阵 中圈分类号：1 1 M 3 0 12支靛标识哥：A T h e A n a l y s i so fO u t p u tV o l t a g eE r r o rf o rV o l t a g eS o u r c e P W MI n v e r t e r H u a n gH o n g - w u l ，C h e n K e W e i ，X i o n gW a n l i 2 ( I X i a n nU n i v e r s i 竹o f T e c h n o l o g y , X i a m e n ，3 6 1 0 0 5
3、2 N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rH i 帅E f f i c i e n c yG r i n d i n g ，H u n a nU n i v e r s i t y , C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ) A b s t r a c t ：B e c a u s eo f t h ei n f l u e n c eo f d e a dt i m e 、s w i t c h i n gd c - I a yt i m ea n dI G B Tf o r w
4、 a r dv o l t a g ed r o p ，t h eo u t p u t v o l t a g ef o rv o l t a g es 0 0 r c eP W M i n v e r t e rO c C U r sas i g n i f i c a n ta b e r r a t i o n , a sar e s u l t , i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i na9 0 0 d c o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dc v g ni m p o s s i b l et oo p e
5、 r a t ea tl o ws p e e df o ri n d u c i n gs y s t e m I nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c e o fd e a dt i m ea n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r so fi n v e a e ri sa n a l y z e di nd e t a i l ，t h e nt h eb a s i cf o r m u l ao fo u t p u tv o l t a g e e r r o r i sd e d u c t e d
6、 I t i s o f r e f c n c e dv a l u e f o r t h e i m p r o v e m e n t o f i n d u c i n gs y s t e m a t l o ws p e e d K e yW o r d s ：V o l t a g es o u l c eP W Mi n v e r t e r ；D e a dt i m e ；S w i t c h i n gd e l a yt i m e ；I G B Tf o r w a r dv o l t a g ed r o p 1 引言 在工业应用领域，电压型脉宽调节逆变器变
7、得越来越普遍了。电流型逆变器相比，电压型逆 变器可以提高逆变器的开关频率，有利于高速控制和抑制逆变器噪声，并且输出阻抗小，输出电 流近似于正旋波且取决于负载条件，适合用于交流电机调速控制。 随着快速开关装景如功率晶体管和I G B T 的发展，拥有快速响应、低谐波、低躁声的高性 能交流电机驱动成为可能。在某些领域，比如无速度传感器矢量控制和磁通估计，为了计算预期 的状态值，需要知道逆变器输出电压，然而，直接测量输出电压非常困难，因为它们是由离散信号 组成。换言之，为了测量逆变器输出电压，整流后的定子电压波形需要很大的信号获取脉宽；同时 电源电路和电子控制系统必须保持绝缘；而且输出电压中的高频分
8、量需要通过一个低通滤波器 4 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 消除，信号由于低通滤波器的影响，过滤后的输出电压会山现相角延迟，从而导致控制不准确。 使用脉宽调节器( p w m ) 的参考电压作为输出电压避免了这些问题，在控制器中参考电压信号很 容易获取而且没有谐波分量，但是因为死区时间和逆变器非线性的影响，导致逆变器输山电J i 的畸变，所以它不能完全代替输出电压，这在速度较低时影响尤为明显。 近年来有许多学者在逆变器死区时间补偿方面做了很多研究l | o ”“旭是只有少部分人提及 由逆变器本身非线性因素导致的电压扭曲。然而为了精确补偿扭曲电压的影响必颁考虑逆变 器功率开关器件的通
9、断时延、电压转换斜坡、功率装置在线电压降这些值因为它们对丁逆变 器电压畸变有着重要的影响。 在本文中，先简要介绍逆变器地工作原理，然后将详细分析考虑死区时间和功率装置非线性 特性的电压扭曲原理。 2 电压型逆变器工作原理 图1带负载为交流电机的三相电压型逆变嚣 如图l 所示为典型的三相电压型逆变器的主电路。P W M 逆变器工作时，P W M 脉宽调节器 生成门控信号控制功率开关器件的通断，通过改变逆变器功率开关器件交替导通的时间来改变 逆变器输出电压波形的频率；改变每半个周期内开关器件的通、断时间比，即通过改变脉冲宽度 来改变逆变嚣输出电压幅值的大小。如果开关器件在半个周期内反复通、断多次，
10、并使每个输 出矩形脉冲电压下的面积接近于对应正旋波电压下的面积，则逆变器输出电压将很接近于基波 电压，高次谐波电压将大为削减。所以P W M 型逆变器特别适用于作为异步电机变频调速的供 电电源，实现平滑启动、停车和高效率宽范围调速。 3 逆变器输出电压分析 在电压源逆变器中，有几个主要的原因导致电压畸变0 , 4 1 ： ( 1 ) 为了防止逆变器上下桥臀同时导通时直流回路短路而烧毁逆变器和外围电路，必须在门 信号的导通指令前插入死区时间，从而导致输出电压失真。 ( 2 ) 逆变器本身的非线性特性的影响，比如：功率装置的在线电压降、开关通断时延、输出 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集
11、电压转换斜坡等。 3 1 死区时间和开关时延的影响 三相逆变器的每一相是由上下臂各一组开关三极管和二极管组成，为防l r 上F 臂同时导通 必须在| 、J 信号的导通指令前插入死区时间7 ：，；I G B T 等电力电子器件是由外部】信号控制各组 开关三极管的“导通”或“截止”状态，门信号变化时，导通状态的变化存在着延迟，当开关三极管 由“截止”到“导通”变化时，导通延迟记为L ，而又“导通”到“截止”时，截l P 时延记为咒T 。 r 口) ( 6 ) ( c ) ) ( d ) 篆) r o 吲 |I j L L 一卜 F 吲 三“ 0 一 f弋 ； 、一 r r 扎扎 图2 死区时间、开
12、关时延、电压转换斜坡的影响 如图2 ，其中图2 ( a 表示理想的r 1 控脉冲波形闺2 ( b ) 表示加入死区时间后的脉冲波形；图2 ( c ) 则表示进一步考虑功率装置开关通断时延和电压转换斜坡后的真实输出电压；图2 ( d ) 为简化后 等效的输出电压波形。由图2 ( a ) 可以看出A 相上桥臂功率装置导通时间设定为C r ，但是由 图2 ( d ) 可以看出，功率装置实际有效的导通时间为五一写+ 珞一瓦。一五。因此，死区时间和开 关时延导致的时间误差可表示为： 6 十 一 一 圹 r A 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 疋。= 瓦n 一兀。一兀( 1 ) 当电流方向为负时
13、，死区时间和开关时延的影响如图2 ( e H g ) 所示，可以类推出时间误筹为： 瓦。= 一( 7 一L 。一瓦)( 2 ) 所以，时间误差可以表示为下式： o = s i g n ( i 。) ( 瓦n 一瓦。一兀)( 3 ) l l ：w h e n ：i 。 0 I 舯i g n ( i A 卜h 砌：泛ol 实际的持续时间为理想的持续时间加上误差时间： L = 艺+ s i g n ( i J ) M ( 4 ) 式中：M = 瓦一一瓦 同理可以得出B ，C 相电压误差时间公式： 7 ：，2 1 。+ s i g n ( G ( 5 ) 瓦= 巧- I - s i g n ( i )
14、 M 3 2 功率装置( I 锄压降的影响 在P W M 逆变器控制系统中，除了死区时间和逆变器开关时延的影响，还有功率装置的在线 电压降，因为组成I G B T 主回路的开关三极管和二极管都有正向压降，其值是由电力电子器件类 型和负载电流大小决定的 D 上 z 瞥 ) I T 疋。蔼 - l 扎州多卜 ) 图3 逆变器一相的电流路径图 以三相逆变器的A 相为倒，如图4 5 所示，门信号和电流方向决定了有四种电流路径的存在， 因此，对于不同的导通状态，管压降引起的输出误差也各不相同。假定比为三极管的电压降， 7 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 旷，为二极管的电压降。当i 。为正方向时
15、，上臂的门信号s 。为0 时F 臂的二极管导通，电流路径 如图所示的A ，上臂的门信号S a 为l 时上臂的开关三极管导通，电流路径为B 。当i 。方向为负时 F 臂的门信号S 。为l 时F 臂的开关三极管导通，电流路径为c ，卜臂的I 】信号S 。为0 时卜臂的 二极管导通，电流路径为D 。综上分析，逆变器的实际输出电压可表示为： = 一等吲路鲫 + 堡2 一( 路径阶 ( 6 ) 一堡2 + 吃( 路径c ) + 等堋路 上式可以台并为下式： ，= ( 一吃+ ) ( E 一圭) 一言啦州。) ( 吃+ ) ( 7 ) 因为开关三极管和二极管的电压降随着电流大小而变化，所以可以假定开关三极
16、管和二极 管与电压成线性关系，公式如下： 比= 。+ k ( 8 ) 式中吃。为三极管的初始压降，k 为三极管的在线电阻。 = 。+ o I ( 9 ) 式中巧。为二极管的初始压降，为二极管的在线电阻。 因此将式( 8 ) ，( 9 ) 式代入( 7 ) 式得： = ( 一吃+ ) ( 一j 1 ) 一j 1s 辔嗄) ( + 屹。) 一j 1 ( k + 白N 。 ( 1 。) 那么在两个取样周期里，逆变器输出的相电压可以表示为： 吃= ( 一吃+ ) 矗一j 1 ) 一圭啦砸。) ( + ) 一三( k + 白) 。 ) 式中，r 为取样周期。 3 3 逆变器输出电压畸变 前面详细分析了死区时间、逆变器非线性压降、开关功率器件在线电艇降等的影响，那么 8 第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 将所有这些影响综合起来，就可以得到精确的逆变器扭曲电压，本节仍然以逆变器的A 相为例进 行分折。 显然，将式( 4 ) 代入式(
