不同母线钳位PWM的对比研究

第３０卷第７期　２０１３年７月　机　电　工　程　Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．７　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕ１．２０１３　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５５１．２０１３．０７．０２０　不同母线钳位ＰＷＭ的对比研究　崔　琳，陈阳生　（浙江大学电气工程学院，浙江杭州３１００２７）　摘要：为了有效减小功率器件的开关损耗，在传统ＳＶＰＷＭ（ＣＳＶＰＷＭ）的基础上，通过合理选择和放置零矢量，实现了不同效果的母　线钳位ＰＷＭ（ＢＣＰＷＭ）。通过对比分析ＣＳＶＰＷＭ和３种典型的ＢＣＰＷＭ的相电流谐波、相电压波形、开关损耗，以及中性点电压波　动对电机轴承的影响，得出了ＢＣＰＷＭ策略的优劣；最后，通过实验进一步验证了ＢＣＰＷＭ的可行性。仿真及实验结果表明，与ｃｓ—　ＶＰＷＭ相比，ＢＣＰＷＭ控制下功率器件的开关损耗减小，尤其是采用负载功率因数角动态确定零矢量的ＢＣＰＷＭ３策略开关损耗最　小；但是ＢＣＰＷＭ控制下电流的谐波畸变率（ＴＨＤ）升高，ＢＣＰＷＭ２和ＢＣＰＷＭ３策略下中性点电压变化率很大，加剧了电机轴承的　损坏。　关键词：母线钳位ＰＷＭ；谐波；开关损耗；中性点电压；谐波畸变率　中图分类号：ＴＭ４６；ＴＨ３９　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２０１３）０７—０８５６—０６　Ｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｂｕｓｃｌａｍｐｉｎｇ　ＰＷＭ　ｍｅｔｈｏｄｓ　．——ＣＵＩ　Ｌｉｎ，ＣＨＥＮ　Ｙａｎｇ—ｓｈｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｖｉｃｅ，ｓｅｖｅｒａｌ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｂｕｓ—ｃｌａｍｐｉｎｇ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＢＣＰＷＭ）ｗｅｒｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｌａｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ　ｖｅｃｔｏｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｃｌａｓｓｉｃｌａ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＣＳＶＰＷＭ）．Ｈａｒ－　ｍｏｎｉｃｓ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｆｌｕ—　ｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｏ　ｎｅｕｒａｌ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＢＣＰＷＭ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｅｘ—　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ＣＳＶＰＷＭ，ＢＣＰＷＭ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ，ｅｓｐｅ—　ｃｉａｌｌｙ　ｗｈｉｃｈ　ｏｆ　ＢＣＰＷＭ３　ｔｈａｔ　ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ　ｖｅｃｔｏｒｓ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｔｉｍｅ，ＢＣＰＷＭ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＴＨＤ）ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｌｆｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｏ　ｎｅｕｒａｌ　ａｒｅ　ｌａｒｇｅｒ　ｉｎ　ＢＣＰＷＭ２　ａｎｄ　ＢＣＰＷＭ３，ｗｈｉｃｈ　ａｇｇｒａｖａｔｅ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｂｅａｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｕｓ—ｃｌａｍｐｉｎｇ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＢＣＰＷＭ）；ｈａｒｍｏｎｉｃ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ；ｖｏｌｔａｇｅｓ　ｔｏ　ｎｅｕｔｒｌ；ｔａｏｔａｌ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　（ＴＨＤ）　０　引　言　电压空间矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）是一种应用非常广　泛的开关调制策略。在高开关频率的伺服控制系统　开关电压固定，减小开关损耗只有从减小开关频率和　减小开关电流人手。文献［１—３］仅从零矢量的选择和　放置来减小开关次数，有的方法对纯阻性负载效果显　著，有的方法对负载功率因数角大于或等于３０。效果　显著；文献［４］对多种方案的谐波定性和定量分析，得　出一种谐波较小的方案；文献［５］提出根据负载功率　中，以及一些有源滤波和无功补偿等大容量、高电压领　域中，减小开关损耗尤为重要。由于电压型逆变器中　收稿日期：２０１２—１２—２８　作者简介：崔琳（１９８７一），女，云南曲靖人，主要从事伺服电机控制方面的研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｃ１．ｒｕｏｈａｉ＠１６３．ｃｏｎ　通信联系人：陈阳生，男，教授，博士生导师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｓｃｈｅｎ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　第７期　崔琳，等：不同母线钳位ＰＷＭ的对比研究　互上．量．　．生．土　４：２：２：２：２：２：４．　ＰｗＭ　因数角动态分配零矢量，有效地降低了功率器件的最　大开关电流；文献［６］提出的双开关分区钳位策略，在　＿『丁『］ｉ　每个载波周期内开关总次数虽未明显减小，但大大削　弱了谐波。总之，各种低功耗ＳＶＰＷＭ方案的共同点　在于，通过适当选择零矢量使每个周期内的开关次数　由６次减为４次，并将不动作一相的输出电压钳位到　母线电压或者零伏，故称母线钳位ＰＷＭ（ＢＣＰＷＭ）。　本研究对比分析传统ＳＶＰＷＭ（ＣＳＶＰＷＭ）及不同　的ＢＣＰＷＭ，从相电流谐波、相电压波形、开关损耗、中　性点电压波动几个方面进行仿真研究，并进行实验　验证　１　不同母线钳位ＰＷＭ策略　１．１传统ＳＶＰＷＭ策略（ＣＳＶＰＷＭ）　三相桥式电压型逆变器有８种工作状态，可用空　间电压矢量表示。６条模为２Ｕｄ／３的电压矢量将磁链　圆所在平面均分为６个扇区，对于任意扇区内的电压　矢量，均可由该扇区两边的基本电压矢量来合成。　电压矢量的作用时间示意图如图１所示，以第一　扇区为例，两相邻电压矢量及零矢量作用时间分别为：　图１　电压矢量的作用时间示意图　．　．　ｉｎ（６０　）　（１）　ｕｄｃ　：　．　－ｓｊｎ　（２）　ｕ　ｄ０　Ｔｏ＝　—ＴＩ一　（３）　ＣＳＶＰＷＭ将％均分给两个零矢量　、　，分别作　用于ＰＷＭ载波的两端和中间。ＣＳＶＰＷＭ下各个扇区　的电压矢量分配示意图如图２所示。　ＢＣＰＷＭ与ＣＳＶＰＷＭ的区别在于零矢量的选择　与放置。ＢＣＰＷＭ在每个调制周期内，只选择一种零　矢量并集中放置，有以下３种方式。　１．２　ＢＣＰＷＭ策略一（ＢＣＰＷＭ１）　６个扇区都使用单一零矢量，放置在ＰＷＭ载波中　间。在一个电压周期内，只用零矢量　的每相桥臂在　该相电压的负半周有１２０。的扇区不开关，只用零矢量　的每相桥臂在该相电压的正半周有１２０。的扇区不　ｉ＿　ＰＷＭ３ｉｒ　’ｒ’’　Ｔ。。１ｆ　Ｐ－１　。。。ｆ。。。＇１　；　；　；　；　；　（ｏｏｏ）（１ＯＯＸ１１０）（１１１）（１ｌＯ）（１ｏｏ）（ｏｏｏ）　（ａ）电压矢量作用顺序图　ｆｂ）扇区①电压矢量分配图　ＰＷＭ１广——］　厂＿］　几　ｎ　厂＿］广——］　ＰＷＭ２厂＿］广——］ｒ＿——］　广＿］　几　ｎ　ＰＷＭ３　ｎ　几　厂＿］广——］厂——］厂＿］　①　②　③　④　⑤　⑥　ｆｃ各扇区ＰｗＭ状态图　ｃ】图２　ＣＳＶＰＷＭ下各个扇区的电压矢量分配示意图　开关，故开关总次数减少了１／３。两种方法输出相电　压的调制波波形相反，谐波分布和幅值却完全一致。　鉴于伺服驱动控制多为感性负载，本研究用　的方　法。ＢＣＰＷＭ１下各个扇区的电压矢量分配示意图如　图３所示。　．　．玉．三．三．工．玉．　；２；２；２；２　２　ｉ　２；　Ｍ。　；　＿『＿『１ｊ　ｉ　ｉ　　；　ＰＷＭ２；　厂『］；；　ｉ　ｊ　ｉ　；　；　；　ＰＷＭ３：　：　：　：　：　：　：　ｊ　ｏ０Ｏ　‘（１１ｊ　ｏ）　ｊ　１００Ｘ０ｊ　００）＇ｊ　　（ａ）电压矢量作用顺序图　（ｂ）扇区①电压矢量分配图　ＰＷＭ１广—］ｒ＿］————ｎ厂—］　ＰＷＭ２　ｒ＿］厂—］广—］广］————　ＰＷＭ３————　厂＿］厂—］ｒ—］　厂＿］　①　②　③　④　⑤　⑥　（ｃ】各扇区ＰｗＭ状态图　图３　ＢＣＰＷＭ１下各扇区的电压矢量分配图示意图　１．３　ＢＣＰＷＭ策略二（ＢＣＰＷＭ２）　不同扇区也可以交替使用零矢量，例如：①、③、⑤　扇区选用　；②、④、⑥扇区选用　。一个电压周期　内，每相有两个互差１８０。，宽６０。的扇区不开关。ＢＣＰ—　ＷＭ２下各扇区的电压矢量分配示意图如图４所示。　机　电　１．４　ＢＣＰＷＭ策略三（ＢＣＰＷＭ３）　ＢＣＰＷＭ策略三将矢量平面划分为１２个扇区，　根据负载功率因数角　动态调整零矢量放置的位　置，即不开关扇区的位置，尽可能使功率器件在负　载电流较大区域不作开关动作，最大限度减少开关　次数和开关电流，从而实现最小开关损耗。ＢＣＰ—　ＷＭ３下各个扇区的电压矢量分配示意图如图５　所示　（ａ）电压矢量作用顺序图　（ｂ）扇区划分详图　ＰＷＭＩ———１厂一］　厂厂］厂］——　ＰＷＩｖＩ２厂］］　广］厂————］厂　ＰＷＭ３　厂＿］————　厂＿］广—］］　广　①　②　③　④　⑤　⑥　ＰＷＭＩ——　门广］　］　厂］　厂一　ＰＷＭ２］　厂广—］　ｎ————　厂＿］　ＰＷＭ３］广————］广］　厂广］　⑦　⑧　⑨　⑩　⑩　⑩　（ｃ）各扇区ＰｗＭ状态图　图５　ＢｃＰｗＭ３下各个扇区的电压矢量分配示意图　功率器件的开关损耗可以根据开关电压、电流及　开关能耗来进行估算　：　Ｐ　＝　‘∑　（ｉ　）　（４）　，，　（ｉ）＝（　（，　，Ｕ　）＋　（Ｌ，　））　・　（５）　Ｊｎ　Ｕｎ　式中：，　，　一器件额定电流、额定电压；Ｗｏ　，Ｗｏ　一功　率器件在额定电流、电压下每次开通和关断的能量损　耗（这些数据可以在功率器件的资料中获得）；　一开　关频率；　一器件开关瞬间的电流；　器件在实际电路　中所承受的直流电压。　通过减小开关时刻的瞬间电流，能进一步减小开　关损耗。尽可能使功率器件在负载电流较小的扇区动　作，将不开关扇区移到最大负载电流区，就是一种有效　减小开关电流的方法。如图５（ａ）所示，本研究定义正　半周６０。不开关扇区的中点滞后该相给定电压正峰值　的角度为该相不开关扇区滞后角ＯＬ。设逆变器三相对　称负载的功率因数角为　，若使　＝　，则每相每周期　的两个６０。不开关扇区恰好落在该相电流正、负半周　幅值最大的两个６０。扇区。参考图５（ａ）可知，以Ａ相　为例，在扇区⑩、①构成的６０。区域内Ａ相保持上臂通　下臂断的状态，在扇区⑥、⑦构成的６０。区域内保持上　工　程　第３０卷　臂断下臂通。ｏ／＝３０。时取得最大滞后角，ＢＣＰＷＭ３转　变为ＢＣＰＷＭ２。（２／＝一３０。时取得最大超前角。一个　周期内ＯＬ、零矢量取值如下：　ｒ　ｌ　Ｉ≤３０。　Ｏｔ＝｛３【０。　＞３０。　（６）　一３０。（ｐ＜一３０。　ｔｏｔ∈［０，３０。＋　］ｔ＿Ｊ［３３０。＋　，３６０。］　Ｖｏ　ｔｏｔ∈［３０。＋　，９０。＋０ｃ］　ｔｏｔ∈［９０。＋ｏｔ，１５０。＋　］　＝　Ｖｏ　ｔｏｔ∈［１５０。＋Ｏ／，２１０。＋　］　’，７　ｃｏｔ∈［２１０。＋ＯＬ，２７０。＋　］　Ｖｏ　ｔｏｔ∈［２７０。＋　，３３０。＋　］　（７）　由图５（ｂ）可知，当电压矢量位于扇区①、②的分　界线上时，根据正弦定理，有：　：　（８）、一，　　１　１　１　２　故本研究在ＣＳＶＰＷＭ扇区划分的基础上，通过判　断　和ｓｉｎ（３０。一ＯＬ）　／ｓｉｎ（３０。＋仅）的大小来进一步　细分，可得到１２个扇区。　２不同ＳＶＰＷＭ的仿真分析　本研究在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下搭建仿真模型，　构造一个三相电压型逆变器，永磁交流同步电机作为　负载，电机额定功率因数ｃｏｓｑ￣＝０．９８，不开关扇区滞　后角　＝１０。。母线电压Ｕｄｃ＝２００　Ｖ，ＰＷＭ频率为　１０　ｋＨｚ，开环测试。定义调制比Ｍ＝２　Ｉ　Ｉ／Ｕｄ　（Ｉ　Ｉ　为输出相电压基波峰值）。０≤Ｍ≤１．１５为线性调制　区，１．１５＜　≤１．２７为过调制区。过调制时，给定电压　矢量的相位和幅值发生变化，直接改变两个非零矢量　的作用时间　、　是一种算法简单、易于实现的方　法　。　２．１电压电流分析　不同调制比下，４种ＳＶＰＷＭ调制的相电流　的　谐波畸变率（ＴＨＤ）变化曲线如图６所示。可见，　≤　１．１５的线性调制区内，随着调制比的增加，４种ＰＷＭ　调制输出相电流的ＴＨＤ减小，且３种ＢＣＰＷＭ的电流　畸变要高于ＣＳＶＰＷＭ。进入过调制区后，４种策略输　出相电流的ＴＨＤ基本一致。　ＳＶＰＷＭ以产生电枢绕组正弦波电流为目的，用８　种开关状态产生的实际磁链来逼近基准磁链圆。扇区　①内的电流变化图如图７所示，平滑曲线为理想电流　第７期　崔琳，等：不同母线钳位ＰＷＭ的对比研究　・８５９・　图６　４种ＳＶＰＷＭ相电流的ＴＨＤ对比　波形，电压矢量的分段逼近产生了实际电流ｉ。，且　围绕　上下波动。ＣＳＶＰＷＭ在一个调制周期内波动　两次，振幅较小，ＢＣＰＷＭ由于零矢量集中放置，只波　动一次，振幅较大。所以ＢＣＰＷＭ下的电流ＴＨＤ较　大。当调制比　较低时，即给定电压矢量幅值低，相　应的非零矢量作用时间短，零矢量作用时间长，故　ＢＣＰＷＭ下的电流ＴＨＤ明显高于ＣＳＶＰＷＭ下的电　流ＴＨＤ。　（ａ）ＣＳＶＰＷＭ　（ｂ）ＢＣＰＷＭ　图７扇区①相电流波动图　４种ＳＶＰＷＭ在不同调制比　下，逆变器输出的　相电压波形如图８所示。经快速傅里叶变换（ＦＦＴ）　…　圈国匿四　ＢＣＰＷＭｌ　＞　一　薹亘　匿　薹西　圈国旦　茎　圈厘　厘　Ｍ＝Ｏ．２　６　Ｍ＝Ｉ　１５　Ｍ＝Ｉ　１９　Ｍ＝Ｉ．２７　图８　４种ＳＶＰＷＭ在不同调制比下相电压波形　分析，４种方式的相电压基波一致，最大基波幅值均　为　ｄ　／　。比ＳＰＷＭ调制的直流电压利用率提高　了ｌ５％，相当于向基波中加入一定比例的谐波，以　削平基波幅值来提高直流电压利用率。ＣＳＶＰＷＭ　的相电压谐波中主要为３次谐波，ＢＣＰＷＭ１的相电　压含有一个直流偏移量，谐波主要为３次谐波。　ＢＣＰＷＭ２和ＢＣＰＷＭ３的谐波主要是３次及３的倍　数次的谐波，其中的奇次谐波含量较高。以Ａ相为　例，３种ＢＣＰＷＭ的相电压调制波函数表达式分别　如下：　，　２　ｓｉｎ　一１　０≤　＜１２０。　Ｍ　（ｔｏｔ）＝？【　２Ｍｓｉｎ（ｔｏｔ一６０。）一１　１２０。＜￣ｔｏｔ＜２４０。　（９）　一１　２４０。≤ｃｃＪｆ＜３６０。　０≤ＣＯｔ＜６Ｏ。　６０。≤　ｆ＜１２０。　２０￣－－＜．ｔｏｔ＜１８０Ｍ＾（ＣＯｔ）　『　１　＿＋ｌ１　　Ｉ２　∞０６㈣＋。　１　８８　０。≤∞…ｆ＜　。２４０。（　１０）　２４０。≤ＣＯｔ＜３０ｏ。　３００。≤（Ｅ，ｆ＜３６０。　３０。一　≤ｔｏｔ＜３０。＋　３０。＋　≤ＣＯｔ＜９０。＋　９０。＋Ｏ／≤ＣＯｔ＜１２０。＋Ｏｔ　ｕ＾（ＣＯｔ）＝　１２０。＋　≤ＣＯｔ＜１８０。＋　１８０。＋０ｃ≤ＣＯｔ＜２４０。＋Ｏｔ　２４０。＋Ｏｔ≤ｔｏｔ＜３００。＋Ｏｔ　（１１）　２．２开关损耗计算　由公式（４，５）可知，功率器件的开关损耗取决于开　关频率　和单次开关动作的损耗　。４种ＳＶＰＷＭ在　一个电压周期内功率器件的开关次数如表１所示。假　设一个电压周期内，脉冲个数为Ｎ，６个功率器件的总　开关次数为Ｐ。　表１　４种ＳＶＰＷＭ在一个电压周期内的开关次数　实际系统中，确定功率器件能耗的直流电压　不　同于直流母线电压，ＩＧＢＴ在额定电流和电压下开通和　关断的损耗值　也不相等。本研究的仿真分析　主要关注４种调制策略下开关损耗随电流的变化趋　势，故简化地设Ｉｎ＝２５　Ａ，Ｕｎ＝３００　Ｖ，　＝　＝　１．４　ｍＪ／ｐｕｌｓｅ，Ｕ—Ｕｄ　＝２００　Ｖ，　为开关瞬间流过ＩＧＢＴ　的电流。某相上桥臂ＩＧＢＴ的开关损耗随时间的变化　规律如图９所示。　・８６０・　机　电　▲　▲　▲　▲　１＇．　１＇Ｉ，　１＇Ｉ一，ｒ　一，ｒ　▲　▲　▲　▲　、　ｒ　＿＇　ｒ　—　ｒ　＿　，　１＇Ｉ　ｒ　１．．ｒ　，　一　１＿，ｒ　１＿－一－『　一－．　，　图９　４种ＳＶＰＷＭ下开关损耗随时间的变化趋势　显然，由于不开关扇区滞后角的引入，ＢＣＰＷＭ３　在该相电流最大时基本不动作，可将功率器件的最大　开关电流降低１３％（１一ｓｉｎ６０。＝１３％），在减小开关损　耗上效果最显著。　几种ＳＶＰＷＭ开关损耗的大小关系为：　Ｐ　ｗｃｓｖＰｗＭ＞Ｐ　ｗＢｃＰｗＭ１＞ＰｓｗＢＣＰｗＭ２＞Ｐｓｗ—ＢＣＰｗＭ３（１　２）　２．３中性点电压波动对电机的影响　ＰＷＭ逆变器的使用大大提高了交流电机性能，但　也对电机产生了不良影响。对电机的可靠性研究结果　表明，２５％的电机轴承损坏是由于ＰＷＭ逆变器共模　电压的ｄｕ／ｄｔ引起的，产生所谓的“轴电压”和“轴承　电流”　Ｊ。　共模电压　。　为电机中性点对地的零序电压，即　中性点电压：　：Ｕｏ　（１３）　式中：Ｕ。，Ｕ６，Ｕ　一Ａ、Ｂ、Ｃ三相的相电压。　当ＰＷＭ逆变器驱动电机时，中性点电压与开关　状态的关系如下：　（１００）、（０１０）、（００１）　一　（Ｓ。Ｓ６Ｓ　）＝　（１１０）、（０１１）、（１０１）Ｕｏ＝Ｕｄ　式中：Ｊｓ。，．Ｓ　，Ｓ　一三相开关的状态。　由此可见，ＰＷＭ逆变器的本质特性决定其共模电　压不为零。　当功率器件的开关频率和中性点的ｄｕ／ｄｔ达到　工　程　第３０卷　一定水平后，由于电机定转子及绕组间存在电容耦　合，将建立轴电压（转轴对地电压）。由于转轴与轴　承内圈连接，轴承外圈与电机机壳接触，当轴电压超　过轴承问润滑剂形成的电介质能承受的最大电压　时，会有电流流过轴承，使轴承局部温度迅速升高，　熔化产生凹槽，增加轴承机械磨损，同时还因增加了　润滑剂中的杂质数量而使噪声加强，降低轴承的机　械寿命¨…。　不同调制比　下，４种调制策略的中性点电压　波形如图１Ｏ所示。中性点电压的基波幅值如表２所　示。可以发现，当采用ＢＣＰＷＭ２和ＢＣＰＷＭ３，且工作　在线性调制区时，中性点电压的ｄｕ／ｄｔ会很大，一旦建　立起来的轴电压超过轴承电压的击穿阈值，轴承电流ｉ　＝Ｃｄｕ／ｄｔ就很大。所以这两种ＢＣＰＷＭ会不同程度　地加速电机轴承的损坏。　一ｓＢＣＰＷＭ．２１　５０ｏ　ｌＨＩ—　｝¨ｆ¨１—ｌｒ　—１十　一ｌＨｒ¨　｛ＩＢＣＰＷＭ３薹．５　ｎｏ０　）臃Ｈ｝叫Ｌ卜　叫卜１ｕ　卜叫Ｉｒ¨．　］１　图１０　４种ＳＶＰＷＭ在不同调制比下中性点电压波形　表２　４种ＳＶＰＷＭ在不同调制比下中性点电压基波幅值　ＣＳＶＰＷＭ　ＢＣＰＷＭ１　ＢＣＰＷＭ２　ＢＣＰＷＭ３　３　实验结果　为了验证以上方案的可行性，笔者进行了实验验　证。本研究实验平台选用盛迈公司１　ｋＷ伺服驱动系　统，驱动器的数字处理芯片为德州仪器（ＴＩ）公司的　ＴＭＳ３２０Ｆ２８２３４。实验中，额定转速下工作２　ｈ，ＢＣＰ．　第７期　崔琳，等：不同母线钳位ＰＷＭ的对比研究　・８６１・　ＷＭ控制下的驱动器温度比ＣＳＶＰＷＭ控制下的约低　２１　Ｏ　（１）在线性调制区，ＢＣＰＷＭ下的相电流ＴＨＤ明　０　１一　．　１　０　０　１一　．　５ｌ５０５　５２　２５１５Ｏ　５＿５２　３℃，电流波形稍变差，噪音加强。　调制比Ｍ＝０．６时，４种ＳＶＰＷＭ下相电流　的波　形如图１２所示。由波形可见，ＢＣＰＷＭ策略下电流的　谐波加剧，与理论分析和仿真研究相符。ＴＨＤ分析结　果也验证了该现象。　４结束语　在ＳＶＰＷＭ调制中，零矢量的选择有一定的灵活　性，通过适当地选择和放置，不仅可以减少开关次数，　而且能避免在负载电流较大的时刻开关，最大限度地　减少开关损耗。但是具体的应用需从电流畸变，开关　损耗以及中性点电压等方面综合考虑。本研究通过对　比分析ＣＳＶＰＷＭ及３种ＢＣＰＷＭ策略，得到如下　结论：　：　：　３　（ａ）ＣＳＶＰＷＭ　ＢＣＰＷＭ１相电流波形　｛　３　３　（ｃ）ＢＣＰＷＭ２　朋ｑｚ　ＢＣＰＷＭ３相电流波形　ＢＣＰＷＭ３相电流１ＨＤ　：　１－５１　星３　．３　，２　图１２　４种ＳＶＰＷＭ实验中的相电流　显高于ＣＳＶＰＷＭ下的；在过调制区，４种ＳＶＰＷＭ的相　电流ＴＨＤ基本一致。　（２）线性调制区，功率器件的开关损耗大小关系　为：Ｐ。ｗ　ｃｓｖＰＷＭ＞Ｐｓｗ　ＢｃＰＷＭ１＞Ｐ　ｗ＿ＢｃＰｗｍ＞Ｐｓｗ　ＢｃＰＷＭ３。　（３）在线性调制区，　ＢＣＰＷＭ２　和　ＢＣＰＷＭ３下中性　＿点电压ｄｕ／ｄｔ较大，从而轴承电流较大，对电机轴承损　坏严重；在过调制区，４种调制策略的差距不大。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　［１］ＴＲＺＹＮＡＤＬＯＷＳＫＩ　Ａ　Ｍ，ＫＩＲＬＩＮ　Ｒ　Ｌ。ＬＥＧＯＷＳＫＩ　Ｓ　Ｆ．　Ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｗｉｔｈ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ　ａｎｄ　ａ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｕｌｓｅ　ｒａｔｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓ－　ｔｒｉａｌ　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉＣＳ，１９９７，４４（２）：１７３－１８１．　［２］ＴＲＺＹＮＡＤＬＯＷＳＫＩ　Ａ　Ｍ，ＬＥＧＯＷＳＫＩ　Ｓ．Ｍｉｎｉｍｕｍ．１ｏｓｓ　ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，１９９４，９（２）：２６．３４．　［３］袁泽剑，钟彦儒，杨耕，等．基于空间电压矢量的最小开　关损耗ＰＷＭ技术［Ｊ］．电力电子技术，１９９９（３）：ｌ２．１５．　［４］　王立乔，林平，张仲超．最小开关损耗空间矢量调制的　谐波分析［Ｊ］．电力系统自动化，２００３，２７（２１）：３０－３７．　［５］　张桂斌，徐政．最小开关损耗ＶＳＶＰＷＭ技术的研究与　仿真［Ｊ］．电工技术学报，２００１，１６（２）：３４－４０．　［６］　ＮＡＲＡＹＡＮＡＮ　Ｇ，ＫＲＩＳＨＮＡＭＵＲＴＨＹ　Ｋ，ＺＨＡＯ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．　Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｂｕｓ－ｃｌａｍｐｉｎｇ　ＰＷＭ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃ．　ｔｒｏｎ，２００６，２１（４）：９７４－９８４．　［７］ＤＩＴｒＭＡＮＮ　Ｎ，ＳＣＨＵＬＺ　Ａ，ＬＯＤＤＥＮＫＯＴＦＥＲ　Ｍ．Ｐｏｗｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｉｗｔｈ　ｎｅｗ　ｅｃｏｎｏ—ＰＩＭ　ＩＧＢＴ　ｍｏｄｕｌｅｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９８　（２）：１０９１－１０９６．　［８］　黄碧霞．永磁同步电机及其控制系统的仿真研究［Ｄ］．杭　州：浙江大学电气工程学院，２００８．　［９］　黄立培，浦志勇．大容量ＰＷＭ逆变器对交流电机的轴电　压和轴承电流的影响［Ｊ］．电工电能新技术，２０００，１９　（４）：３９＿４３．　［１０］　姜艳姝．陈希有．徐殿国．等．一种消除ＰＷＭ逆变器驱　动系统中电动机端轴电压和轴承电流的前馈有源滤波　器［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３（７）：１３４－１３８．　［编辑：李辉］