CN103427699B - 基于三模态切换的三相逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三模态切换的三相逆变器控制方法，所述方法通过三个工作模态在三个不同工作扇区内不同的组合控制实现，具体包括以下步骤：1)确定三相逆变器需输出的电压矢量所在扇区，得到与所在扇区对应、合成电压矢量的两个工作模态；2)确定两个工作模态的工作时间；3)根据工作时间生成两个工作模态的切换序列；4)根据切换序列控制两个工作模态合成电压矢量，使其按圆形轨迹旋转输出三相逆变器的正弦线电压。本发明的三相逆变器控制方法在输出同样的正弦线电压情况下，与SVPWM控制策略相比，所采用的电路模态数量减少1/2，三相逆变器的功率开关管开关次数减少2/3，从而有效地降低了三相逆变器的开关频率与损耗。

Description

基于三模态切换的三相逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相逆变器的控制方法，尤其是一种基于三模态切换的三相逆变器控制方法。属于电能转换应用领域。

背景技术

三相逆变器作为工业应用中不可或缺的电力电子设备，广泛应用于电力系统、高速列车、电动汽车、大型不间断电源(UPS)、新能源发电等领域。然而，随着三相逆变器功率的增大，以及功率开关管的开关频率的提高，使得功率开关管的开关损耗越来越大，已成为制约高功率密度逆变器发展的一个关键问题。

目前，常用的三相逆变器控制策略是SVPWM(全称为SpaceVectorPulseWidthModulation，即空间矢量脉宽调制)，它与传统的正弦PWM(全称为PulseWidthModulation，即脉冲宽度调制)策略相比，输出电流波形的谐波分量小，且直流母线电压的利用率较高，更易于数字化控制。然而，SVPWM需要通过在六个不同工作扇区内对六个工作模态的切换来实现对三相逆变器的控制，如图1在第一扇区内工作模态切换序列所示，在一个周期内三相逆变器中三相桥臂的6个功率开关管各开关1次，共6次，因此，开关频率较高及损耗较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种可以有效降低三相逆变器开关频率与损耗的基于三模态切换的三相逆变器控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于三模态切换的三相逆变器控制方法，其特征在于所述方法通过三个工作模态在三个不同工作扇区内不同的组合控制实现，包括以下步骤：

1)确定三相逆变器需输出的电压矢量所在扇区，得到三个工作模态中与所在扇区对应、合成电压矢量的两个工作模态；

2)确定步骤1)所述两个工作模态的工作时间；

3)根据工作时间生成步骤1)所述两个工作模态的切换序列；

4)根据切换序列控制步骤1)所述两个工作模态合成电压矢量，使其按圆形轨迹旋转输出三相逆变器的正弦线电压。

作为一种优选方案，所述三个工作模态分别为：工作模态U₁₀₀，开关管VT₁、开关管VT₂和开关管VT₆导通，开关管VT₃、开关管VT₄和开关管VT₅截止；工作模态U₀₁₀，开关管VT₂、开关管VT₃和开关管VT₄导通，开关管VT₁、开关管VT₅和开关管VT₆截止；以及工作模态U₀₀₁，开关管VT₄、开关管VT₅和开关管VT₆导通，开关管VT₁、开关管VT₂和开关管VT₃截止；所述三个工作扇区在静止坐标α-β两相坐标轴上、以α轴为起点逆时针方向划分为：第一扇区，0～120度；第二扇区，120～240度；以及第三扇区，240～360度。

作为一种优选方案，步骤1)具体如下：

设三相逆变器电压矢量U_ref，给定U_ref幅值和相角，在静止坐标α-β两相坐标轴上，U_ref在其上的分量用U_α和U_β来表示，其所在扇区由以下式(1)确定：

$N=sign\left(U_{\mathrm{\β}}\right)+2\×sign(\sin \frac{\mathrm{\π}}{3}{U}_{\mathrm{\α}}-\sin \frac{\mathrm{\π}}{6}{U}_{\mathrm{\β}})+4\×sign(-sin\frac{\mathrm{\π}}{3}{U}_{\mathrm{\α}}-sin\frac{\mathrm{\π}}{6}{U}_{\mathrm{\β}})---\left(1\right)$

其中，N＝1或N＝3时，电压矢量位于第一扇区，由工作模态U₁₀₀和U₀₁₀合成；N＝4或N＝5时，电压矢量位于第二扇区，由工作模态U₀₁₀和U₀₀₁合成；N＝2或N＝6时，电压矢量位于第三扇区，由工作模态U₀₀₁和U₁₀₀合成。

作为一种优选方案，步骤2)具体如下：

a)若电压矢量U_ref位于第一扇区，由工作模态U₁₀₀和U₀₁₀合成，则U_refT_s＝U₁₀₀T₁₀₀+U₀₁₀T₀₁₀，其中T₁₀₀是工作模态U₁₀₀的工作时间，T₀₁₀是工作模态U₀₁₀的工作时间，且有T_s＝T₁₀₀+T₀₁₀+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₁₀₀和U₀₁₀不工作时三相逆变器的A、B、C三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{100}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{010}---\left(2\right)$

由式(2)确定工作模态U₁₀₀、U₀₁₀以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{100}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}+\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}})\\ T_{010}=\sqrt{3}{T}_s\frac{U_{\mathrm{\β}}}{U_{dc}}\\ T_{000}=T_s-T_{100}-T_{010}\end{array}\right.---\left(3\right)$

b)若电压矢量U_ref位于第二扇区，由工作模态U₀₁₀和U₀₀₁合成，则U_refT_s＝U₀₁₀T₀₁₀+U₀₀₁T₀₀₁，其中T₀₁₀是工作模态U₀₁₀的工作时间，T₀₀₁是工作模态U₀₀₁的工作时间，且有T_s＝T₀₁₀+T₀₀₁+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₀₁₀和U₀₀₁不工作时三相逆变器的三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{010}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{001}---\left(4\right)$

由式(4)确定工作模态U₀₁₀和U₀₀₁以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{010}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}(\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}})\\ T_{001}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\right)\\ T_{000}=T_s-T_{010}-T_{001}\end{array}\right.---\left(5\right)$

c)若电压矢量U_ref位于第三扇区，由工作模态U₀₀₁和U₁₀₀合成，则U_refT_s＝U₀₀₁T₀₀₁+U₁₀₀T₁₀₀，其中T₀₀₁是工作模态U₀₀₁的工作时间，T₁₀₀是工作模态U₁₀₀的工作时间，且有T_s＝T₀₀₁+T₁₀₀+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₀₀₁和U₁₀₀不工作时三相逆变器的三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设电压矢量U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{001}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{100}---\left(6\right)$

由式(6)确定工作模态U₀₁₀和U₀₀₁以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{001}=-\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}{U}_{\mathrm{\β}}\\ T_{100}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\right)\\ T_{000}=T_s-T_{001}-T_{100}\end{array}\right.---\left(7\right).$

作为一种优选方案，步骤3)具体如下：

a)若电压矢量U_ref位于第一扇区时，生成第一切换序列：当前周期开始时工作模态U₁₀₀处于工作状态，让工作模态U₁₀₀持续工作T₁₀₀时间，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间，然后切换至工作模态U₀₁₀，工作模态U₀₁₀工作T₀₁₀时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₀₁₀继续工作至第二周期的T₀₁₀时间结束，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，最后切换至工作模态U₁₀₀并工作至第二周期结束；

b)若电压矢量U_ref位于第二扇区时，生成第二切换序列：当前周期开始时工作模态U₀₁₀处于工作状态，让工作模态U₀₁₀持续工作T₀₁₀时间，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间，然后切换至工作模态U₀₀₁，工作模态U₀₀₁工作T₀₀₁时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₀₀₁继续工作至第二周期的T₀₀₁时间结束，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，最后切换至工作模态U₀₁₀并工作至第二周期结束；

c)若电压矢量U_ref位于第三扇区时，生成第三切换序列：当前周期开始时工作模态U₀₀₁处于工作状态，让工作模态U₀₀₁持续工作T₀₀₁时间，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间，然后切换至工作模态U₁₀₀，工作模态U₁₀₀工作T₁₀₀时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₁₀₀继续工作至第二周期的T₁₀₀时间结束，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，最后切换至工作模态U₀₀₁并工作至第二周期结束。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明的三相逆变器控制方法根据切换线性系统理论确定逆变器的能控性条件，采用最少的三个工作模态数使三相逆变器完全能控，在输出同样的正弦线电压情况下，与SVPWM控制策略相比，所采用的电路模态数量减少1/2，三相逆变器的功率开关管开关次数减少2/3，从而有效地降低了三相逆变器的开关频率与损耗。

附图说明

图1为三相逆变器采用SVPWM控制在第一扇区内的工作模态切换序列示意图。

图2a～2c分别为本发明三相逆变器控制方法的工作模态U₁₀₀、U₀₁₀以及U₀₀₁的电路图。

图3为本发明三相逆变器控制方法的三个工作扇区示意图。

图4a～4c分别为本发明三相逆变器控制方法的工作模态U₁₀₀和U₀₁₀在第一扇区内、工作模态U₀₀₁和U₁₀₀在第二扇区内以及工作模态U₀₀₁和U₁₀₀在第三扇区内的合成电压矢量示意图。

图5a～5c分别为本发明三相逆变器控制方法的工作模态U₁₀₀和U₀₁₀在第一扇区内、工作模态U₀₀₁和U₁₀₀在第二扇区内以及工作模态U₀₀₁和U₁₀₀在第三扇区内的切换序列图。

图6为为本发明三相逆变器控制方法的三相逆变器正弦线电压输出波形图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的三相逆变器控制方法通过三个工作模态在三个不同工作扇区内不同的组合控制实现；如图2a～2c和下表1所示，所述三个工作模态分别为：工作模态U₁₀₀，开关管VT₁、开关管VT₂和开关管VT₆导通，开关管VT₃、开关管VT₄和开关管VT₅截止；工作模态U₀₁₀，开关管VT₂、开关管VT₃和开关管VT₄导通，开关管VT₁、开关管VT₅和开关管VT₆截止；以及工作模态U₀₀₁，开关管VT₄、开关管VT₅和开关管VT₆导通，开关管VT₁、开关管VT₂和开关管VT₃截止；如图3所示，所述三个工作扇区在静止坐标α-β两相坐标轴上、以α轴为起点逆时针方向划分为：第一扇区，0～120度；第二扇区，120～240度；以及第三扇区，240～360度。

表1三个工作模态

本实施例的三相逆变器控制方法，步骤如下：

1)确定三相逆变器需输出的电压矢量所在扇区，得到三个工作模态中与所在扇区对应、合成电压矢量的两个工作模态，具体如下：

设三相逆变器电压矢量U_ref，给定U_ref幅值和相角，在静止坐标α-β两相坐标轴上，U_ref在其上的分量用U_α和U_β来表示，其所在扇区由以下式(1)确定：

$N=sign\left(U_{\mathrm{\β}}\right)+2\×sign(\sin \frac{\mathrm{\π}}{3}{U}_{\mathrm{\α}}-\sin \frac{\mathrm{\π}}{6}{U}_{\mathrm{\β}})+4\×sign(-sin\frac{\mathrm{\π}}{3}{U}_{\mathrm{\α}}-sin\frac{\mathrm{\π}}{6}{U}_{\mathrm{\β}})---\left(1\right)$

其中，N＝1或N＝3时，电压矢量位于第一扇区，如图4a所示，由工作模态U₁₀₀和U₀₁₀合成；N＝4或N＝5时，电压矢量位于第二扇区，如图4b所示，由工作模态U₀₁₀和U₀₀₁合成；N＝2或N＝6时，电压矢量位于第三扇区，如图4c所示，由工作模态U₀₀₁和U₁₀₀合成。注：上述sign(x)函数定义为当x＜0时，sign(x)＝0，当x＞0时，sign(x)＝1。

2)确定步骤1)所述两个工作模态的工作时间，具体如下：

a)若电压矢量U_ref位于第一扇区，如图4a所示，由工作模态U₁₀₀和U₀₁₀合成，则U_refT_s＝U₁₀₀T₁₀₀+U₀₁₀T₀₁₀，其中T₁₀₀是工作模态U₁₀₀的工作时间，T₀₁₀是工作模态U₀₁₀的工作时间，且有T_s＝T₁₀₀+T₀₁₀+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₁₀₀和U₀₁₀不工作时三相逆变器的三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{100}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{010}---\left(2\right)$

由式(2)确定工作模态U₁₀₀、U₀₁₀以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{100}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}+\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}})\\ T_{010}=\sqrt{3}{T}_s\frac{U_{\mathrm{\β}}}{U_{dc}}\\ T_{000}=T_s-T_{100}-T_{010}\end{array}\right.---\left(3\right)$

b)若电压矢量U_ref位于第二扇区，如图4b所示，由工作模态U₀₁₀和U₀₀₁合成，则U_refT_s＝U₀₁₀T₀₁₀+U₀₀₁T₀₀₁，其中T₀₁₀是工作模态U₀₁₀的工作时间，T₀₀₁是工作模态U₀₀₁的工作时间，且有T_s＝T₀₁₀+T₀₀₁+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₀₁₀和U₀₀₁不工作时三相逆变器的三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{010}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{001}---\left(4\right)$

由式(4)确定工作模态U₀₁₀和U₀₀₁以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{010}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}(\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}})\\ T_{001}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\right)\\ T_{000}=T_s-T_{010}-T_{001}\end{array}\right.---\left(5\right)$

c)若电压矢量U_ref位于第三扇区，如图4c所示，由工作模态U₀₀₁和U₁₀₀合成，则U_refT_s＝U₀₀₁T₀₀₁+U₁₀₀T₁₀₀，其中T₀₀₁是工作模态U₀₀₁的工作时间，T₁₀₀是工作模态U₁₀₀的工作时间，且有T_s＝T₀₀₁+T₁₀₀+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₀₀₁和U₁₀₀不工作时三相逆变器的三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设电压矢量U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{001}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{100}---\left(6\right)$

由式(6)确定工作模态U₀₁₀和U₀₀₁以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{001}=-\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}{U}_{\mathrm{\β}}\\ T_{100}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\right)\\ T_{000}=T_s-T_{001}-T_{100}\end{array}\right.---\left(7\right)$

3)根据工作时间生成步骤1)所述两个工作模态的切换序列，具体如下：

a)若电压矢量U_ref位于第一扇区时，生成第一切换序列如图5a所示，当前周期开始时工作模态U₁₀₀处于工作状态，让工作模态U₁₀₀持续工作T₁₀₀时间到达图5a中所示a点，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间到达图5a中所示b点，然后切换至工作模态U₀₁₀，工作模态U₀₁₀工作T₀₁₀时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₀₁₀继续工作至第二周期的T₀₁₀时间结束，即图5a中所示c点，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，即图5a中所示d点，最后切换至工作模态U₁₀₀并工作至第二周期结束；如图5a下方的A、B、C三相桥臂控制所示，A相桥臂的S1处，从高电平变低电平，即从上功率开关管开通、下功率开关管关断变为上功率开关管关断、下功率开关管开通；B相桥臂的S2处，从低电平变高电平，即从上功率开关管关断、下功率开关管开通变为上功率开关管开通、下功率开关管关断；C相桥臂一直是低电平，即一直维持上功率开关管关断、下功率开关管开通的状态；可见在一个周期的三相桥臂控制中，A相桥臂的上功率开关管关断一次、下功率开关管开通一次，B相桥臂的上功率开关管开通一次、下功率开关管关断一次，即开关共2次；

b)若电压矢量U_ref位于第二扇区时，生成第二切换序列如图5b所示，当前周期开始时工作模态U₀₁₀处于工作状态，让工作模态U₀₁₀持续工作T₀₁₀时间到达图5b中所示a点，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间到达图5b中所示b点，然后切换至工作模态U₀₀₁，工作模态U₀₀₁工作T₀₀₁时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₀₀₁继续工作至第二周期的T₀₀₁时间结束，即图5b中所示c点，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，即图5b中所示d点，最后切换至工作模态U₀₁₀并工作至第二周期结束；如图5b下方的A、B、C三相桥臂控制所示，B相桥臂的S1处，从高电平变低电平，即从上功率开关管开通、下功率开关管关断变为上功率开关管关断、下功率开关管开通；C相桥臂的S2处，从低电平变高电平，从上功率开关管关断、下功率开关管开通变为上功率开关管开通、下功率开关管关断；A相桥臂一直是低电平，即一直维持上功率开关管关断、下功率开关管开通的状态；可见在一个周期的三相桥臂控制中，B相桥臂的上功率开关管关断一次、下功率开关管开通一次，C相桥臂的上功率开关管开通一次、下功率开关管关断一次，即开关共2次；

c)若电压矢量U_ref位于第三扇区时，生成第三切换序列如图5c所示，当前周期开始时工作模态U₀₀₁处于工作状态，让工作模态U₀₀₁持续工作T₀₀₁时间到达图5c中所示a点，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间到达图5c中所示b点，然后切换至工作模态U₁₀₀，工作模态U₁₀₀工作T₁₀₀时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₁₀₀继续工作至第二周期的T₁₀₀时间结束，即图5c中所示c点，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，即图5c中所示d点，最后切换至工作模态U₀₀₁并工作至第二周期结束；如图5c下方的A、B、C三相桥臂控制所示，C相桥臂的S1处，从高电平变低电平，即从上功率开关管开通、下功率开关管关断变为上功率开关管关断、下功率开关管开通；A相桥臂的S2处，从低电平变高电平，从上功率开关管关断、下功率开关管开通变为上功率开关管开通、下功率开关管关断；B相桥臂一直是低电平，即一直维持上功率开关管关断、下功率开关管开通的状态；可见在一个周期的三相桥臂控制中，C相桥臂的上功率开关管关断一次、下功率开关管开通一次，A相桥臂的上功率开关管开通一次、下功率开关管关断一次，即开关共2次。

4)根据切换序列控制步骤1)所述两个工作模态合成电压矢量U_ref，使其按圆形轨迹旋转输出三相逆变器的正弦线电压，如图6所示。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (4)

1.基于三模态切换的三相逆变器控制方法，其特征在于所述方法通过三个工作模态在三个不同工作扇区内不同的组合控制实现，所述三个工作模态分别为：工作模态U₁₀₀，开关管VT₁、开关管VT₂和开关管VT₆导通，开关管VT₃、开关管VT₄和开关管VT₅截止；工作模态U₀₁₀，开关管VT₂、开关管VT₃和开关管VT₄导通，开关管VT₁、开关管VT₅和开关管VT₆截止；以及工作模态U₀₀₁，开关管VT₄、开关管VT₅和开关管VT₆导通，开关管VT₁、开关管VT₂和开关管VT₃截止；所述三个工作扇区在静止坐标α-β两相坐标轴上、以α轴为起点逆时针方向划分为：第一扇区，0～120度；第二扇区，120～240度；以及第三扇区，240～360度；该方法包括以下步骤：

1)确定三相逆变器需输出的电压矢量所在扇区，得到三个工作模态中与所在扇区对应、合成电压矢量的两个工作模态；

2)确定步骤1)所述两个工作模态的工作时间；

3)根据工作时间生成步骤1)所述两个工作模态的切换序列；

4)根据切换序列控制步骤1)所述两个工作模态合成电压矢量，使其按圆形轨迹旋转输出三相逆变器的正弦线电压。

2.根据权利要求1所述的基于三模态切换的三相逆变器控制方法，其特征在于：步骤1)具体如下：

设三相逆变器电压矢量U_ref，给定U_ref幅值和相角，在静止坐标α-β两相坐标轴上，U_ref在其上的分量用U_α和U_β来表示，其所在扇区由以下式(1)确定：

$N=sign\left(U_{\mathrm{\β}}\right)+2\×sign(\sin \frac{\mathrm{\π}}{3}{U}_{\mathrm{\α}}-sin\frac{\mathrm{\π}}{6}{U}_{\mathrm{\β}})+4\×sign(-sin\frac{\mathrm{\π}}{3}{U}_{\mathrm{\α}}-sin\frac{\mathrm{\π}}{6}{U}_{\mathrm{\β}})---\left(1\right)$

其中，N＝1或N＝3时，电压矢量位于第一扇区，由工作模态U₁₀₀和U₀₁₀合成；N＝4或N＝5时，电压矢量位于第二扇区，由工作模态U₀₁₀和U₀₀₁合成；N＝2或N＝6时，电压矢量位于第三扇区，由工作模态U₀₀₁和U₁₀₀合成。

3.根据权利要求2所述的基于三模态切换的三相逆变器控制方法，其特征在于：步骤2)具体如下：

a)若电压矢量U_ref位于第一扇区，由工作模态U₁₀₀和U₀₁₀合成，则U_refT_s＝U₁₀₀T₁₀₀+U₀₁₀T₀₁₀，其中T₁₀₀是工作模态U₁₀₀的工作时间，T₀₁₀是工作模态U₀₁₀的工作时间，且有T_s＝T₁₀₀+T₀₁₀+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₁₀₀和U₀₁₀不工作时三相逆变器的A、B、C三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{100}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{010}---\left(2\right)$

由式(2)确定工作模态U₁₀₀、U₀₁₀以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{100}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}+\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}})\\ T_{010}=\sqrt{3}{T}_s\frac{U_{\mathrm{\β}}}{U_{dc}}\\ T_{000}=T_s-T_{100}-T_{010}\end{array}\right.---\left(3\right)$

b)若电压矢量U_ref位于第二扇区，由工作模态U₀₁₀和U₀₀₁合成，则U_refT_s＝U₀₁₀T₀₁₀+U₀₀₁T₀₀₁，其中T₀₁₀是工作模态U₀₁₀的工作时间，T₀₀₁是工作模态U₀₀₁的工作时间，且有T_s＝T₀₁₀+T₀₀₁+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₀₁₀和U₀₀₁不工作时三相逆变器的三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{010}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{001}---\left(4\right)$

由式(4)确定工作模态U₀₁₀和U₀₀₁以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{010}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}(\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}})\\ T_{001}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\right)\\ T_{000}=T_s-T_{010}-T_{001}\end{array}\right.---\left(5\right)$

c)若电压矢量U_ref位于第三扇区，由工作模态U₀₀₁和U₁₀₀合成，则U_refT_s＝U₀₀₁T₀₀₁+U₁₀₀T₁₀₀，其中T₀₀₁是工作模态U₀₀₁的工作时间，T₁₀₀是工作模态U₁₀₀的工作时间，且有T_s＝T₀₀₁+T₁₀₀+T₀₀₀，其中T₀₀₀为工作模态U₀₀₁和U₁₀₀不工作时三相逆变器的三相桥臂的下功率开关管全开通的时间；设电压矢量U_ref与α轴的夹角为θ，三相逆变器直流母线电压为U_dc，则有：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]T_s=U_{ref}\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}\end{array}\right]T_s=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]T_{001}+\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{c}-cos\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ sin\frac{2\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]T_{100}---\left(6\right)$

由式(6)确定工作模态U₀₁₀和U₀₀₁以及三相桥臂的下功率开关管全开通的时间如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{001}=-\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}{U}_{\mathrm{\β}}\\ T_{100}=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{dc}}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\right)-\\ T_{000}=T_s-T_{001}-T_{100}\end{array}\right.--\left(7\right).$

4.根据权利要求3所述的基于三模态切换的三相逆变器控制方法，其特征在于：步骤3)具体如下：

a)若电压矢量U_ref位于第一扇区时，生成第一切换序列：当前周期开始时工作模态U₁₀₀处于工作状态，让工作模态U₁₀₀持续工作T₁₀₀时间，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间，然后切换至工作模态U₀₁₀，工作模态U₀₁₀工作T₀₁₀时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₀₁₀继续工作至第二周期的T₀₁₀时间结束，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，最后切换至工作模态U₁₀₀并工作至第二周期结束；

b)若电压矢量U_ref位于第二扇区时，生成第二切换序列：当前周期开始时工作模态U₀₁₀处于工作状态，让工作模态U₀₁₀持续工作T₀₁₀时间，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间，然后切换至工作模态U₀₀₁，工作模态U₀₀₁工作T₀₀₁时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₀₀₁继续工作至第二周期的T₀₀₁时间结束，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，最后切换至工作模态U₀₁₀并工作至第二周期结束；

c)若电压矢量U_ref位于第三扇区时，生成第三切换序列：当前周期开始时工作模态U₀₀₁处于工作状态，让工作模态U₀₀₁持续工作T₀₀₁时间，然后切换至零矢量，零矢量持续T₀₀₀时间，然后切换至工作模态U₁₀₀，工作模态U₁₀₀工作T₁₀₀时间后本周期结束；在第二周期开始后让工作模态U₁₀₀继续工作至第二周期的T₁₀₀时间结束，切换至零矢量直至第二周期的T₀₀₀时间结束，最后切换至工作模态U₀₀₁并工作至第二周期结束。