CN102751897A - 一种三阶spwm逆变控制方法、逆变器及数码发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三阶SPWM逆变控制方法、逆变器及数码发电机。所述方法用于由4个功率管搭接成单相桥式逆变电路的逆变器主电路，包括以下步骤：生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通过将第一和第二正弦波分别与同一个三角波载波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号；以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器两个桥臂中的4个功率管，生成单相三阶SPWM逆变输出电压。
Description
技术领域
本发明涉及数码发电机技术，尤其涉及一种应用于数码发电机的三阶SPWM逆变控制方法。
背景技术
数码发电机是利用永磁同步发电机和逆变控制器，将汽油机化学能转变为电能的便携式发电设备。与传统的普通发电机相比，具有显著的体积小、重量轻、噪音低、对环境污染少、节能且输出电压品质极高等特点，应用领域越来越广。
图1是数码发电机系统构成示意图。所述数码发电机包括：内燃机10，通过汽油燃烧提供动能；永磁同步发电机11，根据负载的变化发出变压变频（既不稳压也不稳频）且频率比市电频率高很多的三相交流电；三相半控整流电路12，将上述三相交流电整流并经电容滤波为合适的直流电；逆变器13和LC低通滤波器14将三相半控整流电路12输出的直流母线电压（Udc）转换为稳压稳频（如120V/60Hz、230V/50Hz）输出的单相交流电，向负载15输出。对于数码发电机而言，其核心是实现交流输出的逆变器13主电路及其控制单元。
逆变器13和LC低通滤波器14是将直流电转化为交流电的电力电子装置，在中小功率数码发电机中实现将三相交流发电机发出并经整流滤波后的直流母线电压（Udc）逆变为稳压稳频的单相交流电Uo（如120V/60Hz、230V/50Hz等），其主电路的结构示意图见图2所示。逆变器13中的4个IGBT或功率MOSFET等全控型功率管AH、AL、BH和BL构成单相桥式逆变电路，采用正弦脉宽调制（SPWM）方式进行控制，再经高频电感电容构成的LC低通滤波器14，得到单相交流输出电压Uo。实测输出电压波形见图3。其逆变器结构具有电路简单、输出电压总谐波失真（THD）小等优点，是单相输出的典型拓扑。
对所述逆变器13的单相桥式逆变电路，采用传统的二阶SPWM逆变控制方法（即逆变器13的输出电压中只有+Udc和-Udc两种电平），二阶SPWM输出的开关频率等于逆变器13主电路功率管的工作频率，是传统的单相SPWM波形产生方法。对图2所示的逆变器13的主电路，参见图4所示二阶SPWM逆变控制和逆变器输出电压波形图，其采用三角波为载波、正弦波为调制波，生成逆变控制信号即二阶SPWM波。当控制功率管AH、BL按照图4中所示的SPWM波形导通与关断，AL、BH接收与之互补的驱动信号时，可以得到二阶SPWM输出电压波形。当AH、BL功率管导通时，逆变器13输出正电压（+Udc）；当AL、BH功率管导通时逆变器13输出负电压（-Udc）。
二阶SPWM逆变控制方法虽然是在现有数码发电机产品中广泛应用的逆变控制方式，但其具有开关损耗偏大致使逆变效率偏低、谐波较大和滤波器较大等缺点，需要对其进行改进。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种三阶SPWM逆变控制方法，其可以采用图2所示的与传统二阶SPWM逆变控制方法完全相同的逆变器主电路拓扑结构，即不增加任何硬件成本，仅通过对调制方式加以变更，就可以得到三阶SPWM波形（即逆变器13的输出电压中含有+Udc、-Udc和0三种电平），使逆变器13的输出频率比功率管的开关频率增大了一倍且仍为SPWM波形。
本发明提供的三阶SPWM逆变控制方法，用于由4个功率管搭接成单相桥式逆变电路的逆变器主电路，包括以下步骤：生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通过将第一和第二正弦波分别与同一个三角波载波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号；以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器两个桥臂中的4个功率管，生成单相三阶SPWM逆变输出电压。
优选地，所述单相三阶SPWM逆变输出电压的频率是所述逆变器中功率管开关频率的两倍。
优选地，所述三角波载波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。
采用以上介绍的逆变控制方法，本发明还提供了一种三阶SPWM逆变器，包括由4个功率管搭接成单相桥式逆变电路的主电路，还包括三阶SPWM发生电路，所述三阶SPWM发生电路生成第一和第二二阶SPWM控制信号，并以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器主电路两个桥臂中的4个功率管，生成单相三阶SPWM逆变输出电压。
优选地，所述三阶SPWM发生电路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通过将第一和第二正弦波分别与同一个三角波载波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号。进一步优选地，所述单相三阶SPWM逆变输出电压的频率是所述逆变器中功率管开关频率的两倍。
本发明还提供了一种数码发电机，包括内燃机、永磁同步发电机、三相半控整流电路、逆变器和LC低通滤波器，所述逆变器的主电路是由4个功率管搭接的单相桥式逆变电路；并且所述逆变器还具有三阶SPWM发生电路，所述三阶SPWM发生电路生成第一和第二二阶SPWM控制信号，并以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器主电路两个桥臂中的4个功率管，生成单相三阶SPWM逆变输出电压。
优选地，所述三阶SPWM发生电路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通过将第一和第二正弦波分别与同一个三角波载波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号。进一步优选地，所述三角波载波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。
优选地，所述单相三阶SPWM逆变输出电压的频率是所述逆变器中功率管开关频率的两倍。
本发明将数码发电机中常用的二阶SPWM逆变控制方式改进为三阶SPWM逆变控制方式，即倍频输出方式，SPWM波形的输出频率是逆变器主电路中各功率管开关频率的2倍。与常用的二阶SPWM逆变方式相比，在逆变器输出的开关频率与二阶SPWM控制相同时，倍频输出的三阶SPWM逆变方式可减少50%的功率管开关损耗，提高了数码发电机的整机效率；减少了交流输出电压的谐波含量；减小了滤波器、散热器乃至整个数码发电机设备的体积；降低了数码发电机的整机成本。在主电路和控制电路的结构未做任何改变的情况下，仅通过采用倍频的三阶SPWM控制方式，就可使数码发电机的整机综合性能得到明显提高。
附图说明
图1是现有技术中数码发电机系统构成示意图；
图2是现有技术中逆变器主电路的结构示意图；
图3是现有技术中数码发动机输出电压波形示意图；
图4是现有技术中二阶SPWM逆变控制和逆变器输出电压波形示意图；
图5是本发明实施例中单相三阶SPWM逆变控制和逆变器输出电压波形示意图；
图6是本发明实施例中单相三阶SPWM逆变器结构示意图；
图7-8是二阶SPWM频谱与三阶SPWM频谱比较示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式并配合附图详予说明。
本发明所提供的三阶SPWM逆变控制方法，其可以采用图2所示的与传统二阶SPWM逆变控制方法完全相同的逆变器主电路拓扑结构。与图2中相同，逆变器的主电路是由4个功率管搭接成的单相桥式逆变电路，包括AH-AL和BH-BL两个桥臂。在相同的电路拓扑结构下，本发明的三阶SPWM逆变控制方法仅通过对调制方式加以变更，即可以得到三阶SPWM逆变输出电压波形，从而使逆变器的输出频率比功率管的开关频率增大了一倍，且仍为SPWM波形。
图5是本发明实施例中单相三阶SPWM逆变控制和逆变器输出电压波形示意图。下面结合图5介绍本发明的三阶SPWM逆变控制方法。首先，生成图5实线和虚线所示的两个正弦波，即相位相反且幅值相同（幅值均为Us）的第一正弦波B和第二正弦波B’；将第一正弦波B和第二正弦波B’与同一个三角波载波A比较，生成第一二阶SPWM控制信号C和第二二阶SPWM控制信号C’，其中所述三角波载波A的幅值（Uc）大于或等于所述第一和第二正弦波B及B’的幅值（Us）。所述第一二阶SPWM控制信号C和第二二阶SPWM控制信号C’及其互补信号分别驱动所述逆变器两个桥臂中的4个功率管。具体举例来说，可以以所述第一二阶SPWM控制信号C驱动所述逆变器中功率管AH，以第二二阶SPWM控制信号C’驱动所述逆变器中功率管BH，并以所述第一二阶SPWM控制信号C的互补控制信号驱动功率管AL，和以第二二阶SPWM控制信号C’的互补控制信号驱动所述逆变器中功率管BL，从而使逆变器主电路输出单相三阶SPWM逆变输出电压D。如图5所示，单相三阶SPWM逆变输出电压D的开关频率是所述逆变器主电路中功率管AH、AL、BH、BL开关频率的两倍；单相三阶SPWM逆变输出电压D的幅值就是直流母线电压（Udc）的值。实际应用时，4个功率管的驱动信号（即控制信号C、C’及其各自的互补控制信号）中要加入死区时间，以避免逆变器各桥臂上下功率管的直通。
图6是本发明实施例中单相三阶SPWM逆变器结构示意图。如图6所示，所述逆变器包括由4个功率管AH、AL、BH、BL搭接成单相桥式逆变电路的主电路601，其与图2所示的现有技术中逆变器13主电路的结构完全相同。三阶SPWM发生电路602生成图5所示的第一和第二二阶SPWM控制信号，并以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器主电路两个桥臂中的功率管AH、AL、BH和BL，从而生成图5所示的单相三阶SPWM逆变输出电压。三阶SPWM发生电路602生成单相三阶SPWM逆变输出信号的方式与图5所示方法完全相同。逆变器的主电路连接LC低通滤波器603，该LC低通滤波器603与图2所示的现有技术中LC低通滤波器14的结构完全相同。
利用上述单相三阶SPWM逆变控制方法和相应的单相三阶SPWM逆变器，本发明还提供了一种数码发电机，包括内燃机、永磁同步发电机、三相半控整流电路、逆变器和LC低通滤波器，其中所述逆变器的结构与图6相同。其主电路是由4个功率管搭接的单相桥式逆变电路；并且所述逆变器还具有三阶SPWM发生电路，所述三阶SPWM发生电路生成第一和第二二阶SPWM控制信号，并以所述第一和第二二阶SPWM控制信号分别驱动所述逆变器主电路两个桥臂中的4个功率管，输出单相三阶SPWM逆变电压。逆变器输出电压中有+Udc、-Udc和0三种电平。三阶SPWM发生电路的工作方式与图5介绍的相同。
在数码发电机逆变器的控制中，由于本发明采用了倍频输出的三阶SPWM控制方式，功率管的开关频率只是逆变器输出电压频率的1/2。理论分析可证明，在相同的工作情况（驱动信号、直流母线电压（Udc）、输出电压和电流等基本相同）下，逆变器的开关损耗与功率管的开关频率成正比，在输出频率相同时，逆变器的开关损耗减少了50%。这可提高逆变器和数码发电机的效率。
在逆变器输出频率相同时，功率管的开关损耗减少了50%，在提高整机效率的同时，逆变器需要的散热器的体积可相应减小。另一方面，在逆变器中功率管的开关频率相同时，而其输出频率被提高了一倍，在保证数码发电机输出电压品质基本不变的前提下，高频滤波电感的电感量和滤波电容的电容值均可减小50%。在数码发电机中起重要作用的输出滤波器的体积和重量亦可相应减少。
由于散热器及滤波器的体积和重量都可以减小，这为数码发电机整机机体的设计带来了便利，既可使数码发电机的整机体积进一步减小，整机重量进一步减轻，亦可使整机的成本得以降低。
而且，对比图7中的二阶SPWM波的频谱和图8中的三阶SPWM波的频谱可以发现，在载波比等实际工作参数相同情况下，三阶SPWM波的谐波幅度比二阶SPWM波的对应次谐波幅度小。且三阶SPWM波的n次载波谐波及其上下边频谐波幅值分别与二阶SPWM波的2n次载波谐波及其上下边频谐波幅值对应相等。二阶SPWM波的奇次谐波及其边频谐波在三阶SPWM波中为零。因此逆变器输出电压中所含的谐波分量将明显减少。
综上所述，本发明提出了对数码发电机逆变器倍频输出的三阶SPWM逆变控制方式。倍频输出的三阶SPWM逆变控制方式在减小输出谐波方面、提高数码发电机逆变器乃至整机效率方面、减小数码发电机体积和重量方面、降低数码发电机成本方面明显优于常用的二阶SPWM逆变控制方式。在不增加任何硬件电路成本的条件下，采用本发明提出的对数码发电机逆变器倍频输出的三阶SPWM逆变控制方式，较之常用的二阶SPWM逆变控制方式将使数码发电机的综合性能得到明显提高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换（如生成相位相反且幅值相同的第一和第二三角波载波，通过将第一和第二三角波载波分别与同一个正弦波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号；或者以所述第一二阶SPWM控制信号C驱动所述逆变器中功率管AL，以第二二阶SPWM控制信号C’驱动所述逆变器中功率管BL等），或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种三阶SPWM逆变控制方法，用于由4个功率管搭接成单相桥式逆变电路的逆变器主电路，其特征在于包括以下步骤：生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通过将第一和第二正弦波分别与同一个三角波载波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号；以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器两个桥臂中的4个功率管，生成单相三阶SPWM逆变输出电压。
2.根据权利要求1所述的三阶SPWM逆变控制方法，其特征在于：所述单相三阶SPWM逆变输出电压的频率是所述逆变器中各功率管开关频率的两倍。
3.根据权利要求1所述的三阶SPWM逆变控制方法，其特征在于：所述三角波载波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。
4.一种三阶SPWM逆变器，包括由4个功率管搭接成单相桥式逆变电路的主电路，其特征在于，还包括三阶SPWM发生电路，所述三阶SPWM发生电路生成第一和第二二阶SPWM控制信号，并以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器主电路两个桥臂中的4个功率管，生成单相三阶SPWM逆变输出电压。
5.根据权利要求4所述的三阶SPWM逆变器，其特征在于：由三阶SPWM发生电路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通过将第一和第二正弦波分别与同一个三角波载波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号。
6.根据权利要求5所述的三阶SPWM逆变器，其特征在于：所述单相三阶SPWM逆变输出电压的频率是所述逆变器中各功率管开关频率的两倍。
7.一种数码发电机，包括内燃机、永磁同步发电机、三相半控整流电路、逆变器和LC低通滤波器，其特征在于，所述逆变器的主电路是由4个功率管搭接的单相桥式逆变电路；并且所述逆变器还具有三阶SPWM发生电路，所述三阶SPWM发生电路生成第一和第二二阶SPWM控制信号，并以所述第一和第二二阶SPWM控制信号及其互补信号分别驱动所述逆变器主电路两个桥臂中的4个功率管，生成单相三阶SPWM逆变输出电压。
8.根据权利要求7所述的数码发电机，其特征在于，所述由三阶SPWM发生电路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通过将第一和第二正弦波分别与同一个三角波载波比较，生成第一和第二二阶SPWM控制信号。
9.根据权利要求8所述的数码发电机，其特征在于，所述三角波载波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。
10.根据权利要求8所述的数码发电机，其特征在于，所述单相三阶SPWM逆变输出电压的频率是所述逆变器中各功率管开关频率的两倍。
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