CN103715921A - 用于vienna整流器的限流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率因数变频器领域，旨在提供一种用于VIENNA整流器的限流控制方法。该方法包括：通过采样获得直流电压偏移和相电流瞬时值；根据中点电压偏移量计算电流上下限值；若相电流瞬时值大于电流上限值或小于电流下限值，则相开关管的占空比设置为0；若相电流瞬时值小于电流上限值且大于电流下限值，则相开关管的占空比保持不变，并作为用于实际控制的占空比信号。本发明可以降低开关管的电流应力，采用电流等级较小的开关管；并且在电流较大时，减少了开关次数，降低开关损耗。因此本发明可以降低Vienna整流器的成本，提高Vienna整流器的效率。本发明也可以用于Vienna整流器的过载运行，增强Vienna整流器的整体过载能力。

Description

用于VIENNA整流器的限流控制方法
技术领域
本发明涉及高功率因数变频器领域，特别涉及三相三线Vienna整流器电路的占空比切换控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的迅猛发展，非线性元件对电网注入了大量的谐波。严重的谐波畸变可能导致用电设备的故障，为了解决这一问题，功率因数校正电路被越来越多的应用到电力电子设备中。
Vienna拓扑是一种优秀的三相功率因数校正整流器，相对于全桥拓扑，在成本、效率和功率密度上都具有明显优势。VIENNA拓扑的常规控制方法已经较为成熟，在通讯电源、UPS等领域获得良好的应用。
Vienna拓扑可以获得完美的电流波形，但是基于Vienna拓扑的功率因数校正电路的成本仍然较高，尤其在工业应用领域，如变频器等，对功率因数校正的要求相对较低，因此低成本的功率因数校正技术在工业应用中有广泛应用前景。
Vienna拓扑的一个重要特点是，电源的功率通过二极管传递到负载，不通过功率开关器件，因此就有可能对功率开关管进行选择性控制，从而在牺牲部分性能的前提下降低功率因数校正电路的成本。
发明内容
本发明旨在开发低成本的三相功率因数校正电路，提出一种用于VIENNA整流器的限流控制方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种用于VIENNA整流器的限流控制方法，包括以下步骤：
（1）通过采样获得直流电压偏移和相电流瞬时值；
（2）根据中点电压偏移量计算电流上下限值：
当中点电压偏移为正即Vdc2－Vdc1＞0时，电流上限值Iuplim＝Ilim－kb×(Vdc2-Vdc1)，电流下限值Idownlim=Ilim；当中点电压偏移为负即Vdc2－Vdc1＜0时，电流上限值Iuplim＝Ilim，Idownlim＝Ilim－kb×(Vdc2-Vdc1)；
式中，所述中点电压偏移指整流器直流侧下端电容电压与上端电容电压之差，Vdc2为下端电容电压，Vdc1为上端电容电压；kb为用于中点电压平衡的平衡因子，根据控制速度的要求确定；Ilim为电流限值的基值，根据开关管的电流容量来设置，该基值小于开关管的额定电流幅值；
（3）若相电流瞬时值大于电流上限值Iuplim或小于电流下限值Idownlim，则相开关管的占空比设置为0；若相电流瞬时值小于电流上限值Iuplim且大于电流下限值Idownlim，则相开关管的占空比保持不变，并作为用于实际控制的占空比信号。
本发明中，所述相开关管的占空比采用脉宽计算的方式获得。
本发明中，所述脉宽计算采用最少开关次数的空间矢量调制方式，或注入零序分量的正弦波调制方法。
本发明中，所述的电流上限值Iuplim和电流下限值Idownlim根据直流中点电压的偏移调整；当直流中点电压偏移为正时，设定电流上限值Iuplim小于电流下限值Idownlim；当直流中点电压偏移为负时，设定电流上限值Iuplim大于电流下限值Idownlim。
本发明中，所述电流上限值Iuplim和电流下限值Idownlim的绝对值均小于开关管的额定电流幅值。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果在于：
1、采用本发明中的方法，可以使整流器的开关管电流值限制在设定值，降低开关管的电流应力，可以采用电流等级较小的开关管；并且在电流较大时，减少了开关次数，降低开关损耗。因此本发明可以降低Vienna整流器的成本，提高Vienna整流器的效率。
2、本发明也可以用于Vienna整流器的过载运行，由于二极管的过载能力较开关管强，本方案可实现仅限制开关管的电流而不限制二极管的电流，从而增强Vienna整流器的整体过载能力。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为VIENNA整流器电路；
图3为VIENNA整流器变形电路；
图4为最小开关次数矢量调制的占空比示意图；
图5为脉宽切换流程图；
图6为采用传统的最小开关次数矢量调制方法的开关管电流波形和电网电流波形；
图7为采用本方案的开关管电流波形和电网电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的说明。
图1所示本发明实施方式的示意图，从主控制器输出的控制信号经过最小开关次数的空间矢量调制，得到三相开关管的占空比信号（da、db、dc）。再根据相电流和直流中点电压的偏移对占空比进行切换，获得新的占空比信号（Da，Db，Dc），用于控制各相的开关管。
由于三相处理方式相同，以下分析以A相为例。
通过最小开关次数空间矢量调制获得的A相占空比如图4中上图所示，占空比在不同调制比下的波形会有所不同，图4只列出其中一种。图4的下图为对应的A相电网电压和A相电网电流。
开关管占空比的切换过程如图5。
首先通过采样获得直流电压偏移和相电流瞬时值；
然后，根据控制速度要求确定用于中点电压平衡的平衡因子kb，以及电流限值的基值Ilim，电流基值Ilim的设置根据开关管的电流容量来设置，一般小于额定电流幅值。
再根据中点电压偏移量计算电流上下限值：
当中点电压偏移为正（Vdc2-Vdc1>0），设定上限值Iuplim＝Ilim－kb×(Vdc2-Vdc1)，下限值Idownplim=Ilim；当中点电压偏移为负（Vdc2-Vdc1<0），设定Iuplim=Ilim，Idownplim＝Ilim－kb×(Vdc2-Vdc1)。
最后，判断相电流瞬时值大小：若相电流瞬时值大于电流上限值Iuplim或小于电流下限值Idownlim，则相开关管的占空比设置为0；若相电流瞬时值小于电流上限值Iuplim且大于电流下限值Idownlim，则相开关管的占空比保持不变，并作为用于实际控制的占空比信号。
本发明中，电流上限值Iuplim和电流下限值Idownlim根据直流中点电压的偏移调整；当直流中点电压偏移为正时，设定电流上限值Iuplim小于电流下限值Idownlim；当直流中点电压偏移为负时，设定电流上限值Iuplim大于电流下限值Idownlim。电流上限值Iuplim和电流下限值Idownlim的绝对值均小于开关管的额定电流幅值。
本方法的相开关管的占空比采用脉宽计算的方式获得。脉宽计算方法并不限于最小开关次数的矢量调制，也可采用简单的注入零序分量的正弦波调制方法，因此占空比的示意图并不和图4完全一致。
图6是采用传统最小开关次数矢量调制方法时，开关管的电流波形和电网电流波形。图7是采用本方案的开关管电流波形，对比可见本方案的开关管最大电流下降20%左右，代价是电网电流畸变有一定程度增加。因此本方案适用于对电网电流质量不十分苛刻的应用场合，比如变频器。

Claims (5)

1.一种用于VIENNA整流器的限流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过采样获得直流电压偏移和相电流瞬时值；
（2）根据中点电压偏移量计算电流上下限值：
当中点电压偏移为正即Vdc2－Vdc1＞0时，电流上限值Iuplim＝Ilim－kb×(Vdc2-Vdc1)，电流下限值Idownlim=Ilim；当中点电压偏移为负即Vdc2－Vdc1＜0时，电流上限值Iuplim＝Ilim，Idownlim＝Ilim－kb×(Vdc2-Vdc1)；
式中，所述中点电压偏移指整流器直流侧下端电容电压与上端电容电压之差，Vdc2为下端电容电压，Vdc1为上端电容电压；kb为用于中点电压平衡的平衡因子，根据控制速度的要求确定；Ilim为电流限值的基值，根据开关管的电流容量来设置，该基值小于开关管的额定电流幅值；
（3）若相电流瞬时值大于电流上限值Iuplim或小于电流下限值Idownlim，则相开关管的占空比设置为0；若相电流瞬时值小于电流上限值Iuplim且大于电流下限值Idownlim，则相开关管的占空比保持不变，并作为用于实际控制的占空比信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相开关管的占空比采用脉宽计算的方式获得。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉宽计算采用最少开关次数的空间矢量调制方式，或注入零序分量的正弦波调制方法。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电流上限值Iuplim和电流下限值Idownlim根据直流中点电压的偏移调整；当直流中点电压偏移为正时，设定电流上限值Iuplim小于电流下限值Idownlim；当直流中点电压偏移为负时，设定电流上限值Iuplim大于电流下限值Idownlim。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电流上限值Iuplim和电流下限值Idownlim的绝对值均小于开关管的额定电流幅值。
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