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高级逆变器模型

1. 概述

        随着新能源汽车 的蓬勃发展,人们对新能源电动汽车提出了越来越多 的需求,作为新能源电动汽车非常重要 的组成部分,电机 的性能遭到了极大 的挑战。如何让电机响应更快、动力性更好、效率更高,如何能够快速开发高性能 的电机总成,满足客户需求,在激烈 的市场中占据自己 的一席之地,已经成为了各大电机、电机控制器厂商亟待解决 的问题。lol总决赛下注作为本土高科技企业,一直致力于电机HIL (Hardware in the loop)测试设备 的研发,将助力电机、电机控制器厂商快速开发高性能产品,满足市场需求。

2. 测试需求

        电机HIL测试设备主要是针对电机控制器进行测试,具备安全、快速、可重复性强等优点,能够对电机控制器 的各项功能进行快速测试。电机HIL测试设备核心部分主要由硬件和模型组成,硬件用于和电机控制器硬件构成电气回路,模型主要包括逆变器模型和电机本体模型,用于和电机控制器 的控制算法构成逻辑回路,硬件和模型 的联合给电机控制器提供了一个完善 的仿真测试平台。文章主要针对电机HIL测试设备中逆变器模型进行详细先容。

3. 逆变器建模

        逆变器 的作用是将直流母线电压调制为交流电压,交流电压产生旋转磁场,带动永磁铁转子(永磁同步电机)或者转子线圈(交流异步电机)转动,根据调制 的方法不同分为SPWM、SAPWM、SVPWM等。本文不对调制方法进行展开,主要集中于单个IGBT和二极管 的仿真建模,研究IGBT或者二极管在打开关闭时电压电流 的变化过程。

 

 

        逆变器一般有两种建模方法,一种方法是把IGBT和二极管当做理想 的开关,开关打开时,开关两端完全断开,开关闭合时,开关两端相当于导线连接。另一种方法是将IGBT或二极管当做可变阻抗,开关打开时,IGBT或二极管相当于电容,开关关闭时,IGBT或二极管相当于电感。方法一对应理想开关模型,方法二对应本文将重点讲述 的高级逆变器模型。

   ● 理想开关模型
        理想开关模型建模方法极其简单,理想开关模型 的基本模型单元是一个桥臂,当上桥臂闭合时,中间点电压等于直流母线正极电压,当下桥臂闭合时,中间点电压等于直流母线负极电压,上桥臂和下桥臂必须一个打开另外一个闭合。

 

 

 

        该建模方法 的优点是算法简单,采用简单查表就行,能从一定层度反应开关对三相电电压 的影响,目前很多电机HIL测试设备均采用该方法建模,但是该建模方法也存在很多 的缺点:
      ♦    没有针对单个IGBT建模,而是针对一个桥臂(两个IGBT) 的开关状态进行建模,这意味着有些算法如半桥控制没法实现,意味着没法对单个IGBT或者二极管进行故障模拟。
      ♦    没有考虑二极管导通情况,开关 的导通由两种可能,IGBT导通或者二极管导通,该建模方法只考虑了IGBT导通。
      ♦    IGBT 的打开和关闭需要时间,这也是死区控制需要考虑 的时间差,该建模方式中IGBT打开和关闭是立即响应 的,不符合IGBT响应特性。
      ♦    该建模方法没法直接从电路原理上实现电流 的回馈。只能通过负扭矩 的方式计算出负电流,从而间接实现能量回收,这和真实系统存在差异。
        基于以上原因,lol总决赛下注开发了高级逆变器模型。

   ● 高级逆变器模型
        高级逆变器模型建模 的原理是:将IGBT或者二极管当做一个可变阻抗,断开时,IGBT或二极管相当于电容,导通时,IGBT或二极管相当于电感。如果直接按照这种方式进行建模,在开关打开闭合切换 的时候会产生电压电流 的不连续,由于逆变器开关频率很快,该建模方式容易导致系统发散。为了解决这个问题,可以将IGBT或者二极管当做一个恒流源和一个固定阻抗并联,如图2所示。其中恒流源 的大小取决于IGBT或者二极管是否导通。阻抗 的大小取决于被模拟电容和电感 的阻抗。

        下面根据一个电阻和IGBT串联 的电路来演示IGBT模型 的工作过程。图3是开关打开过程和闭合过程中IGBT两端电压电流 的变化情况。IGBT驱动信号为高电平时,IGBT打开,流过IGBT 的电流逐渐增大,直到等于E/R,同时IGBT两端 的电压逐渐减小,直到0。IGBT驱动信号为低电平时,IGBT关闭,流过IGBT 的电流逐渐减小,直到等于0,同时IGBT两端 的电压逐渐增大,直到电源电压E。

 

图2. 开关闭合过程演示电路

 

图3. 开关打开闭合过程电压电流变化过程

 

由图2 的等效关系对图1所示电路进行等效:

 

图4. 逆变器等效电路

 

由逆变器等效电路和基尔霍夫定律可以推导出三相电压和母线电流 的计算公式,最终得到逆变器模型如下:

 

图5. 逆变器模型

 

下面演示六个IGBT全部关断时逆变器 的工作情况,这是理想开关模型没法模拟 的。(假设电机转速为100rad/s,逆变器母线电压为580V)

电机按照转速100rad/s空转,会产生感应电动势,感应电动势产生感应电流,图7是电机模型计算得到 的三相感应电流。

 

图6. 电机三相电流

 

三相感应电流流入逆变器,会计算出三相电压,从图中可以看出三相电压 的峰值约为28V,而感应电动势为

 

两者基本相等,不完全相等 的原因是电机线圈上存在部分压降。

 

图7. 电机三相电压

 

        电机 的最终输出扭矩为0,如图8所示,这和实际情况是相吻合 的。高级逆变器模型弥补了理想开关模型 的缺点,能够更加真实地复现IGBT和二极管 的打开关闭过程;能够模拟出感应电动势对电机、逆变器 的影响;能够直接从电路原理上实现能量回收。

 

图8. 电机转速扭矩

 

   ● 优缺点对比

 

 

4. 结语

        电机控制器HIL测试设备能够在实验室环境下进行,设备可靠性高、集成度好、易于使用和配置,便于维护和扩展,同时,配备强大 的自动化测试功能能够极大 的提高测试质量和效率。

 

 

 

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