CN102891652A - T源型变频调速系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种T源型变频调速系统的控制方法，属于电能变换领域。其在三相逆变器的基础上，在直流侧加入直流正极输入端的二极管，直流侧变压器，滤波电容，利用逆变器产生直通状态进而实现直流侧电压的变换，并加入直流电压闭环控制算法，实现直流电压的恒定，采用交流电流检测电路，偏置电路，速度传感器获得交流电机的电量信号，进而采用电机变频调速算法对交流电机的转速进行控制。本发明通过在直流侧加入二极管、变压器和滤波电容，利用逆变器产生直通状态进而实现直流电压的升压和稳压控制，并结合电机控制算法实现用较低直流电压驱动较高额定电压的交流电机运行。本发明采用一级电路结构和更少的储能元件同时实现了直流电压的升压、稳压控制以及交流电机的运行控制，具有结构紧凑、直流电压利用率高以及可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种T源型变频调速系统的控制方法，属于电能变换领域，用于实现将较低的直流电压转化为较高的稳定的直流电压并驱动交流电机运行。
背景技术
交流电机作为将电能转化为机械能的装置，在日常生活和工业生产中获得了广泛的应用。当今社会，随着可再生能源发电技术以及其他分布式发电技术的发展，供电形式呈现多样性的特点。交流电机及其调速系统的供电形式也不仅仅局限于只由公共大电网供电，还需要适应低电压、大波动特性的电源为其供电，例如，在无公共大电网的偏远地区，可以采用光伏电池作为交流电机调速系统的供电电源，但是由于光伏电池输出的电能形式对环境变化更加敏感，波动较大，而且通常电压较低，难以直接为电机系统供电，为此需要结合相应的电能变换技术来获得满足供电要求的电能形式。
在目前的解决方案中，一种方案是采用直流-直流-交流的两级式结构，利用直流-直流变换实现直流电压的升压和稳压控制，以使直流电压符合交流电机的供电电压要求，而利用直流-交流变换结合电机控制算法实现交流电机的调速运行。这种结构中直流侧增加的开关变换器造成系统损耗增加，效率和可靠性均有所下降，不利于推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种T源型变频调速系统的控制方法，实现用较低的波动的直流电源驱动较高额定电压的交流电机，以解决现有方案的效率低、结构复杂、成本较高等问题。
一种T源型变频调速系统，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），变压器（2），滤波电容（3），逆变器（4），速度传感器（5），电平转换电路（6），交流电流检测电路（7），偏置电路（8），直流电压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱动电路（12）；
所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极输出端相连，逆变器的输出端与交流电机负载相连；速度传感器（5）的旋转轴与电机轴端相连，速度传感器（5）的信号输出端与电平转换电路（6）的一端相连，电平转换电路（6）的另一端与主控制器（11）的第一输入端相连；交流电流检测电路（7）的输入端与逆变器（4）的输出端相连，用于检测交流输出电流，交流电流检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的输入端相连，将采集到的交流输出电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主控制器（11）的第二输入端相连；直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，直流电压检测电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相连，用于检测逆变器（4）的直流输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路（10）的输入端相连，滤除逆变器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压中的直流分量，低通滤波电路（10）的输出端与主控制器（11）的第三输入端相连，主控制器（11）的输出端与隔离驱动电路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器（4）的信号输入端相连，用于驱动逆变器（4）的各个功率器件工作；
所述的变压器（2）包括绕组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个闭合的磁环上，绕组W1和绕组W2的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端。
所述的T源型变频调速系统的控制方法的步骤是，
步骤一、设置逆变器（4）的直流电压的给定值 
，与通过低通滤波电路（10）获得的逆变器的直流输入电压中的直流分量
相减，获得的差值通过直流电压调节器获得逆变器中各个桥臂的直通占空比，以实现对逆变器的直流输入电压的恒定控制；
步骤二、将通过交流电流检测电路（7）和偏置电路（8）采集的交流电流信号减去偏置量，获得和实际的交流电压成比例的较低的交流电流信号；
步骤三、设置交流电机的转速或频率给定值，与步骤一中获得的直流电压信号
、步骤二中获得的较低的交流电流信号以及通过电平转换电路和速度传感器获得的交流电机的速度信号共同输入到变频调速算法模块，进行转速控制，获得逆变器输出电压的给定值；
步骤四、将步骤一获得的直通占空比以及步骤三获得的逆变器输出电压的给定值输入到加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号，控制逆变器中的各个开关管工作，从而实现直流电压和交流电压的闭环控制。
本发明所具有的优点：现有方案中多采用直流-直流-交流的电能变换形式，采用了较多的功率开关器件，本发明通过在逆变器的基础上直流侧加入变压器，并结合具有直通状态的正弦波脉宽调制算法和电机驱动控制算法，只采用直流-交流的逆变器和更少的储能元件同时实现了直流电压的升压、稳压控制以及对交流电机转速的驱动控制，因此具有结构紧凑以及效率高、可靠性高等优点。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的直通状态的原理图，图3是本发明的非直通状态的原理图；
图4是本发明的控制方法的原理图；
图5是本发明的控制方法的流程图；
图6是本发明的产生直通状态的正弦波脉宽调制算法的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图5具体说明本实施方式。图1为T源型变频调速系统的原理图，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），变压器（2），滤波电容（3），逆变器（4），速度传感器（5），电平转换电路（6），交流电流检测电路（7），偏置电路（8），直流电压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱动电路（12）；
所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极输出端相连，逆变器的输出端与交流电机负载相连；速度传感器（5）的旋转轴与电机轴端相连，速度传感器（5）的信号输出端与电平转换电路（6）的一端相连，电平转换电路（6）的另一端与主控制器（11）的第一输入端相连；交流电流检测电路（7）的输入端与逆变器（4）的输出端相连，用于检测交流输出电流，交流电流检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的输入端相连，将采集到的交流输出电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主控制器（11）的第二输入端相连；直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，直流电压检测电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相连，用于检测逆变器（4）的直流输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路（10）的输入端相连，滤除逆变器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压中的直流分量，低通滤波电路（10）的输出端与主控制器（11）的第三输入端相连，主控制器（11）的输出端与隔离驱动电路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器（4）的信号输入端相连，用于驱动逆变器（4）的各个功率器件工作；
所述的变压器（2）包括绕组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个闭合的磁环上，绕组W1和绕组W2的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端。
所述的逆变器由三个桥臂组成，每个桥臂由两个功率开关器件串联组成。
本发明的基本原理是在直流侧加入直流变压器和滤波电容，通过逆变器的同一桥臂的两个开关管同时导通，产生直通状态，进而使能量存储在直流变压器中，而在非直通状态释放出去，进而实现直流电压的升压。下面推导其直流电压和直流供电电源之间的关系，即直流升压比。
各个公式中变量的物理含义为，
为变压器（2）的绕组W1两端电压，
为变压器（2）的绕组W2两端电压，
为变压器（2）的匝数比，
为滤波电容（3）的电压，
为直流正极输入端的二极管（1）的电压，
为直流输入电源电压，
为逆变器的直通占空比。
在直通状态下，对应的等效电路如图2所示，变压器的绕组电压方程为
二极管两端电压为
上式说明此时二极管承受反压，在直通状态下直流电源同样不输出电流。
在非直通状态下，对应的等效电路如图3所示，其电压为
根据一个开关周期内的绕组平均电压为零，即
(4)
解得直流电容电压与直流电源的关系为
进一步求得在非直通状态下直流输出电压和直流电源电压的关系即直流升压比为
由上式可知，直流升压比由直通占空比和变压器匝比共同决定，并有
。通过控制直流占空比，即可控制直流输出电压。
由上述分析可知，通过控制逆变器各个桥臂的直通占空比即可控制直流输出电压，即逆变器的输入电压，为了实现交流电机的变频调速控制，要求逆变器的输入电压一方面要大于交流电机额定电压的幅值，另一方面要求逆变器的输入电压尽量保持稳定，因此需要引入直流输出电压的闭环控制。下面分析直流电压的闭环控制和交流电机的变频调速控制策略，其原理图如图4所示，控制流程如图5所示，其步骤是，
步骤一、设置逆变器（4）的直流电压的给定值
，与通过低通滤波电路（10）获得的逆变器的直流输入电压中的直流分量相减，获得的差值通过直流电压调节器获得逆变器中各个桥臂的直通占空比，以实现对逆变器的直流输入电压的恒定控制；
步骤二、将通过交流电流检测电路（7）和偏置电路（8）采集的交流电流信号减去偏置量，获得和实际的交流电压成比例的较低的交流电流信号；
步骤三、设置交流电机的转速或频率给定值，与步骤一中获得的直流电压信号、步骤二中获得的较低的交流电流信号以及通过电平转换电路和速度传感器获得的交流电机的速度信号共同输入到变频调速算法模块，进行转速控制，获得逆变器中各个桥臂的输出电压的给定值；
步骤四、将步骤一获得的直通占空比以及步骤三获得的逆变器输出电压的给定值输入到加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号，控制逆变器中的各个开关管工作，从而实现直流电压和交流电压的闭环控制。
变频调速算法模块中采用现有方案中的转速控制算法即可，包括变压变频调速算法，矢量控制算法以及直接转矩控制算法等。上述算法均可以生成逆变器输出电压的给定值，用于对逆变器的各个功率开关器件进行控制。
本发明中，需要同时实现逆变器各个功率开关器件的正常逆变控制和产生直通状态，本实施方式以现有方案中的正弦波脉宽调制策略（SPWM）为基础，由于SPWM方法中的每相桥臂的两个功率开关器件处于互补导通模式，在每一个载波周期里均会切换两次开关状态，因此在每一相桥臂的两个功率开关器件的状态发生切换时，强制让两个功率开关器件同时导通，其导通时间等于直通占空比与载波周期的乘积。图6给出采用上述方法的产生一个桥臂的控制信号的原理图，其中两路信号的全“1”状态会使同一个桥臂的两个开关管均导通，即产生直通状态，对于另外两个桥臂，产生控制信号的原理与其相同，所不同的是需要使用各自的桥臂输出电压的给定值。为了同时实现直通状态和各个桥臂的正常控制信号，设置一个三角载波，同时用逆变电压的三个桥臂电压的给定值和同一个三角载波比较，若逆变电压给定值大于三角载波，输出“1”，若逆变电压给定值小于或等于三角载波，则输出“0”，形成第一路方波信号，将所述的第一路方波信号进行逻辑取反，获得第二路方波信号，对所获得的第一路方波信号进行判断，若由“1”跳变到“0”，或由“0”跳变到“1”，则以所述的步骤一所获得的第一路方波信号的电平跳变点为起点，在所获得的两路方波信号中，同时加入一段时间的全“1”状态，这段全“1”状态的时间等于直通占空比与所设定的三角载波的周期的乘积，由此获得的两路方波信号，第一路用于控制桥臂的上管，另一路用于控制桥臂的下管。
上述的直流输出电压闭环控制、用于电机转速控制的变频调速算法以及用于控制逆变器带有直通状态的SPWM方法均在主控制器（11）中通过软件加以实现，由主控制器（11）产生的逆变器的控制信号，通过隔离驱动电路（12）控制逆变器运行。主控制器需为带有模数转换器，脉宽调制模块等外设的单片机，数字信号处理器等控制器。
通过上述系统及其控制方法，即可实现利用较低直流电压驱动较高额定电压的交流电机运行，若使用矢量控制或直接转矩控制等高性能电机控制算法，即可实现性能优良的电机运行性能，在一些无大电网供电的偏远地区，利用本系统可以实现用光伏电池驱动交流电机运行，由于本系统无需外加额外的功率开关器件，因此成本较低，效率较高。
Claims (1)
1.一种T源型变频调速系统，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），变压器（2），滤波电容（3），逆变器（4），所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极输出端相连，逆变器的输出端与交流电机相连；
还包括速度传感器（5），电平转换电路（6），交流电流检测电路（7），偏置电路（8），直流电压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱动电路（12）；
速度传感器（5）的旋转轴与电机轴端相连，速度传感器（5）的信号输出端与电平转换电路（6）的一端相连，电平转换电路（6）的另一端与主控制器（11）的第一输入端相连；交流电流检测电路（7）的输入端与逆变器（4）的输出端相连，用于检测交流输出电流，交流电流检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的输入端相连，将采集到的交流输出电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主控制器（11）的第二输入端相连；直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，直流电压检测电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相连，用于检测逆变器（4）的直流输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路（10）的输入端相连，滤除逆变器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压中的直流分量，低通滤波电路（10）的输出端与主控制器（11）的第三输入端相连，主控制器（11）的输出端与隔离驱动电路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器（4）的信号输入端相连，用于驱动逆变器（4）的各个功率器件工作；
其特征在于，所述的T源型变频调速系统的控制方法的步骤是：
步骤一、设置逆变器（4）的直流电压的给定值 ，与通过低通滤波电路（10）获得的逆变器的直流输入电压中的直流分量
相减，获得的差值通过直流电压调节器获得逆变器中各个桥臂的直通占空比，以实现对逆变器的直流输入电压的恒定控制；
步骤二、将通过交流电流检测电路（7）和偏置电路（8）采集的交流电流信号减去偏置量，获得和实际的交流电压成比例的较低的交流电流信号；
步骤三、设置交流电机的转速或频率给定值，与步骤一中获得的直流电压信号
、步骤二中获得的较低的交流电流信号以及通过电平转换电路和速度传感器获得的交流电机的速度信号共同输入到变频调速算法模块，进行转速控制，获得逆变器输出电压的给定值；
步骤四、将步骤一获得的直通占空比以及步骤三获得的逆变器输出电压的给定值输入到加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号，控制逆变器中的各个开关管工作，从而实现直流电压和交流电压的闭环控制。
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