CN104300816A - 一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大功率工业电气传动、轨道交通以及船舶电力推进的领域，尤其是涉及一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法。本发明采取合理增加变频器上管、下管导通时间，使得器件最小导通时间大于最小脉宽限制时间；同时保证变频器输出相电压不变和不影响变频器中点电位平衡。达到低调制比下、变频器正常输出相电压的目的。本发明提出的三电平变频器低调制比脉冲输出方法可解决该型变频器低调制比下输出相电压失真问题，适用于大功率工业电气传动、轨道交通以及船舶电力推进等领域。

Description

一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法

技术领域

本发明属于大功率工业电气传动、轨道交通以及船舶电力推进的领域，尤其是涉及一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法。

背景技术

随着舰船电力推进技术的快速发展，舰船电力推进装置的功率等级要求越来越高，三电平变频器以其EMI小、功率大等优点使得其更适合在舰船电力推进系统中应用。

三电平变频器低调制比工作时，由于功率器件最小脉宽要求，导致变频器低调制比下输出相电压严重失真，制约了该变频器应用于有低速要求的舰船电力推进系统，为此，急需分析、探讨有效的窄脉冲输出方法，解决其在舰船、民船电力推进装置的广泛应用的技术问题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可解决该型变频器低调制比下输出相电压失真问题，适用于大功率工业电气传动、轨道交通以及船舶电力推进的一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法，其特征在于，基于定义：五相三电平全桥逆变器各相输出电压有三个开关状态（1、0、-1），用开关函数S_j (j=A、B、C、D、E)表示，五相合成电压矢量表示为：

                    （1）

其中：   (j=A、B、C、D、E)；

  根据公式（1）计算得：合成电压矢量共有243个，这些矢量按照幅值不同分成14组，分别为0.6472、0.6156、0.5236、0.4472、0.4、0.3804、0.3236、0.2472、0.2352、0.2、0.1454、0.1236、0.0764、0，为了简化矢量合成过程和提高电压利用率，选取幅值0.6472、0.6156、0.3236 、0共43个有效矢量；

具体方法是：采取增加变频器上管、下管导通时间，使得器件最小导通时间大于最小脉宽限制时间；同时保证变频器输出相电压不变和不影响变频器中点电位平衡，使变频器在低调制比下正常输出相电压；

即：在五相三电平逆变器低调制比工作时，其小矢量 的作用时间很短，在零矢量的选择中加入、两种零矢量，选择矢量作用顺序，并分别计算各开关管导通时间；在保证零矢量和零矢量作用时间一致的前提下，调整零矢量和零矢量、作用时间避免最小脉宽的限制，使五相三电平逆变器在低调制比下正常输出相电压。

在上述的一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法，在确定矢量的作用顺序时，基于以下约束条件:

条件一、为了防止输出电压产生大的dv/dt，每次输出状态切换时，每

相的开关状态应该只切换一个电平。

条件二、为了减少开关损耗，每个控制周期中每相改变状态次数不超

过2次。

条件三、考虑各矢量对直流中点电位影响，参考矢量的选区要使中点

电压趋向平衡。

遵循上述原则, 若矢量落在区间A时, 矢量选择顺序为: 

在上述的一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法，各开关管导通时间，即矢量作用时间计算的具体方法是：

步骤1，为了获得任意角度和幅值可控的电压矢量，采取相邻两个特定矢量及零矢量合成电压矢量，计算合成电压矢量的各特定矢量作用时间，我们将360度的区间等分成10个扇区，并根据静止两相坐标系下的电压矢量大小和相互关系来判断合成电压矢量落在那个扇区，判断条件：

      若，则判断矢量落在扇区1；若，则判断矢量落在扇区2；若，则判断矢量落在扇区3；若，则判断矢量落在扇区4；若，则判断矢量落在扇区5；若，则判断矢量落在扇区6；若，则判断矢量落在扇区7；若，则判断矢量落在扇区8；若，则判断矢量落在扇区9；若，则判断矢量落在扇区10。其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量。

步骤2，当判断电压矢量落在扇区1时，其电压矢量可由不同开关电压矢量合成，将扇区1分为4个区间，判断条件如下：

若，则判断矢量落在区间A；若，则判断矢量落在区间C；若，则判断矢量落在区间D；其它，则判断矢量落在区间B；其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量。

步骤3，当判断电压矢量落在扇区2~9时，将电压矢量在轴、轴分量通过坐标旋转变换,投影到扇区1，再采用步骤2方法判断电压矢量落在区间。计算公式如下：

                                                                               (2)

其中为、轴与、轴夹角，其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量， 、为电压矢量投影在轴、轴分量。

步骤4，当确定电压矢量落在对应区间时，计该区间特定矢量为，对应作用时间为，载波周期时间为，电压矢量为。计算公式如下：

                                  (3)  。

因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单，噪声较小且完全实用；2. 整个测试装置的输出零点不会随温度的变化而变化，由此很大程度上降低了测试误差；3. 不会使整个装置的输出信号产生非线性。

附图说明

图1是本发明所涉及的五相三电平全桥逆变器拓扑结构图。

图2 是本发明所涉及的五相三电平全桥逆变器电压开关矢量分布图。

图3 是本发明所涉及的五相三电平全桥扇区1空间电压开关矢量分布图。

图4 是本发明所涉及的区间A电压开关矢量选择顺序图。

图5 是本发明所涉及的区间B电压开关矢量选择顺序图。

图6是本发明所涉及的 区间C电压开关矢量选择顺序图。

图7 是本发明所涉及的区间D电压开关矢量选择顺序图。

图8 是本发明所涉及的五相三电平全桥逆变器仿真波形（调制比0.1、Q14格式）。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。本发明是以五相三电平全桥逆变器为例研究三电平变频器低调制比脉冲输出方法。

1、五相三电平逆变器SVPWM调制矢量分配及特定矢量选取。

  五相三电平全桥逆变器拓扑结构如图1所示，各相输出电压有三个开关状态（1、0、-1），用开关函数S_j (j=A、B、C、D、E)表示，五相合成电压矢量可表示为：

（1）

其中：   (j=A、B、C、D、E)

  根据公式（1）计算可得：合成电压矢量共有243个，这些矢量按照幅值不同分成14组，分别为0.6472、0.6156、0.5236、0.4472、0.4、0.3804、0.3236、0.2472、0.2352、0.2、0.1454、0.1236、0.0764、0，为了简化矢量合成过程和提高电压利用率，选取幅值0.6472、0.6156、0.3236 、0共43个有效矢量，矢量分布如图2所示：

  为了获得任意角度和幅值可控的电压矢量，采取相邻两个特定矢量及零矢量合成电压矢量，计算合成电压矢量的各特定矢量作用时间，我们将360度的区间等分成10个扇区，并根据静止两相坐标系下的电压矢量大小和相互关系来判断合成电压矢量落在那个扇区。

     若，则判断矢量落在扇区1；若，则判断矢量落在扇区2；若，则判断矢量落在扇区3；若，则判断矢量落在扇区4；若，则判断矢量落在扇区5；若，则判断矢量落在扇区6；若，则判断矢量落在扇区7；若，则判断矢量落在扇区8；若，则判断矢量落在扇区9；若，则判断矢量落在扇区10。其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量。

2、零矢量及矢量作用顺序选择。

    当调制比很低时，电压矢量分布在区间A，电压矢量幅值很低，小矢量作用时间很短，开关管导通时间小于最小脉宽限制值，输出相电压严重失真；为解决此问题，可在零矢量选择中   矢量，增加开关管导通时间，从而避免最小脉宽的限制，其矢量选择及作用顺序如图4所示；其它区间矢量作用顺序如图5～图7所示；由图4~图7可知,各开关管导通时间为特定矢量作用时间线性叠加。通过计算各特定矢量作用时间可计算出各开关管导通时间。

3、矢量作用时间计算。

 五相三电平电压开关矢量分布如图2，扇区1电压开关矢量分布如图3所示，当电压矢量落在扇区1时，其电压矢量可由不同开关电压矢量合成，

若，则判断矢量落在区间A；若，则判断矢量落在区间C；若，则判断矢量落在区间D；其它，则判断矢量落在区间B；其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量。

图4中，为了三电平全桥逆变器上、下开关管驱动时间对称，零矢量和零矢量作用时间一致；零矢量和零矢量、作用时间分配考虑最小脉宽限制时间，保证各开关管驱动脉冲导通时间和关断时间均大于最小脉宽限制时间。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法，其特征在于，基于定义：五相三电平全桥逆变器各相输出电压有三个开关状态（1、0、-1），用开关函数S_j (j=A、B、C、D、E)表示，五相合成电压矢量表示为：

                         （1）

其中：   (j=A、B、C、D、E)；

  根据公式（1）计算得：合成电压矢量共有243个，这些矢量按照幅值不同分成14组，分别为0.6472、0.6156、0.5236、0.4472、0.4、0.3804、0.3236、0.2472、0.2352、0.2、0.1454、0.1236、0.0764、0，为了简化矢量合成过程和提高电压利用率，选取幅值0.6472、0.6156、0.3236 、0共43个有效矢量；

具体方法是：采取增加变频器上管、下管导通时间，使得器件最小导通时间大于最小脉宽限制时间；同时保证变频器输出相电压不变和不影响变频器中点电位平衡，使变频器在低调制比下正常输出相电压；

即：在五相三电平逆变器低调制比工作时，其小矢量 的作用时间很短，在零矢量的选择中加入、两种零矢量，选择矢量作用顺序，并分别计算各开关管导通时间；在保证零矢量和零矢量作用时间一致的前提下，调整零矢量和零矢量、作用时间避免最小脉宽的限制，使五相三电平逆变器在低调制比下正常输出相电压。

2.根据权利要求1所述的一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法，其特征在于，在确定矢量的作用顺序时，约束条件如下:

条件一：每次输出状态切换时，每相的开关状态应该只切换一个电平；

条件二：每个控制周期中每相改变状态次数不超过2次；

条件三：参考矢量的选区要使中点电压趋向平衡。

3.根据权利要求1所述的一种针对五相三电平变频器的低调制比脉冲输出方法，其特征在于，各开关管导通时间，即矢量作用时间计算的具体方法是：

步骤1，为了获得任意角度和幅值可控的电压矢量，采取相邻两个特定矢量及零矢量合成电压矢量，计算合成电压矢量的各特定矢量作用时间，我们将360度的区间等分成10个扇区，并根据静止两相坐标系下的电压矢量大小和相互关系来判断合成电压矢量落在那个扇区，判断条件：

    若，则判断矢量落在扇区1；若,则判断矢量落在扇区2；若，则判断矢量落在扇区3；若

，则判断矢量落在扇区4；若，则判断矢量落在扇区5；若，则判断矢量落在扇区6；若，则判断矢量落在扇区7；若，则判断矢量落在扇区8；若，则判断矢量落在扇区9；若，则判断矢量落在扇区10；其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量；

步骤2，当判断电压矢量落在扇区1时，其电压矢量可由不同开关电压矢量合成，将扇区1分为4个区间，判断条件如下：

若，则判断矢量落在区间A；若，则判断矢量落在区间C；若，则判断矢量落在区间D；其它，则判断矢量落在区间B；其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量；

步骤3，当判断电压矢量落在扇区2~9时，将电压矢量在轴、轴分量通过坐标旋转变换,投影到扇区1，再采用步骤2方法判断电压矢量落在区间；计算公式如下：

                                         （2）

其中为、轴与、轴夹角，其中 、为电压矢量投影在轴、轴分量， 、为电压矢量投影在轴、轴分量；

步骤4，当确定电压矢量落在对应区间时，计该区间特定矢量为，对应作用时间为，载波周期时间为，电压矢量为；计算公式如下：

                                    （3）。