中压三电平逆变器矢量控制系统的几个特殊技术 马小亮

逆变器输出电压电流测量;逆变器输出滤波器对矢量控制的影响及对策;电机定子电势(emα、emβ)计算;观测电机磁链的电压模型;直流电流调节块的预控和电机参数变化的补偿

作 者 ：天津大学 马小亮/魏学森

摘 要 ：本文介绍了三电平逆变器矢量控制系统的5项关键技术:输出电压电流测量;输出滤波器对矢量控制影响的对策;定子电势计算中电流微分滞后的对策;新磁链观测电压模型;直流电流调节块的预控和电机参数的补偿。

英文摘 要 ：Some problems and their solutions of vector control systems of medium voltage three-level inverters are introduced in this paper: inverter output voltage and current measurements, counting the influence of output filter on vector control, compensating the delay of the current differential signals in calculating motor emf, new motor voltage model, the current pre-control and compensation method of motor parameter variation.

关键词： 矢量控制 电压模型 预控

1 引言

中压变频调速应用范围广，市场前景好，已成为人们关注的热点之一，三电平方案由于功率器件数少，主电路简单、实现制动能量回馈容易，受到越来越多关注，随功率器件电压的提高，它将得到更多的应用。

三电平逆变器的主电路拓扑，工作原理及PWM形成方法在许多文献中都有介绍，本文不再重复，仅讨论它的矢量控制系统。交流电机的矢量控制系统已有多年历史, 本文不再叙述它的原理，仅介绍在三电平中压变频器中采用矢量控制需要解决的几项关键技术:

·逆变器输出电压电流测量;

·逆变器输出滤波器对矢量控制的影响及对策;

·电机定子电势(emα、emβ)计算;

·观测电机磁链的电压模型;

·直流电流调节块的预控和电机参数变化的补偿。

几项技术对于异步机，励磁同步机和永磁同步机都适用，且已在大功率三电平逆变器上得到应用。

2 逆变器输出电压、电流测量

逆变器输出电压、电流虽是交流，频率在0Hz至

fo.max间变化，不能用普通电压电流互感器测量，常用的传感器是磁平衡式霍尔传感器。三电平逆变器用于中压(1kV～10kV)大功率变频，母排对地电压高，附近电磁场强，把霍尔传感器置于这里，传感器本身及连接电缆的耐压和电磁屏蔽都是难题。另外高压，大电流霍尔传感器体积大、价高。逆变器输出电压电流波形中含有较大开关频率的纹波，用通常的瞬时采样A/D变换器采得的值不是实际波形在一个开关周期中的平均值，不能真实反映电压、电流在这开关周期的大小，特别是三电平逆变器用的功率器件电压高、电流大，开关慢，开关频率多在1kHz左右，很难通过滤波把电压电流先滤光滑再采样，而又不影响输出基波的相位和幅值。以往多用V/f/D变换(先用V/f变换

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把电压信号变成脉冲频率，再经计数器把频率变成数字量)或在一个开关周期中多次采样求平均值的方法解决这问题，都很麻烦。

图1 △/∑电压电流测量

△/∑电压、电流测量方法可解决上述问题[1]，测量电路示于图1(a)。从分流器和高压分压器上直接取信号，经10倍放大，送△/∑ADC。△/∑ADC是1位A/D变换器，输入为0~5V模拟量，输出为一串与时钟脉冲同步的脉冲，它在一个采样周期中的平均占空比(在一个周期中脉冲“1”的时间与周期T之比)与输入模拟量成比例。△/∑ADC输出的脉冲经光纤送至同步计数器，计数器在每采样周期开始时清零，然后，每当时钟脉冲来时，若其输入为“1”，计数器就加1，到采样周期结束时，计数器中的数则为输入信号的平均值，满足平均值采样要求，放大器和△/∑ADC的电源取自功率开关器件IGBT或IGCT的门极驱动电路电源，与被测量母线同电位，输出脉冲经光纤传输，分流器shunt做成盒式，电子板放在盒中，这三项措施很好的解决了耐压和电磁干扰问题。

Siemens公司的检测器产品外形示于图2，一个检测器中装一套电流检测和一套电压检测。

图2 检测器外形

3 逆变器输出滤波器对矢量控制的影响和对策

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三电平逆变器使用高压功率器件，输出波形中dv/dt高，普通电机承受不了，通常在逆变器输出端加装输出滤波器，例如正弦波滤波器，改善电机端电压波形。加装滤波器会影响电机电压、电流的相位和幅值，输出频率越高，影响越大，矢量控制系统要求精确控制电机电流的大小和相位，在设计系统时，必须考虑滤波器的影响。把电压、电流传感器放于滤波器之后，直接测电机电压、电流可解决该问题，但若这些测量信号还用于逆变器保护，将影响保护正确性，故应把传感器放于滤波器之前，而在控制软件中，是用测量值和滤波参数计算电机实际的电压和电流值。

滤波器是LCR滤波器，基波fo的单相等值电路示于图3(a)，其LC谐振频率为400Hz左右。

图3 滤波器单相等值电路

图中:Vo和fo是逆变器输出相电压及基波频率

Lf，Cf，Rf-LCR滤波参数

Vm—电机端电压，Lσ—电机漏感

Rf用于阻尼，在ff=0～50Hz(或100Hz)范围内，Rf＜＜1/ωoCf(ωo=2πfo)，它的影响可忽略，认为Rf≈0。在这条件下，逆变器和滤波器可以用一个带内电感Le的等效电源Vem代替，图3(a)简化为图3(b)。

由于ωo2LfC＜＜1及电感参数本身有一定误差，近似认为Le＝Lf。图3(b)还可简化成一个由等效电源Vem供电的漏感为Leσ的等效电机电路图3(c)，其中

在矢量控制中，定子电压向量用定子坐标系(αβ坐标系)的两个分量表示，则等效电机电压

ω0来自矢量控制系统的电机模型。

由图3(a)，电机电流

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在αβ坐标系中，则有

按式(3)和(4)可以从测得的Voα、Voβ和ioα、ioβ算出等效电机的电压和电流(Vemα、Vemβ，imα、imβ)。

4 定子电势emα和emβ计算

矢量控制的关键是磁链观测，众所周知:有电压模型VM和电流模型IM两类观测器，VM通过积分电势计算磁链，在fo≥5%fN范围内精度高，系统按它观测结果工作，在时，fo＜5%fN电势太小，VM不能工作，改用IM，IM用电流计算磁链，需要电机参数多，误差大，但误差与速度无关，低速时仍能工作。通用逆变器应满足所有转速工况，包括低速，两种模型都要用，以VM为主，IM为辅。在IM中所有变量都是直流量(同步机)或滑差频率的交流量(异步机)，变化慢，在数字控制系统中实现无困难，本文不讨论。在VM中的变量是以fo变化的交流量，变化快，数字系统离散计算导致的滞后对其影响大，这节讨论如何克服它对电势计算的影响，下节讨论VM的实现。 VM原理基于

:

在αβ坐标系中的电势分量

式中:RS和Leσ是定子电阻和等效漏感。

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