CN104079161B - 三相三电平pfc电路的数字控制系统及控制方法 - Google Patents

三相三电平pfc电路的数字控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子电路数字控制技术领域,具体涉及一种三相三电平PFC电路的数字控制系统及控制方法,该数字控制系统包括输入相电流采样模块,输出电压采样模块,PID调节器,开通时间运算器,PWM模块;开通时间运算器对输入相电流ia、ib、ic和经PID调节器调节后的输出电压Uo进行计算,得到开关的开通时间,限制比较器获取相应的开通时间变化值并输出,PWM模块根据限制比较器输出的开通时间变化值更新PWM模块的比较器数值,并对相应的各相开关管进行控制。该数字控制系统与控制方法只需要采样三相输入电流与输出电压,控制量的计算简单省时,实现了电路的单位功率因数,并且谐波污染小。

Description

三相三电平PFC电路的数字控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子电路数字控制技术领域,特别是涉及一种三相三电平PFC电路的数字控制系统及控制方法。
背景技术
三相三电平功率因数校正(PFC)电路拓扑结构如图1上半部分所示,其中R、S、T是三相交流电压输入,各相输入分别接电感L1、L2、L3,电感另一端分别连接由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成的桥式电路中点A、B、C,二极管D1、D3、D5的N极共同连接至输出电容Cu正极,为电路的正极输出P,二极管D2、D4、D6的P极共同连接至输出电容Cd负极,为电路的负极输出N,S1、S2、S3分别为三相对应的开关管,由若干电力电子器件及其附加电路组成,通过开关管的电流可以是正向流动,也可以是反向流动,S1、S2、S3的其中一边分别连接A、B、C点,另一边均连接到输出电容的中点M,以上电路相互连接构成了三相三电平功率因数校正(PFC)电路。
目前,三电平PFC电路的控制存在多种方法,中国专利200910145279.1、200710080000.7均提供了空间矢量控制的方法,200910128568.0提供了一种优化开关操作的方法来确保电流的相位与电压一致;国内期刊的文献上也有人提供了单周期(One-Cycle)控制的方法;这些控制方法各有特点,矢量控制是基于数字芯片的一种控制方法,实际中可以灵活应用,适合用于大功率的场合,但其算法相对比较复杂,需要对三相的输入电压、输入电流、输出电压与电流进行采样,增加了装置的复杂度;单周期控制的方法较为简单,无需要采样输入电压,只需要对输入电流、输出电压进行采样,但由于需要实时的输入电流参与比较得到控制量,采用数字芯片实现单周期控制存在较大难度。
因此,针对现有技术中的存在问题,亟需提供一种算法简单,采样数据较少,并且可以适用于大功率场合的三相三电平PFC电路的数字控制系统及控制方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种算法简单、采样数据较少,并且可以适用于大功率场合的三电平PFC电路的数字控制系统及控制方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
三相三电平PFC电路的数字控制系统,包括:
输入相电流采样模块,用于每隔设定时间Tk,采样输入相电流ia、ib、ic;ia、ib、ic分别为R相输入电流、S相输入电流、T相输入电流;
输出电压采样模块,用于采样输出电压Uo;
PID调节器,用于每隔设定时间Tc,根据给定电压Uref将输出电压Uo调节成稳定的电压控制量Uc;
开通时间运算器,用于每隔设定时间Tk,对输入相电流ia、ib、ic和电压控制量Uc进行计算,得到开关S1、S2、S3的开通时间Tona、Tonb、Tonc;
限制比较器,用于获取相应的开通时间变化值并输出,具体方法为:将开通时间Tona、Tonb、Tonc与上一次的开通时间进行比较得到开通时间比较值,判断该开通时间比较值是否超过预先设定的开通时间变化限制值Tstepmax,若是,则该开通时间变化值的输出值为开通时间变化限制值Tstepmax,否则该开通时间变化值的输出值为输出开通时间比较值;
PWM模块,用于根据限制比较器输出的开关S1、S2、S3对应的开通时间变化值更新PWM模块的比较器数值,并对相应的各相开关管进行控制。
三相三电平PFC电路的数字控制方法,包括以下步骤:
(1)输入相电流采样模块每隔设定时间Tk,采样输入相电流ia、ib、ic,输出电压采样模块采样输出电压;ia、ib、ic分别为R相输入电流、S相输入电流、T相输入电流;
(2)PID调节器每隔设定时间Tc,根据给定电压Uref将输出电压Uo调节成稳定的电压控制量Uc;
(3)开通时间运算器每隔设定时间Tk,对输入相电流ia、ib、ic和电压控制量Uc进行计算,得到开关S1、S2、S3的开通时间Tona、Tonb、Tonc;
(4)限制比较器获取相应的开通时间变化值并输出,具体方法为:将开通时间Tona、Tonb、Tonc与上一次的开通时间进行比较得到开通时间比较值,判断该开通时间比较值是否超过预先设定的开通时间变化限制值Tstepmax,若是,则该开通时间变化值的输出值为开通时间变化限制值Tstepmax,否则该开通时间变化值的输出值为输出开通时间比较值;
(5)PWM模块根据限制比较器输出的开关S1、S2、S3对应的开通时间变化值更新PWM模块的比较器数值,并对相应的各相开关管进行控制。
其中,所述步骤(3)的具体计算方式为:
Tona=Ts–|ia|/Uc;
Tonb=Ts–|ib|/Uc;
Tonc=Ts–|ic|/Uc;
其中,Ts为开关S1、S2、S3的开关周期。
其中,所述获取电压控制量Uc的时间间隔Tc大于等于10倍的开关周期Ts。
进一步地,所述获取电压控制量Uc的时间间隔Tc大于等于10倍的开关周期Ts。
其中,所述开通时间Tona、Tonb、Tonc的计算时间间隔Tk大于等于开关周期Ts,且小于5倍开关周期Ts。
进一步地,当开关周期Ts小于10us时,Tk取5倍开关周期Ts;当开关周期Ts大于等于10us且小于20us时,Tk取3倍开关周期Ts;当Ts大于等于20us时,Tk取2倍开关周期Ts。
其中,所述开通时间变化限制值Tstepmax的取值为:
Tstepmax=N*2*Uim*Ts/Uo;
其中,Uim为最低输入电压峰值,N为Tk与开关周期Ts的比值。
本发明的有益效果:1、本发明的三相三电平PFC电路的数字控制系统,只需要对输入相电流、输出电压进行采样,采样数据较少,电路相对简单;2、该三电平PFC电路的数字控制方法,算法简单,执行时间少,对数字芯片的运算能力要求相对比较低;3、该数字控制系统很大程度上减少了控制系统对输入电流采样次数的要求,当主电路工作在较高频率时,其采样时间间隔对于绝大多数数字控制芯片而言,仍然易于实现;极大程度上简化了开关管开通时间的运算,使得控制量运算时间大大减小;通过Tstepmax对开通时间变化进行限制,使得输入电流变化更为平滑、谐波小、无电流尖峰,电路更加安全可靠。
附图说明
利用附图对本发明做进一步说明,但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是三相三电平PFC电路拓扑图与本发明的三相三电平PFC电路的数字控制系统的模块示意图。
图2是三相三电平PFC电路输入为工频50Hz时采用常规整流时R相电压与电流波形图;
图3是三相三电平PFC电路输入为工频50Hz时采用本发明控制方法R相的电压与电流波形图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
本发明的一种三相三电平PFC电路的数字控制系统及控制方法的实施方式之一,如图1所示,三相三电平PFC电路的数字控制系统,包括:
输入相电流采样模块,用于每隔设定时间Tk,采样输入相电流ia、ib、ic;ia、ib、ic分别为R相输入电流、S相输入电流、T相输入电流;
输出电压采样模块,用于采样输出电压Uo;
PID调节器,用于每隔设定时间Tc,根据给定电压Uref将输出电压Uo调节成稳定的电压控制量Uc;
开通时间运算器,用于每隔设定时间Tk,对输入相电流ia、ib、ic和电压控制量Uc进行计算,得到开关S1、S2、S3的开通时间Tona、Tonb、Tonc;
限制比较器,用于获取相应的开通时间变化值并输出,具体方法为:将开通时间Tona、Tonb、Tonc与上一次的开通时间进行比较得到开通时间比较值,判断该开通时间比较值是否超过预先设定的开通时间变化限制值Tstepmax,若是,则该开通时间变化值的输出值为开通时间变化限制值Tstepmax,否则该开通时间变化值的输出值为输出开通时间比较值;
PWM模块,用于根据限制比较器输出的开关S1、S2、S3对应的开通时间变化值更新PWM模块的比较器数值,并对相应的各相开关管进行控制。
该三相三电平PFC电路的数字控制系统,只需要对输入相电流、输出电压进行采样,采样数据较少,电路相对简单。
如图1所示,本发明的三电平PFC电路的数字控制装置与其控制的三电平功率因数校正(PFC)电路拓扑结构。工作时,交流电流从R、S、T三相输入,经电感L1、L2、L3、二极管D1~D6、开关管S1、S2、S3、电容Cu及Cd组成的三电平功率因数校正(PFC)电路,转化为PN端输出的直流电;由输入相电流采样模块、输出电压与电流采样模块、模/数转换模块、控制量运算模块以及PWM模块相互连接组成的三电平PFC电路的数字控制装置对开关管S1、S2、S3进行控制,使三相电流跟电压同步,整个电源装置呈纯阻特性。
如图1所示,三相三电平PFC电路的数字控制方法,包括以下步骤:
(1)输入相电流采样模块每隔设定时间Tk,采样输入相电流ia、ib、ic,输出电压采样模块采样输出电压;ia、ib、ic分别为R相输入电流、S相输入电流、T相输入电流;
(2)PID调节器每隔设定时间Tc,根据给定电压Uref将输出电压Uo调节成稳定的电压控制量Uc;该获取电压控制量Uc的时间间隔Tc大于等于10倍的开关周期Ts。该给定电压Uref为输入电路的额定电压。
(3)开通时间运算器每隔设定时间Tk,对输入相电流ia、ib、ic和电压控制量Uc进行计算,得到开关S1、S2、S3的开通时间Tona、Tonb、Tonc;该开通时间Tona、Tonb、Tonc的计算时间间隔Tk大于等于开关周期Ts,且小于5倍开关周期Ts。
(4)限制比较器获取相应的开通时间变化值并输出,具体方法为:将开通时间Tona、Tonb、Tonc与上一次的开通时间进行比较得到开通时间比较值,判断该开通时间比较值是否超过预先设定的开通时间变化限制值Tstepmax,若是,则该开通时间变化值的输出值为开通时间变化限制值Tstepmax,否则该开通时间变化值的输出值为输出开通时间比较值;
该开通时间变化限制值Tstepmax的取值为:
Tstepmax=N*2*Uim*Ts/Uo;
其中,Uim为最低输入电压峰值,N为Tk与开关周期Ts的比值。
(5)PWM模块根据限制比较器输出的开关S1、S2、S3对应的开通时间变化值更新PWM模块的比较器数值,并对相应的各相开关管进行控制。
其中,所述步骤(3)的具体计算方式为:
Tona=Ts–|ia|/Uc;
Tonb=Ts–|ib|/Uc;
Tonc=Ts–|ic|/Uc;
其中,Ts为开关S1、S2、S3的开关周期。
该三电平PFC电路的数字控制方法,算法简单,执行时间少,对数字芯片的运算能力要求相对比较低;该数字控制系统很大程度上减少了控制系统对输入电流采样次数的要求,当主电路工作在较高频率时,其采样时间间隔对于绝大多数数字控制芯片而言,仍然易于实现;极大程度上简化了开关管开通时间的运算,使得控制量运算时间大大减小;通过Tstepmax对开通时间变化进行限制,使得输入电流变化更为平滑、谐波小、无电流尖峰,电路更加安全可靠。
实施例2:
本发明的一种三相三电平PFC电路的数字控制系统及控制方法的实施方式之一,如图1至图3所示,本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同,在本实施例中未作解释的特征,采用实施例1中的解释,在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于:
获取电压控制量Uc的时间间隔Tc大于等于10倍的开关周期Ts。
且Tk与开关周期Ts的关系为:当开关周期Ts小于10us时,Tk取5倍开关周期Ts;当开关周期Ts大于等于10us且小于20us时,Tk取3倍开关周期Ts;当Ts大于等于20us时,Tk取2倍开关周期Ts。
图2是三相三电平PFC电路输入为工频50Hz时采用常规整流时R相电压与电流波形图;图3是三相三电平PFC电路输入为工频50Hz时采用本发明控制方法R相的电压与电流波形图;可图2和图3可以看出本发明的控制方法取得了良好的效果。
最后应当说明的是,以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.三相三电平PFC电路的数字控制系统,其特征在于:包括
输入相电流采样模块,用于每隔设定时间Tk,采样输入相电流ia、ib、ic;ia、ib、ic分别为R相输入电流、S相输入电流、T相输入电流;
输出电压采样模块,用于采样输出电压Uo;
PID调节器,用于每隔设定时间Tc,根据给定电压Uref将输出电压Uo调节成稳定的电压控制量Uc;
开通时间运算器,用于每隔设定时间Tk,对输入相电流ia、ib、ic和电压控制量Uc进行计算,得到开关S1、S2、S3的开通时间Tona、Tonb、Tonc;
Tona=Ts–|ia|/Uc;
Tonb=Ts–|ib|/Uc;
Tonc=Ts–|ic|/Uc;
其中,Ts为开关S1、S2、S3的开关周期;
限制比较器,用于获取相应的开通时间变化值并输出,具体方法为:将开通时间Tona、Tonb、Tonc与上一次的开通时间进行比较得到开通时间比较值,判断该开通时间比较值是否超过预先设定的开通时间变化限制值Tstepmax,若是,则该开通时间变化值的输出值为开通时间变化限制值Tstepmax,否则该开通时间变化值的输出值为输出开通时间比较值;
PWM模块,用于根据限制比较器输出的开关S1、S2、S3对应的开通时间变化值更新PWM模块的比较器数值,并对相应的各相开关管进行控制;
其中,所述电压控制量Uc的时间间隔Tc大于等于10倍的开关周期Ts;所述开通时间Tona、Tonb、Tonc的时间间隔Tk大于等于开关周期Ts,且小于5倍开关周期Ts。
2.三相三电平PFC电路的数字控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)输入相电流采样模块每隔设定时间Tk,采样输入相电流ia、ib、ic,输出电压采样模块采样输出电压;ia、ib、ic分别为R相输入电流、S相输入电流、T相输入电流;
(2)PID调节器每隔设定时间Tc,根据给定电压Uref将输出电压Uo调节成稳定的电压控制量Uc;
(3)开通时间运算器每隔设定时间Tk,对输入相电流ia、ib、ic和电压控制量Uc进行计算,得到开关S1、S2、S3的开通时间Tona、Tonb、Tonc;具体计算方式为:
Tona=Ts–|ia|/Uc;
Tonb=Ts–|ib|/Uc;
Tonc=Ts–|ic|/Uc;
其中,Ts为开关S1、S2、S3的开关周期;
(4)限制比较器获取相应的开通时间变化值并输出,具体方法为:将开通时间Tona、Tonb、Tonc与上一次的开通时间进行比较得到开通时间比较值,判断该开通时间比较值是否超过预先设定的开通时间变化限制值Tstepmax,若是,则该开通时间变化值的输出值为开通时间变化限制值Tstepmax,否则该开通时间变化值的输出值为输出开通时间比较值;
(5)PWM模块根据限制比较器输出的开关S1、S2、S3对应的开通时间变化值更新PWM模块的比较器数值,并对相应的各相开关管进行控制;
其中,所述获取电压控制量Uc的时间间隔Tc大于等于10倍的开关周期Ts;所述开通时间Tona、Tonb、Tonc的计算时间间隔Tk大于等于开关周期Ts,且小于5倍开关周期Ts。
3.根据权利要求2所述的三相三电平PFC电路的数字控制方法,其特征在于:当开关周期Ts小于10us时,Tk取5倍开关周期Ts;当开关周期Ts大于等于10us且小于20us时,Tk取3倍开关周期Ts;当Ts大于等于20us时,Tk取2倍开关周期Ts。
4.根据权利要求2所述的三相三电平PFC电路的数字控制方法,其特征在于:所述开通时间变化限制值Tstepmax的取值为:
Tstepmax=N*2*Uim*Ts/Uo;
其中,Uim为最低输入电压峰值,N为Tk与开关周期Ts的比值。
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