[发明专利]五桥臂逆变器的优化调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子变换器的控制方法，尤其涉及提高五桥臂逆变器驱动双异步电机性能的控制方法，特别是提高五桥臂逆变器电压利用率的PWM调制方法和优化五桥臂逆变器线电压输出的PWM调制方法。

背景技术

简单的电力拖动系统主要由一台逆变器驱动一台电机带负载调速运行，然而在纺织、造纸、采油、汽车、航天等许多工业应用领域中，大多需要多台电机同时带载运转，出于性能指标、系统冗余、经济实效等需求，往往会采用多机传动系统。研究表明五桥臂逆变器作为驱动源将一个公共桥臂同时连接到两台电机上可以驱动两台异步电机同时独立运行。相比传统的双逆变器并联结构，五桥臂逆变器不仅可以降低系统硬件成本也可以作为双电机调速系统的容错运行模式，可以有效地提高双异步电机调速系统的可靠性。但传统的五桥臂逆变器调制策略存在电压利用率低、输出线电压波形差等缺点，限制了五桥臂逆变器驱动双异步电机的应用。

图1是五桥臂逆变器驱动双异步电机系统拓扑结构，包括输入直流母线(1)、五桥臂逆变器(2)、2台异步电机M1与M2(3)。其中(2)包含五个桥臂共10个开关器件S_ij(i＝1，2，3，4，5；j＝1，2)。i代表第i号桥臂；j＝1代表上桥臂，j＝2代表下桥臂。为便于后文分析，将五桥臂逆变器的桥臂如图1分为两组：1号、2号、3号桥臂记为逆变器A，用以驱动M1；3号、4号、5号桥臂记为逆变器B，用以驱动M2。其中3号桥臂作为逆变器A与逆变器B的公共桥臂，同时连接到两台电机的公共相c(c₁与c₂)，而其余桥臂各自连接到电机的一相。

图2是五桥臂逆变器采样周期划分表。

图3是两台电机对应逆变器电压矢量合成图。u_r1对应逆变器A，u_r2对应逆变器B。假设两台电机的电压空间矢量u_r1与u_r2在同一坐标系内相互独立并分别以角速度ω1与ω2运动。

为实现两台电机的独立控制，需要对逆变器的每一个桥臂进行独立控制。由于2个逆变器有一个公共桥臂，所以无法直接应用传统的SVPWM算法。因此为了有效利用公共桥臂让逆变器A与逆变器B都能正常工作，在五桥臂逆变器的控制策略中利用了零矢量的幅值和相位均为零的无效工作状态的概念，将采样周期分段调制如图2所示：在前半个采样周期内逆变器A按直接采用SVPWM进行控制，而逆变器B工作在零矢量状态，即4号桥臂和5号桥臂开关状态始终与3号桥臂保持一致。后半个采样周期与之相反，即逆变器B直接采用SVPWM调制，逆变器A工作在零矢量状态，1号桥臂和2号桥臂开关状态始终与3号桥臂保持相同状态。这样就实现了同一个采样周期内对两台电机的独立控制。

图4是根据表1所示的采样周期划分得到传统的五桥臂逆变器调制策略电压空间矢量分布图。其中α₁和β₁分别为前半个采样周期内合成逆变器A输出电压矢量u_r1的两个非零电压矢量。α₂和β₂分别为后半个采样周期内合成逆变器B输出电压矢量u_r2的两个非零电压矢量。α₁、β₁、α₂、β₂在一个采样周期内的作用时间可以根据SVPWM调制原理计算得到。

确定每个采样周期内的电压矢量后需要确定各电压矢量的作用时间。应用SVPWM调制原理计算图4中各段非零矢量占空比计算公式如下：