CN103516250B - 一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制装置及方法。其中，装置包括：三相全桥逆变电路、交流滤波器、三相隔离变压器以及控制电路；三相全桥逆变电路的输出端与交流滤波器的输入端相连，交流滤波器的输出端接隔离变压器的一次侧，三相隔离变压器的二次侧呈“Y”型连接；三相全桥逆变电路的输出端及三相隔离变压器的二次侧连接至控制电路的反馈输入端；控制电路的反馈输出端连接至三相全桥逆变电路的输入端；控制电路，用于获取三相全桥逆变电路的每相电流的前馈信号以及三相隔离变压器二次侧的每相输出电压的反馈信号，根据该前馈信号和该反馈信号实现对三相全桥逆变电路的控制。本发明实现了对三相逆变电源的负载不平衡的控制。

Description

一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制装置及方法

技术领域

本发明涉及逆变电源领域，特别涉及一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制装置及方法。

背景技术

当前交流逆变电源应用日益广泛，功率也越来越大，从几十kVA到MVA。一般大功率的交流逆变电源基本上都是三相输出方式，几乎绝大多数的电源输出都会用三相隔离变压器做隔离输出，应用这种拓扑结构的交流逆变电源一般都存在一个共同的问题：

三相逆变电源出现不平衡负载时，三相变压器因其相互磁耦合，使得控制算法中的解耦控制很复杂，通常会允许负载不平衡≤30%且很难达到100%的不平衡负载控制。而当实际使用环境出现100%不平衡负载（如，A相100%负载、B、C相0%负载）时，会出现逆变电源无法正常工作，或者输出电源电压的相角严重偏移，使三相线电压超出相应标准要求的≤2°或≤4°，对于宽频（45Hz~800Hz）和高频（1000Hz）输出时，因变压器阻抗的提高使三相线电压相移会非常严重到＞10°，甚至更大。

针对大功率三相交流逆变电源不平衡负载的情况，常见的一种处理方式是采用三个单相隔离变压器，在三个隔离变压器二次侧采用Y接法来避免三相变压器的磁耦合带来的困扰，此种方案的电源控制算法相对简单一些。而三个单相变压器输出电压是进行单相控制、调节的，对于线电压的平衡会同时受限于相电压的平衡和三相之间相角。

尤其在电源输出的频率较宽（45Hz~800Hz）或高频（1000Hz）时，当出现不平衡负载时，因变压器阻抗的提高在200Hz以上频段的三相线电压不平衡度会随频率增高而增大且很难满足相关标准要求（一般至少会＞4°），且三相线电压相移在500Hz以上会严重到＞10°，电源输出频率再增大时甚至会更大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制装置及方法，以实现在负载不平衡的情况下，三相大功率逆变电源的相电压和线电压均平衡。

本发明实施例提供了一种三相大功率逆变电源负载不平衡控制装置，包括：由功率管组成的三相全桥逆变电路、交流滤波器、三相隔离变压器以及控制电路；

其中三相全桥逆变电路的输出端与交流滤波器的输入端相连，交流滤波器的输出端接隔离变压器的一次侧，三相隔离变压器的二次侧呈“Y”型连接；

三相全桥逆变电路的输出端以及三相隔离变压器的二次侧连接至控制电路的反馈输入端；控制电路的反馈输出端连接至三相全桥逆变电路的输入端；

控制电路，用于获取三相全桥逆变电路的每相电流的前馈信号以及三相隔离变压器二次侧的每相输出电压的反馈信号，根据电流的前馈信号和输出电压的反馈信号实现对三相全桥逆变电路的控制。

优选的，装置还包括设置在三相隔离变压器二次侧的第一电容，控制电路通过检测第一电容两端的电压获取每相输出电压的反馈信号。

优选的，装置还包括设置在三相功率管全桥逆变电路与交流滤波器组成的回路中的电流互感器，控制电路的反馈输入端连接至电流互感器，用于通过电流互感器获取每相电流的前馈信号。

优选的，控制电路包括：三相基准正弦波数字频率相位合成单元、电压频率相位检测单元、输入端与三相基准正弦波数字频率相位合成单元和电压频率相位检测单元相连的第一PI控制器、电压反馈调理单元、输入端与第一PI控制器的输出端和电压反馈调理单元的输出端相连的第二PI控制器、输入端与第二PI控制器的输出端相连的比较器以及输入端与比较器的输出端相连的驱动单元；

三相基准正弦波数字频率相位合成单元，用于将给定的参考频率生成包含相应相的相位和频率的频率相位指令信号；

电压频率相位检测单元，用于将每相输出电压的反馈信号的频率和相位信息进行分离，获取每相输出电压的反馈信号的相位和频率；

第一PI控制器，用于根据相应相的相位和频率、每相输出电压的反馈信号的相位和频率以及给定的参考电压进行运算，生成相应相的电压指令信号；

所述电压反馈调理单元，用于将所述每相输出电压的反馈信号转变为对应相的弱电压反馈信号；

所述第二PI控制器，用于根据所述的每相电流的前馈信号、所述的相应相的电压指令信号以及所述的对应相的弱电压反馈信号进行PI运算，并将得到的误差信号与母线电压通过相应的调制比运算得到相应相的输出信号；

比较器，用于将相应相的输出信号与对应的调制载波进行比较运算得到相应相的驱动信号；

驱动单元，用于根据相应相的驱动信号驱动对应的功率管。

优选的，三相全桥逆变电路由12个IGBT组成。

优选的，逆变电源的输出频率为45Hz～800Hz或1000Hz。

本发明还提供了一种三相大功率逆变电源负载不平衡控制方法，应用在上述装置中，该方法包括：

控制电路获取三相全桥逆变电路的每相电流的前馈信号并获取三相隔离变压器二次侧的每相输出电压的反馈信号；

控制电路根据电流的前馈信号和输出电压的反馈信号生成相应相的驱动信号；

控制电路根据相应相的驱动信号驱动对应的功率管。

优选的，装置还包括设置在三相隔离变压器二次侧的第一电容，控制电路通过检测第一电容两端的电压获取每相输出电压的反馈信号。

优选的，装置还包括设置在三相功率管全桥逆变电路与交流滤波器组成的回路中的电流互感器，控制电路的反馈输入端连接至电流互感器，控制电路通过电流互感器获取每相电流的前馈信号。

优选的，控制电路包括：三相基准正弦波数字频率相位合成单元、电压频率相位检测单元、输入端与三相基准正弦波数字频率相位合成单元和电压频率相位检测单元相连的第一PI控制器、电压反馈调理单元、输入端与第一PI控制器的输出端和电压反馈调理单元的输出端相连的第二PI控制器、输入端与第二PI控制器的输出端相连的比较器以及输入端与比较器的输出端相连的驱动单元。

三相基准正弦波数字频率相位合成单元将给定的参考频率生成包含相应相的相位和频率的频率相位指令信号；电压频率相位检测单元将每相输出电压的反馈信号的频率和相位信息进行分离，获取每相输出电压的反馈信号的相位和频率；第一PI控制器根据相应相的相位和频率、每相输出电压的反馈信号的相位和频率以及给定的参考电压进行运算，生成相应相的电压指令信号；电压反馈调理单元，将所述每相输出电压的反馈信号转变为对应相的弱电压反馈信号；第二PI控制器，根据所述的每相电流的前馈信号、所述的相应相的电压指令信号以及所述的对应相的弱电压反馈信号进行PI运算，并将得到的误差信号与母线电压通过相应的调制比运算得到相应相的输出信号；比较器将相应相的输出信号与对应的调制载波进行比较运算得到相应相的驱动信号；驱动单元根据相应相的驱动信号驱动对应的功率管。

本发明的有益效果是：

本发明中通过获取相应相的输出电压的反馈信号和相应相的电流的前馈信号，对电压的相位、频率进行分析，通过电压电流双环多模控制方式，实现了对逆变电源输出电压的控制，使得在逆变电源的输出频率在45Hz～800Hz或1000Hz时，线电压和相电压均平衡，并实现了在100%不平衡负载下，输出电压的最大相角位移小于2°。

附图说明

图1为本发明中的三相大功率逆变电源主电路拓扑图；

图2为本发明中的三相大功率逆变电源控制原理图；

图3为本发明中的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例1提供了一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制装置，该装置包括三相大功率逆变电源和控制电路，其中，该三相大功率逆变电源包括：

由功率管组成的三相全桥逆变电路、交流滤波器以及三相隔离变压器。

其中三相全桥逆变电路的输出端与交流滤波器的输入端相连，交流滤波器的输出端接隔离变压器的一次侧，三相隔离变压器的二次侧呈“Y”型连接。

三相全桥逆变电路的输出端以及三相隔离变压器的二次侧连接至控制电路的反馈输入端；控制电路的反馈输出端连接至三相全桥逆变电路的输入端。

控制电路，用于获取三相全桥逆变电路的每相电流的前馈信号以及三相隔离变压器二次侧的每相输出电压的反馈信号，根据电流的前馈信号和输出电压的反馈信号实现对三相全桥逆变电路的控制。

图1示出了本发明实施例1中的三相大功率逆变电源的一种具体的主电路拓扑结构，其中直流电源DC与三相全桥逆变电路1相连，三相全桥逆变电路由12个功率管VG1-VG12组成，三相全桥逆变电路1的输出端接交流滤波器2（L2/C3、L3/C4、L4/C5）的电抗（L2、L3、L4）的一端。三相隔离变压器3的一次侧接交流滤波器2的电容（C3、C4、C5）一端，三相隔离变压器3的二次侧以U、V、W，N呈Y型连接。为后续方便获取电压信号和电流信号，参见图1，本发明在三相隔离变压器3的二次侧连接电容C12、C13、C14,控制电路的反馈输入端与电容C12、C13、C14相连，可以从其两端获取相应相的输出电压的反馈信号Sa、Sb、Sc。电容C12～C14可同时用于滤波。另外，本发明在三相全桥逆变电路1与交流滤波器2组成的回路中设置了电流互感器CT1、CT2、CT3,控制电路的反馈输入端与电流互感器CT1、CT2、CT3相连，可以通过电流互感器CT1、CT2、CT3获取相应相的电流前馈信号Ia、Ib、Ic。

上述VG1-VG2具体的可以为IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）。

在本发明的另一实施例中，如图1所示，可在三相隔离变压器3的二次侧先连接电容C6～C11,再连接电容C12-C14.其中C6与C7串联，C8与C9串联、C10与C11串联，电容C6～C11用于滤除高次谐波。进一步的，可在电容C12～C14后连接开关KM6。该开关具体为接触器。

通过上述主电路，直流DC经VG1-VG2组成的逆变桥转变为SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation)输出,再通过L2/C3、L3/C4、L4/C5组成的交流滤波器滤波后形成正弦波输出给三相隔离变压器隔离后，以U、V、W、N三相Y输出。

图2为本发明提供的控制电路的一种具体结构图，该控制电路具体包括：

三相基准正弦波数字频率相位合成单元11、电压频率相位检测单元121～123、输入端与三相基准正弦波数字频率相位合成单元和电压频率相位检测单元相连的第一PI控制器131-133，图中第一PI控制器具体为PIa1、PIb1和PIc1。

该控制电路还包括电压反馈调理单元141～143、输入端与第一PI控制器的输出端和电压反馈调理单元的输出端相连的第二PI控制器161～163以及输入端与第二PI控制器的输出端相连的比较器171～173以及输入端与比较器的输出端相连的驱动单元181～183。

图中第二PI控制器具体为PIa2、PIb2和PIc2。

三相基准正弦波数字频率相位合成单元11，用于将给定的Fref（referencefrequency，参考频率）生成包含相应相的相位和频率的频率相位指令信号Fa、Fb和Fc。

电压频率相位检测单元121～123，用于将每相输出电压的反馈信号的频率和相位信息进行分离，获取每相输出电压的反馈信号的相位和频率。

具体的电压频率相位检测单元121用于将电压反馈信号Sa的频率和相位信息进行分离，获取其相位和频率。电压频率相位检测单元122用于将电压反馈信号Sb的频率和相位信息进行分离，获取其相位和频率。电压频率相位检测单元123用于将电压反馈信号Sc的频率和相位信息进行分离，获取其相位和频率。

第一PI控制器131～133，用于分别根据频率相位指令信号Fa、Fb、Fc中包含的相应相的相位和频率、每相输出电压的反馈信号Sa、Sb、Sc的相位和频率以及给定的参考电压Uref进行运算，分别生成相应相的电压指令信号Ua、Ub、Uc。

电压反馈调理单元141～143，用于将每相输出电压的反馈信号转变为对应相的弱电压反馈信号。该弱电压反馈信号为第二PI控制器可以接受的电压信号。如将300V的电压转变为10V继而转变为3.2V。

第二PI控制器161～163，用于分别根据每相电流的前馈信号Ia、Ib、Ic，相应相的电压指令信号Ua、Ub、Uc以及对应相的弱电压反馈信号进行PI运算，并将得到的误差信号与母线电压通过相应的调制比运算得到相应相的输出信号。该母线电压为直流电源DC两侧的电压Udc。

比较器171～173，用于分别将相应相的输出信号与对应的调制载波进行比较运算得到相应相的驱动信号。本发明的控制电路，如图2所示，还可设置用于生成相应调制载波的调制载波单元151-153，具体的可以为SPWM调制载波单元。

驱动单元181～183，用于分别根据相应相的驱动信号驱动对应的功率管如图1中所示的VG1-VG12。

驱动单元181具体的可用于驱动VG1、VG2、VG7和VG8；驱动单元182具体的可用于驱动VG3、VG4、VG9和VG10；驱动单元183具体的可用于驱动V5、VG6、VG11和VG12。

上述装置通过相位、频率，电压电流双环多模控制，实现了对逆变电源输出电压的控制，实现了逆变电源输出电压相位、频率可设。即便逆变电源在宽频（45Hz-800Hz）或高频（1000Hz）输出时，亦可实现平衡。对于100%不平衡负载，可使线电压的相角偏移小于2°。

本发明实施例2还提供了一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制方法，应用在上述的装置中，如图3所示，该方法包括：

S11、控制电路获取三相全桥逆变电路的每相电流的前馈信号并获取三相隔离变压器二次侧的每相输出电压的反馈信号；

S12、控制电路根据电流的前馈信号和输出电压的反馈信号生成相应相的驱动信号；

S13、控制电路根据相应相的驱动信号驱动对应的功率管。

在另一实施例中，上述装置还包括设置在三相隔离变压器二次侧的第一电容，此时控制电路可通过检测第一电容两端的电压获取每相输出电压的反馈信号。

另外，装置还包括设置在三相功率管全桥逆变电路与交流滤波器组成的回路中的电流互感器，控制电路的反馈输入端连接至电流互感器，此时，控制电路可通过电流互感器获取每相电流的前馈信号。

本发明控制电路可具体包括：三相基准正弦波数字频率相位合成单元、电压频率相位检测单元、输入端与三相基准正弦波数字频率相位合成单元和电压频率相位检测单元相连的第一PI控制器、电压反馈调理单元、输入端与第一PI控制器的输出端和电压反馈调理单元的输出端相连的第二PI控制器、输入端与第二PI控制器的输出端相连的比较器以及输入端与比较器的输出端相连的驱动单元，此时，

三相基准正弦波数字频率相位合成单元将给定的参考频率生成包含相应相的相位和频率的频率相位指令信号；

电压频率相位检测单元将每相输出电压的反馈信号的频率和相位信息进行分离，获取每相输出电压的反馈信号的相位和频率；

第一PI控制器根据相应相的相位和频率、每相输出电压的反馈信号的相位和频率以及给定的参考电压进行运算，生成相应相的电压指令信号；

电压反馈调理单元将每相输出电压的反馈信号转变为对应相的弱电压反馈信号。

第二PI控制器根据的每相电流的前馈信号、相应相的电压指令信号以及对应相的弱电压反馈信号进行PI运算，并将得到的误差信号与母线电压通过相应的调制比运算得到相应相的输出信号；

比较器将相应相的输出信号与对应的调制载波进行比较运算得到相应相的驱动信号；

驱动单元根据相应相的驱动信号驱动对应的功率管。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上仅为本发明的一个具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制装置，其特征在于，所述装置包括：由功率管组成的三相全桥逆变电路、交流滤波器、三相隔离变压器以及控制电路；

其中所述三相全桥逆变电路的输出端与所述交流滤波器的输入端相连，所述交流滤波器的输出端接所述隔离变压器的一次侧，所述三相隔离变压器的二次侧呈“Y”型连接；

所述三相全桥逆变电路的输出端以及所述三相隔离变压器的二次侧连接至所述控制电路的反馈输入端；所述控制电路的反馈输出端连接至所述三相全桥逆变电路的输入端；

所述控制电路，用于获取所述三相全桥逆变电路的每相电流的前馈信号以及所述三相隔离变压器二次侧的每相输出电压的反馈信号，根据所述电流的前馈信号和所述输出电压的反馈信号实现对所述三相全桥逆变电路的控制；

所述装置还包括设置在所述三相隔离变压器二次侧的第一电容，所述控制电路通过检测所述第一电容两端的电压获取所述每相输出电压的反馈信号；

所述控制电路包括：三相基准正弦波数字频率相位合成单元、电压频率相位检测单元、输入端与所述三相基准正弦波数字频率相位合成单元和所述电压频率相位检测单元相连的第一PI控制器、电压反馈调理单元、输入端与所述第一PI控制器的输出端和所述电压反馈调理单元的输出端相连的第二PI控制器、输入端与所述第二PI控制器的输出端相连的比较器以及输入端与所述比较器的输出端相连的驱动单元；

所述三相基准正弦波数字频率相位合成单元，用于将给定的参考频率生成包含相应相的相位和频率的频率相位指令信号；

所述电压频率相位检测单元，用于将所述每相输出电压的反馈信号的频率和相位信息进行分离，获取所述每相输出电压的反馈信号的相位和频率；

所述第一PI控制器，用于根据所述相应相的相位和频率、所述每相输出电压的反馈信号的相位和频率以及给定的参考电压进行运算，生成相应相的电压指令信号；

所述电压反馈调理单元，用于将所述每相输出电压的反馈信号转变为对应相的弱电压反馈信号；

所述第二PI控制器，用于根据所述的每相电流的前馈信号、所述的相应相的电压指令信号以及所述的对应相的弱电压反馈信号进行PI运算，并将得到的误差信号与母线电压通过相应的调制比运算得到相应相的输出信号；

所述比较器，用于将所述相应相的输出信号与对应的调制载波进行比较运算得到相应相的驱动信号；

所述驱动单元，用于根据所述相应相的驱动信号驱动对应的所述功率管。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在三相功率管全桥逆变电路与所述交流滤波器组成的回路中的电流互感器，所述控制电路的反馈输入端连接至所述电流互感器，用于通过所述电流互感器获取所述每相电流的前馈信号。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三相全桥逆变电路由12个IGBT组成。

4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述逆变电源的输出频率为45Hz～800Hz或1000Hz。

5.一种三相大功率逆变电源的负载不平衡控制方法，应用在如权利要求1所述的装置中，其特征在于，所述方法包括：

所述控制电路获取所述三相全桥逆变电路的每相电流的前馈信号并获取所述三相隔离变压器二次侧的每相输出电压的反馈信号；

所述控制电路根据所述电流的前馈信号和所述输出电压的反馈信号生成相应相的驱动信号；

所述控制电路根据所述相应相的驱动信号驱动对应的所述功率管；

所述控制电路通过检测所述第一电容两端的电压获取所述每相输出电压的反馈信号；

所述三相基准正弦波数字频率相位合成单元将给定的参考频率生成包含相应相的相位和频率的频率相位指令信号；

所述电压频率相位检测单元将所述每相输出电压的反馈信号的频率和相位信息进行分离，获取所述每相输出电压的反馈信号的相位和频率；

所述第一PI控制器根据所述相应相的相位和频率、所述每相输出电压的反馈信号的相位和频率以及给定的参考电压进行运算，生成相应相的电压指令信号；

所述电压反馈调理单元，将所述每相输出电压的反馈信号转变为对应相的弱电压反馈信号；

所述第二PI控制器，根据所述的每相电流的前馈信号、所述的相应相的电压指令信号以及所述的对应相的弱电压反馈信号进行PI运算，并将得到的误差信号与母线电压通过相应的调制比运算得到相应相的输出信号；

所述比较器将所述相应相的输出信号与对应的调制载波进行比较运算得到相应相的驱动信号；

所述驱动单元根据所述相应相的驱动信号驱动对应的所述功率管。

6.如权利要求5所述的方法，所述装置还包括设置在三相功率管全桥逆变电路与所述交流滤波器组成的回路中的电流互感器，所述控制电路的反馈输入端连接至所述电流互感器，其特征在于，所述控制电路通过所述电流互感器获取所述每相电流的前馈信号。