CN103609011B - 用于三相交流电压‑直流电压转换器的简易控制方法 - Google Patents

用于三相交流电压‑直流电压转换器的简易控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制转换器将n相交流输入电压转换为直流输出电压的方法，交流输入电压的每个相位连接到转换器的开关（1、2、3）上，所述方法包括下述步骤：（a）确定j个特征电压（Va、Vb、Vc、Va‑Vb、Vb‑Vc、Va‑Vc、Va+20°、Vb+20°、Vc+20°、Va‑20°、Vb‑20°、Vc‑20°）的信号的步骤；（b）通过比较所述j个特征电压的信号和参数表中的数据来确定与j个特征电压（Va、Vb、Vc、Va‑Vb、Vb‑Vc、Va‑Vc、Va+20°、Vb+20°、Vc+20°、Va‑20°、Vb‑20°、Vc‑20°）的信号相对应的参数组合（C1‑C12、C1‑C18）的步骤；（c）根据在步骤（b）中识别的参数组合（C1‑C12、C1‑C18），按照预设断开时间（t1、t2、t3）断开每个开关的步骤。

Description

用于三相交流电压-直流电压转换器的简易控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制转换器将三相交流电压转换为直流电压的方法。
背景技术
图1显示了一种“三相降压式（buck）”转换器，该转换器能够将三相交流电压转换为直流电压。这种转换器包括三个开关1、2、3，其中三相交流电压的每个相4、5、6连接至该三个开关1、2、3。这三个开关1、2、3相互并联。所述三相buck转换器还包括反向并联于直流总线上的续流二极管7，以及包括两个电感器9、10和电容器11的输出滤波器8。
当电路上的开关断开后，所述续流二极管提供了电流的持续性。由于电感器中的电流不能突然中断，因此当电流在电感器流动时这至关重要。
通常，为了控制这样的转换器，现有技术提出的方案是测量每个开关1、2、3的输入电压和电流以及测量转换器的输出电压和电流，并且需要使用能够根据输入、输出的电压和电流来调节开关1、2、3的平均导通时间的控制回路。
此类方法能够获得对输出电压的良好控制。进一步地，此类方法还能够控制直流电压的电压电平。并且此类方法还能够通过限制流入电流来控制转换器的接通。
然而，这些方法非常复杂并且需要较多传感器。
而且，现有技术的方法中用于电压至电流的反馈控制方法十分复杂，这往往需要非常大型的控制软件和非常精准的电压、电流传感器。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种用于控制转换器将三相交流电压转换为直流电压的方法以克服现有技术中的缺点，相对于现有技术中的方法，这种方法更为简易。
本发明的另一个目的在于提供一种用于控制转换器将简化的三相交流电压转换为简化的却具备可接受性能的直流电压的方法，即，能够适当地实现三相交流-直流转换，并且能够根据电力干线的标准滤去交流电线的电流中的谐波量。
为此，根据本发明的第一方面，提供一种用于控制转换器将n相交流输入电压转换为直流输出电压的方法，所述交流输入电压的每个相位连接到所述转换器的开关上，所述方法包括下述步骤：
-（a）确定j个特征电压的信号的步骤；
-（b）通过比较所述j个特征电压的信号和参数表中的数据来确定与这j个特征电压的信号相对应的参数组合的步骤；
-（c）根据在所述步骤（b）中识别的所述参数组合，按照预设断开时间断开每个所述开关的步骤。
因此，根据本发明的方法所具有的显著优势在于：替代了根据在转换器的输入和输出部分所测量的电压和电流而实时反馈控制开关的方式，根据本发明的方法仅需要测量特征电压以足够精确地确定这些特征电压的信号即可。本方法确定与这j个特征电压的信号相对应的参数组合。
然后根据所识别的参数组合控制开关的断开时间或占空因数。
因此，该方法相比现有技术中的方法更加简便，首先是因为特征电压的测量不需要像现有技术那样精确，这是由于不需要精确的电压值：而仅仅需要其信号。
进一步地，比现有技术的方法，根据本发明的方法相更加简易，这是因为不同于现有技术的方法，在根据本发明的方法中，不需再测量转换器输入端的交流电压的相位强度，也不需要再测量输出电压的电压和电流。
在另一方面，不需要再根据所测量的电压和电流的幅值在任一时间t时控制开关的断开时间，相反，开关的断开时间是预定的，并且每个开关的相同的断开时间总是与所给出的参数组合相对应。
根据本发明的控制方法还具有下述的一个或多个的特征，这些特征可以是单独的也可以是根据任意技术的可能组合。
优选地，所述参数表包括i个不同的参数组合。因此，参数表优选地包括确定数量的参数组合，以使得j个特征电压的信号能够与参数表中的数据相比较，从而确定与j个特征电压的信号相对应的参数组合。
换言之，每个参数组合由一组j个特征电压的信号表征，因此一旦j个特征电压的信号确定，这j个参数信号能够与参数表中的数据相比较，以能够确定与j个特征电压的信号相对应的参数组合。
有利地，j为i/2。实际上，j可以被选为特征电压信号的数量，以使得j个特征电压中的信号的每个组合能够与参数表中的单一参数组合一一对应。
根据不同的优选实施方式，当n为3时，i可以为12或18。实际上，这将在至少一个实施方式中的详细描述部分得到进一步阐述。在选择12或18个参数组合的情况下，能够比较容易地确定特征电压的一组信号，以使得该一组特征信号能够与单一参数组合一一对应。
然而，本领域技术人员能够容易地在i为其他数量时适用本方法，通常地，i越大，则控制方法越精确。
有利地，i可以为交流输入电压的n相数的倍数。
根据一个实施方式，在所述步骤（a）中，确定下述的六个信号：
-每个相位的所述电压的信号；
-两个所述相位的电压之差的信号。
因此，在该实施方式中，与之相对应地情况是具有十二个参数组合，并能够确定相电压的信号以及它们之差的信号。
根据另一实施方式，在所述步骤（a）中，确定下述的九个信号：
-每个相位的所述电压的信号；
-移相+20°的所述每个相位的所述电压的信号；
-移相-20°的所述每个相位的所述电压的信号。
对于具有周期T的电压U(t)，通过“+20°的电压移相”，意味着具有等于U(t+T/18)的电压。相同地，对于具有周期T的电压U(t)，通过“-20°的电压移相”，则意味着具有等于U(t-T/18)的电压。”
优选地，确定j个特征电压的信号的步骤（a）是测量这j个电压的信号的步骤。换言之，该步骤（a）优选为测量每个这些特征电压的值的步骤，其中仅需要该测量步骤足够精确到能够确定这j个电压的信号即可。
有利地，每个参数组合均代表时间间隔。
优选地，每个时间间隔与交流输入电压的部分时间周期相对应。
有利地，当电力干线平衡时，所有时间间隔具有相同时长。
优选地，本方法在每个时间间隔中重复一次，相比现有技术中依次永久进行的方法而言，更加简易。
有利地，本发明控制方法是用于控制“三相buck”型转换器的方法。这种转换器例如可以为在名称为“三相三开关Buck型PWM整流器的综合设计”（“Comprehensive Designof a Three-Phase Three-Switch Buck-Type PWM Rectifier”）的文档中进行描述的转换器。该文档由IEEE的会员托马斯·努斯鲍默（Thomas Nussbaumer）、IEEE的高级会员马丁·鲍曼（Martina Baumann)和约翰·W·科拉尔（Johann W.Kolar）在IEEE电力电子学期刊（IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS）的2007年3月的第22卷、第2篇中刊登。
有利地，本控制方法是一种用于转换“升压（Boost）”型转换器的方法。这种转换器例如在名称为“基于空间矢量的变量分析和潜在中性点控制的滞环电流控制式三相/开关/电平的PWM整流器系统”（“Space Vector Based Analysis of the Variation andControl of the Neutral Point Potential of Hysteresis Current ControlledThree-Phase/Switch/Level PWM Rectifier Systems”）的文档中得到描述，该文档收录在由位于欧洲奥地利维也纳A-1040GusshausstraDe27的维也纳技术大学电力电子系359.5的～O H A N NW.KOLAR,U WED ROFENIKF,R ANZC.ZACH发表的IEEE目录号95TH80250-7803-2423-4l95l$4.oOOI995中。（～O H A N NW.KOLAR,U WED ROFENIKF,R ANZC.ZACH,Technical University Vienna,Power Electronics Section359.5,GusshausstraDe27,Vienna A-1040,Austria/Europe,IEEE Catalogue No.95TH80250-7803-2423-4l95l$4.oOOl995IEEE.）
为了实现根据本发明的方法，需要预先完成参数表。在该文档中，通过“参数表”，意味着存储器中储存的参数数据以及在步骤（a）中确定的信号能够进行比较，从而识别与这些信号相对应的参数组合。以使得每个参数组合与预设的开关的断开时间或占空因数相对应。
为了实现根据本发明的方法，因此需要设立参数表。
为此，可制作例如其中同时记录n个相位的电压的特征曲线。然后，将该特征曲线被切割为i个时间间隔。
然后，j个特征电压能够被识别以使得在每个时间间隔中与特征电压的信号的单一组合一一对应。在另一方面，对于每个时间间隔，确定每个开关的平均断开时间或平均占空因数，从而通过将这些平均断开时间或占空因数在每个时间间隔中应用，以能够在转换器的输出部分得到直流电压。
因此，制成的参数表包括i个时间间隔，每个时间间隔由j个特征电压的信号的单一组合表征。在另一方面，使得每个时间间隔与每个开关的预设的时间间隔或预设的占空因数相关联。
因此，一旦制成这样的参数表，在给定时间t时，对转换器输出端的交流电压确定j个特征电压的信号，然后将它们与参数表中的j个特征电压的信号相比较，以确定与这j个参数信号相对应的参数组合。一旦确定了参数组合，则在与该参数组合相对应的预设的时间内断开开关。
附图说明
本发明进一步的特点和优势将参考附图在下面详细描述中呈现，其中显示了：
图1是背景技术中一种转换器的示意图，其中该转换器能够将三相交流输入电压转换为直流输出电压，并且根据本发明的控制方法能够适用于该转换器；
图2，是一种开关，其可以替代图1中显示的开关，该开关能够包括在图1中的转换器内；
图3，是能够用于本发明一种实施方式的控制方法中的参数表的一种特征曲线的示意图，其中，使用12个参数组合来制备；
图4，是应用在图3所示的实施方法中的六个参数特征电压的信号示意图；
图5，是与图1中的转换器相关的六个特征电压的时间进程的示意图；
图6，是图1中的转换器的开关的在某时段内的平均断开时长的示意图；
图7，是一种将三相交流输入电压转换为直流输出电压的降压式（buck）转换器的示意图，本发明提供的控制方法适应于该降压式（buck）转换器；
图8，是用于根据本发明的控制方法中的参数表的一种特征曲线的示意图，其中，使用18个参数组合来制备；
图9，是用于根据图8所示的实施方式中的方法的九个参数特征电压的信号的示意图；
图10，是与图1中的转换器相关的九个特征电压的时间进程的示意图；
图11，是一种转换器的示意图；
图12，是一种升压（boost）转换器的示意图；
图13，是一种降压（buck）转换器的示意图。
具体实施方式
图1显示了一种用于将三相交流输入电压转换为直流输出电压的转换器。图11显示一种转换器的符号，图1中的转换器被称为“三相降压转换器”。本控制方法能够适用于例如此类转换器。图13显示了本发明适用的降压转换器的框图。
尽管如此，本发明并不限于这种类型的转换器。本发明的控制方法能够适用于例如“升压”型转换器。图12显示了一种升压转换器的框图。进一步地，本发明不限于三相电压转换器，而是还能够用于将n相电压转换为直流电压的转换器。
图1中的转换器包括三个开关1、2、3，三相输入电压的相位4、5、6分别连接于该三个开关1、2、3。该三个开关1、2、3相互并联。该转换器还包括反向并联在直流总线上的续流二极管7，以及包括两个电感器9、10和电容器11的输出滤波器8。
在图1的实施方式中，每个开关1、2、3包括四个二极管和晶体管。晶体管可以为IGBT（绝缘栅极极晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、FET（场效应晶体管）类型。
然而，根据本发明的控制方法可以还适用于具有不同的构件的将n相交流电压转换为直流输出电压的转换器，因此图1中开关可以被其他开关取代，例如图2中显示的开关。
现在将参考图3至图6进一步地详细描述本发明第一实施方式中的控制转换器将三相交流输入电压转换为直流输出电压的方法。
首先，在实施控制方法之前，需要制作参数表。为此，在本实施方式中，在转换器的输入部分以时间t的函数在时间周期T内测量和/或记录电压Va、Vb、Vc。
在本实施方式中，中断时间周期T得到i=12的时间间隔T1至T12。然而，还能够设想将时间周期分为其他数量的时间间隔。时间间隔的数量i可以优选为交流输入电压的相数n的倍数。在本实施例中，时间间隔的数量i因此优选为3的倍数。
时间间隔T1至T12优选为相同长度，这意味着在这种情况下，每个时间间隔T1至T12持续的时间优选为T/12。
然后，参数表应当包括使得时间间隔T1至T12能够独特辨别出来的数据。
为此，每个时间间隔T1至T12通过j个参数特征电压的信号表征，在具有12个时间间隔的情况下，每个时间间隔T1至T12能够唯一地由下述六个特征电压的信号表征：
-交流输入电压的每一个相电压Va、Vb、Vc的电压信号；
-他们的差Va-Vb、Va-Vc、Vb-Vc的信号。
因此，例如如果在间隔T1内，Va、Vc、Va-Vb、Vc-Va为正，则Vb、Vb-Vc在为负。
相同地，在间隔T2内，Va、Va-Vb为正，则Vb、Vc、Vc-Va为负并且Vb-Vc更改了其信号。相同的方式可以适用于每个时间间隔T3至T12，并且因此能够通过电压Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Vc-Va的信号唯一地表征每个间隔。
因此，每个时间间隔T1至T12能够以参数组合C1至C12的方式存储在参数表中，该参数组合通过其所含有的数据表征。每个参数组合C1至C12能够因此唯一地由其所包含的六个信号识别。
在另一方面，每个参数组合C1至C12与每个开关1至3的预设的占空因数或开启时间t1、t2、t3相关联。
另外，与参数组合C1相关联的有：
-开关1的预设断开时间t1的33%，这意味着开关1将断开等于T/12的33%的平均时长；
-开关2的预设断开时间t2的100%，这意味着开关2将断开等于T/12的100%的平均时长；
-开关3的预设断开时间t3的66%，这意味着开关3将断开等于T/12的66%的平均时长。
因此，对于每个参数组合C1至C12，预设断开时间是为开关1至3限定的，这些数据储存于参数表中。
以此获得的参数表示意地显示在图3和图4中。
一旦此参数表被设置，本方法首先包括步骤（a），确定j个特征电压的信号。图4显示了特征电压Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc的时间进程。
在本实施例中，特征电压Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc因此在时间t中测量，以使得这些电压的信号能够确定。Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc的信号测量优选为Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc的值的测量，该值足够精确以能确定每个电压的信号。这种测量对于本领域技术人员是公知的。
然后，本发明方法包括步骤（b），通过将这j个特征电压的信号与参数表中的数据进行比较，确定与j个特征电压的信号相关的参数组合。
因此，如果在步骤（a）中，对于Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc，被识别的信号为{+、-、-、+、-、-}，则能够通过参数表知道的是，这是参数组合C3，并且因此知道这是在时间间隔T3内。
本发明方法还包括步骤（c），根据步骤（b）中识别的参数组合C3，在预设的断开时间t1、t2、t3内断开每个开关1、2、3。更准确地，对于参数组合C3，其与下述断开时间相关联：{t1=100%的T/12、t2=66%的T/12、t3=33%的T/12}，这反应在图6中。
图6示意地显示了应用在时间将T1中的这些断开时间t1至t3。
因此，对于每个组合C1至C12，其与开关1至3的一组断开占空因数相关联，相比现有技术中的方法，本控制方法更加简易。
可以提出三个一组的占空因数{33%、66%、100%}，这是由于三个一组中具有有效的100%的占空因数能够提供由斩波所带来的最优化的损耗。具有100%的占空因数的开关能够在时段内永久导通。
对于“占空因数”，其意味着在使用开关在高频电子测量中的斩波原理，以在该术语的“平均”含义时完成所需调节。
现在将参考图7至图10对根据另一实施方式中的控制方法进行详细描述。该控制方法使用的是将输入电压的周期T中断为18个间隔T1至T18，而不再是如图1至图6所示的12个间隔。
本控制方法适用的转换器显示在图7中。该转换器可以与图1所示的转换器完全相同，但是进一步优选地，可以包括用于生成特征电压的装置12。
如前所述，首先制作参数表，该参数表示意性地显示在图8和图9中。
为此，首先如图8所示，在时间周期内记录输入交流电压的三个相位的电压。因此制成的特征曲线可以分为18个时间间隔T1至T18。这些时间间隔T1至T18优选具有相同的时长。
如前所述，每个时间间隔T1至T18应当唯一地由j个特征电压信号的组合表征。
在本实施方式中，为此，可以选择下述九个特征电压的信号：
-交流输入电压的每个相位的电压Va、Vb、Vc；
-被移相+20°的交流输入电压的每个相位的电压：Va+20°、Vb+20°、Vc+20°；
-被移相-20°的交流输入电压的每个相位的电压：Va-20°、Vb-20°、Vc-20°。
如图9所示，由于每个时间间隔由这9个参数信号表征，这九个特征电压的信号能够使得18个时间间隔T1至T18被辨别。
为了提供电压Va+20°、Vb+20°、Vc+20°、Va-20°、Vb-20°、Vc-20°，优选地，控制转换器包括用于生成特征电压的装置12。这些生成装置12提供了电力干线时移（提前或延迟）的“图形”信号。如果矢量地显示电力干线，对于每个单一电压（Va、Vb、Vc），其获得+20°和-20°的电压移相。推荐提供从{Va、Vb、Vc}至{Va、Vb、Vc、Va+20、Vb+20、Vc+20、Va-20、Vb-20、Vc-20}转换的这个功能的电路例如可以是信号自耦变压器。其是包括三个芯柱（bar）和九个线圈的电磁元件。
因此，每个时间间隔T1至T18通过参数组合C1至C18显示在参数表中，该参数组合能够由其包含的九个信号表征。
除此之外，参数表还包括每个开关1、2、3的占空因数或断开时长，该占空因数和断开时长是预设的并与参数表中的每个组合C1至C18相关联。
在本实施例中，例如下述占空因数{14%、86%、72%}可以被选为参数组合C1，并且三个一组的占空因数可以从下述系列{14%、50%、72%、86%、100%}中为其他参数组合所选出。然而，这样的占空因数仅是示例性地提及，本领域技术人员能够容易地将根据本发明的方法适用于其他占空因数。
如上述的实施方式，一旦制成参数表，本方法可以包括下述步骤：
为操作转换器需遵循的程序：
-测量特征电压Va、Vb、Vc、Va+20°、Vb+20°、Vc+20°、Va-20°、Vb-20°、Vc-20°以足以精确地识别他们的信号；这些电压的时间进程显示在图10中：
-确定这些电压的信号；
-识别与九个电压的信号相对于的组合C1至C18，并且因此能够知道时间间隔；
-将预设的占空因数施加到开关中。
由于相比于那些现有技术更加方便，根据本发明的方法优势特别显著，这是由于：
-待确定的测量不需要确定特别精确，这是由于运行的电力干线的电压信号代替了振幅的时间进程。
-不再需要测量与输出电压相关的参数，也不用测量输入电压的电流。
-不需要控制回路
当然，本发明不限于参考附图所描述的实施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况可以进行替代。尤其是，其他占空因数、其他特征电压、其他时间间隔等均能够被选择。
在另一方面，本发明能够应用于除参考附图所描述的那些转换器之外的转换器。

Claims (8)

1.一种用于控制转换器将n相交流输入电压转换为直流输出电压的方法，所述交流输入电压的每个相位连接到所述转换器的开关(1、2、3)上，所述方法包括下述步骤：
-(a)确定j个特征电压(Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc、Va+20°、Vb+20°、Vc+20°、Va-20°、Vb-20°、Vc-20°)的信号的步骤；
-(b)通过比较所述j个特征电压的信号(Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc、Va+20°、Vb+20°、Vc+20°、Va-20°、Vb-20°、Vc-20°)和参数表中数据来确定与所述j个特征电压(Va、Vb、Vc、Va-Vb、Vb-Vc、Va-Vc、Va+20°、Vb+20°、Vc+20°、Va-20°、Vb-20°、Vc-20°)的信号相对应的参数组合(C1-C12、C1-C18)的步骤，其中所述参数表包括不同参数组合(C1-C12、C1-C18)的数量i，该数量i为所述交流输入电压的相位数量n的倍数，并且，所述j个特征电压包括第一组交流输入电压和第二组特征电压，第二组的每个特征电压通过交流输入电压进行作差或交流输入电压进行移相而得到；
-(c)根据在所述步骤(b)中识别的所述参数组合(C1-C12、C1-C18)，按照预定的断开时间(t1、t2、t3)断开每个所述开关的步骤，其中每个所述开关的断开时间的值在确定所述参数组合之前被预定。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述j为i/2。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其中，所述i为12。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其中，所述i为18。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其中，在所述步骤(a)中，确定下述的六个信号：
-每个相位的所述电压(Va、Vb、Vc)的信号；
-两个所述相位的所述电压之差(Va-Vb、Va-Vc、Vb-Vc)的信号。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其中，在所述步骤(a)中，确定下述的九个信号：
-每个相位的所述电压(Va、Vb、Vc)的信号；
-移相+20°的所述每个相位的所述电压(Va+20°、Vb+20°、Vc+20°)的信号；
-移相-20°的所述每个相位的所述电压(Va-20°、Vb-20°、Vc-20°)的信号。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其中，每个参数组合(C1-C12、C1-C18)均代表时间间隔(T1-T12、T1-T18)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，每个时间间隔(T1-T12、T1-T18)与所述交流输入电压的部分时间周期相对应。
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