摘要：多電平逆變器在直接轉矩控制系統中，對減小轉矩脈動有積極作用，但中點電位穩(wěn)定與否，對系統運行的可靠性帶來很大影響。這里提出一種電壓矢量的合成方法，既能實現直接轉矩控制，又能控制中點電壓穩(wěn)定，對分析結論進行了程序仿真和實際裝置實驗，結果都證明該方法有效。

關鍵詞：逆變器；三電平；直接轉矩控制；轉矩脈動

1 引言

作為一種先進的控制方法，直接轉矩控制結構簡單，動態(tài)性能優(yōu)良，但是也存在比較突出的問題，即轉矩脈動較大。針對該問題，近年來，學者們提出了許多方法，如空間電壓矢量的優(yōu)化處理，采用無速度傳感器運行，改進磁鏈觀測技術，完善控制方式等。這里則是利用多電平技術，細化空間電壓矢量，通過降低磁鏈的諧波，從而減小轉矩的脈動量。

2 多電平逆變技術

經過幾十年的發(fā)展，二極管箝位型多電平逆變器技術已受到越來越多的關注，多電平逆變器較傳統的兩點平逆變器而言，具有更多的空間電壓狀態(tài)矢量，這樣逆變器的整個空間電壓矢量平面就可進行細分，在很大程度上能夠減小轉矩波動與磁鏈誤差。但隨著電平數增多，優(yōu)化矢量表的復雜程度也急劇增加，同時二極管箝位三電平逆變器的中點電壓平衡也是一個難點，給直接轉矩控制在多電平電路上的應用帶來了很多困難。圖1示出二極管箝位三電平逆變器。

兩電平逆變器每相只有兩種開關狀態(tài)，而三電平逆變器每相則有3種開關狀態(tài)，這樣就有33即27個開關狀態(tài)組合，其中有6個長矢量(1 -1-1)，(1 1 -1)，(-1 1 -1)，(-1 1 1)，(-1 -1 1)，(1 -1 1)；6個中矢量(1 0 -1)，(0 1 -1)，(-1 10)，(-1 0 1)，(0 -1 1)，(1 -1 0)；12個，小矢量(0 -1 -1)，(1 0 0)，(0 0 -1)，(1 1 0)，(0 1 0)，(-1 0 -1)，(-1 0 0)，(0 1 1)，(-1 -1 0)，(0 01)，(0 -1 0)，(1 0 1)，還有3個零矢量(0 0 0)，(1 1 1)，( -1 -1 -1)。圖2示出三電平逆變器電壓空間矢量分布。

與兩電平逆變器類似，通過Park矢量變換可寫出電壓空間矢量的數學表達式為：

式中：uAN，uBN，uCN為逆變器三相輸出與負載中點之間的相電壓；uAO，uBO，uCO為三相輸出與逆變器直流側中點之間的電壓。

通常，電源中點與負載中點間的電位不同。

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3 三電平逆變電路的中點電位穩(wěn)定

對于二極管筘位三電平逆變器而言，其結構簡單，便于系統實現，但最大弊端在于直流側的兩個電容電壓不穩(wěn)定，致使某些開關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關模型圖。

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

iQ=iC1+iC2      (2)

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

對于每一種長矢量，輸出接直流母線的正端和負端，沒有與中點相連的情況，因此，iQ=0，對中點電壓不會產生影響。而對于中矢量，由于總有一相與中點相連，中點流過相應相的電流，中點電壓發(fā)生相應變化。對于成對出現的小矢量，以長矢量(1 -1 -1)方向相關的(1 0 0)和(0 -1 -1)為例來進行說明。

小矢量(1 0 0)作用時，電機的b相和c相與Q點相連，此時iQ=ib+ic。由于三相異步電機正常工作時三相電流ia+ib+ic=0，此時流過中點的電流可用-ia來表示。小矢量(0 -1 -1)作用時，電機的a相與Q點相連，這時iQ=ia。可見，這兩個小矢量都會對中點電壓產生影響，并且作用是反相的，當一個矢量使中點電壓增加(稱為正小矢量)時，另一個必然會使其減小(稱為負小矢量)。對于其他的電壓矢量，用同樣的分析方法可以得到。經過分析可知，零矢量和長矢量作用時，iQ=0，即不會對中點電壓產生影響。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來對中點電壓進行控制。

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芯片是整個系統的核心，一方面需要完成速度、電壓、電流檢測，并進行數字濾波；另一方面又要根據系統的運行情況進行實時計算，適時發(fā)送PWM控制信號來控制逆變器的開通與關斷，在充分發(fā)揮三電平逆變器性能的基礎上，實現對異步電機的直接轉矩控制。

整個調速系統中，異步電動機為主要控制對象，所采用實驗樣機主要參數為：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要防止每個橋臂在1→0→-1切換過程中出現短路的情況。在狀態(tài)1時，開關管VTa1，VTa2導通，VTa3，VTa4關斷，而在0狀態(tài)時，VTa2，VTa3導通，VTa1，VTa4關斷；從狀態(tài)1切換到狀態(tài)0時，關斷VTa1，同時開通VTa3；實際中由于開關管的開通與關斷需要一定的時間，若器件選擇不好，就可能導致VTa1，VTa2，VTa3同時開通，造成直流母線的正端P與中點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關速度和工作頻率，驅動電路簡單，易于控制。

此課題在設計過程中很多環(huán)節(jié)都留有一定裕量，每個開關管都反并聯一個快速恢復二極管HFA25TB60，作為續(xù)流二極管。箝位二極管采用的也是HFA25TB60。直流母線側采用兩個2 200μF／450 V電解電容，每個電容都并聯一個功率電阻，一方面起到均壓作用，另一方面在逆變器停止工作時為電容上存儲的電荷提供釋放通路。

5 實驗結果與分析

繞線式異步電動機參數為：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。

實驗測試波形控制周期為100μs，直流母線電壓為150 V。在實驗過程中，利用直接轉矩控制產生的磁鏈與轉矩的控制信號以及中點電壓控制信號，查詢設計好的開關狀態(tài)表，然后更新DSP比較寄存器的值，實現電機的控制。

電機在給定轉速為500 r·min-1_時a，b兩相間線電壓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。由于在控制過程中，合理地安排了電壓矢量的作用順序，避免了過高的du／dt的出現。

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對系統進行了負載實驗，如圖6a所示，系統在突加負載時轉速有一個明顯下降過程，經過短暫調節(jié)之后，系統進入穩(wěn)態(tài)，轉速仍能按照給定轉速運行。圖6b給出了這個過程中電流的變化波形，可見，在負載增大后，為保證電機的轉速不變，電機電磁轉矩增大，定子電流增加。

6 結論

二極管筘位三電平逆變器異步電機直接轉矩控制系統的設計為直接轉矩控制以及多電平逆變器交流傳動控制積累了一定的經驗，系統的硬件電路以及軟件程序都為其他設計者提供了一個參考。上述研究實驗結果表明，多電平技術與空間矢

量控制技術相結合，可以減小轉矩波動。但在矢量合成方法的選擇方面還可以進一步優(yōu)化，并且同時引入智能控制方法，實現系統的更優(yōu)控制。