CN100373759C - 三相四桥臂变换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及三相四桥臂变换器的控制方法，属电力电子变换器领域。本方法涉及的控制方法是，四个桥臂的开关管控制脉冲的产生思路为：四桥臂逆变器的三个桥臂采用SPWM控制或谐波消除技术消除6k±1次谐波(其中k为1、2、3、4等自然数)，第四桥臂的控制脉冲采取SPWM控制或谐波消除技术消除前三个桥臂产生的相电压零序谐波，即通过第四桥臂产生的3k次谐波和前三个桥臂产生的3k次谐波相抵消或近似抵消。本发明通过消除前三个桥臂产生的相电压零序谐波，消除了所有低次谐波，保证了变换器的输出波形质量，适用于中大功率中高频输出的应用场合。采用本发明的方法的三相四桥臂变换器具有开关频率低、输出电压总谐波含量(THD)小、不平衡负载下相电压不平衡度小、输入直流电压利用率高等优点。

Description

三相四桥臂变换器的控制方法

技术领域本发明涉及三相四桥臂变换器的控制方法属电力电子变换器。

背景技术

三相四桥臂变换器的传统控制方法有以下三种：

1.三维空间矢量控制技术

这种技术利用四个桥臂的开关状态形成的16个开关矢量来动态合成三相输出矢量，使其运动轨迹近似在一个磁链圆上。这种技术的缺陷在于开关频率高，不适于中高频输出的应用场合。

2.电压电流双闭环控制技术

这种技术通过对输出电流的动态跟踪，实现了输出电压随负载状况的调整，保证输出电压的波形质量。这种技术的缺陷在于开关频率高，不适于中高频输出的应用场合。

3.正序、负序、零序谐波补偿技术

这种技术通过输出电压、电流的谐波分解，分别跟踪消除对输出电压不平衡度和总谐波含量(THD)影响较大的低次谐波，来实现对输出电压的控制。这种技术的缺陷有：1)控制电路复杂；2)不适于中高频输出的应用场合。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，研制一种能克服现有缺陷的，开关频率低、输出电压总谐波含量(THD)、相电压不平衡度小的变换器。

实现上述目的的三相四桥臂变换器由三相四桥臂逆变器的主电路和控制电路组成。主电路由四个开关管臂对组成四个桥臂，3个桥臂中点接电感L、电容C组成的低通滤波器，三个电容星型联接后与另一桥臂中点相连。控制电路中控制脉冲的产生方法为：

1)四桥臂逆变器的三个桥臂采用谐波消除技术消除6k±1次谐波(其中k为1、2、3、4等自然数)。通过逆变器中开关器件的多次换向，控制逆变器的脉宽调制电压波形，使得桥臂中点电压波形按照傅立叶级数分解得到的基波电压满足一定的幅值要求，低次谐波尽量小。为了减小谐波，一般使波形对称。首先使波形的正半周与负半周对称于零点，即f(ωt)＝－ff(ωt+π)，可以消除偶次谐波。其次要使波形奇对称，即f(ωt)＝f(π－ωt)，可以消除谐波中的余弦项。在1/4周期内选取2k个独立开关角，可以得到一个开关序列。按照此开关序列开关，可以得到桥臂中点的输出电压傅氏分解为

$U_0=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_n\sin \mathrm{n\ωt}(n=\mathrm{1,3,5}...)...\left(1\right)$

假定输入电压的幅值为E，则第n次谐波的幅值为

$U_n=\frac{4E}{\mathrm{n\π}}\[1+2\underset{i=1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^i\cos \mathrm{nn\θi}(n=\mathrm{1,3,5}...)...\left(2\right)$

要消除输出电压中的某次谐波只要令该次的谐波幅值为零。对于三相桥式逆变器而言，在对称负载下，输出线电压中无零序分量，因此只要消除6k±1次谐波即可。三相之间的控制信号相差120°。

2)第四桥臂的控制脉冲频率为前三个桥臂控制脉冲频率的三倍，其控制脉冲产生方法也采取谐波消除技术。通过控制第四桥臂的开关序列，使其产生和前三个桥臂中点电压的零序谐波一致的谐波，控制消除前三个桥臂中点电压中的相电压零序谐波。即

U4_n＝U_3k    (3)

其中U_4n为第四桥臂中点谐波电压(谐波次数相对于3倍逆变器输出电压频率)，n为1，3，5，7......；U_3k为前三桥臂桥臂中点谐波电压，k为1，3，5，7......。

采用SPWM控制产生第四桥臂控制脉冲即通过不同幅值的零序谐波的叠加信号和三角波比较产生第四桥臂控制信号；

采用谐波消除技术控制产生第四桥臂控制脉冲即通过计算开关位置得到开关序列，使得第四桥臂中点电压的低次零序谐波和前三个桥臂产生的低次零序谐波抵消。

本发明通过消除所有低次谐波，保证了变换器的输出波形质量，适用于中大功率中高频输出的应用场合。

本发明的三相四桥臂变换器的控制方法，有下列优点：1)开关频率低，适用于中大功率中高频输出的应用场合，提高了系统可靠性和变换效率、减轻了系统体积重量；2)第四桥臂带来的低次谐波和其他三个桥臂产生的零序谐波相抵消，没有带来附加的低次谐波，系统的输出电压总谐波含量(THD)小；3)第四桥臂的存在为零序谐波提供了通路，相电压的不平衡仅因变换器的内阻抗而引起，不平衡负载下相电压不平衡度小，适用于不对称负载的应用场合；4)输入直流电压利用率高，减小了变换器器件电压应力和相关输入设备的负担。

附图说明

图1.三相四桥臂变换器的主电路。图1(a)为无中线阻抗的三相四桥臂变换器，图2(b)为具有中线阻抗的三相四桥臂变换器。

具体实施方式

本发明的控制技术为适用于图1(a)和图1(b)的开关点预置特定谐波消除技术。

由S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆六个开关管组成的三个桥臂的开关时刻通过计算得到，计算原则为基波满足要求、6k±1次的低次谐波(其中k为1、2、3、4等自然数)满足一定的优化原则，一个周期的开关脉冲满足奇对称和半波偶对称。S₅、S₆组成的桥臂的开关时刻滞后于S₃、S₄组成的桥臂的开关时刻；S₃、S₄组成的桥臂的开关时刻滞后于S₁、S₂组成的桥臂的开关时刻。

由S₇、S₈组成的桥臂的控制方法可以采取SPWM控制或者谐波消除技术。

设输出电压频率为f_o。采用SPWM控制的第四桥臂开关脉冲可以由载波和调制波交截产生。载波一般为三角波；调制波为频率为3f_o的正弦波，或者调制波为由3f_o、9f_o、15f_o等零序谐波按照一定的加权系数叠加而成。采用谐波消除方法控制的第四桥臂开关脉冲时刻可以通过计算得到，计算原则为由S₇、S₈组成的桥臂的桥臂中点电压的傅立叶分解中的1、3、5、7等次谐波分别和其他三个桥臂中的3、9、15、21等零序谐波相抵消。由S7、S8组成的桥臂的开关时刻，其周期为输出电压周期的3倍，即3f_o，一个周期的开关脉冲满足奇对称和半波偶对称。

Claims (2)

1.一种三相四桥臂变换器的控制方法，其特征在于，四桥臂的其中三个桥臂采用SPWM控制或谐波消除技术，第四桥臂控制脉冲采取SPWM控制或谐波消除技术消除前三个桥臂产生的相电压零序谐波，即通过第四桥臂产生的3k次谐波和前三个桥臂产生的3k次谐波相抵消。

2.依据权利要求1所述的控制方法，第四桥臂的控制脉冲产生的第四桥臂中点电压具有和前三个桥臂中点电压对应低次谐波抵消或部分抵消的关系。

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