CN1045494A - 桥路控制过程及其实现装置 - Google Patents

Abstract

使用脉冲宽度调制对三相变频器和整流器/反相器桥路中固态开关控制的过程及实现该过程的调制装置。在该过程中，通过将正弦调制基准逐个区间地和至少两个其间具有相位移的三角形波进行比较产生每个相的调制脉冲。该调制装置中装有一个或多个存贮调制基准曲线的存储器电路(1a，1b)，一个或多个将存储器输出变换为模拟形式的D/A变换器(2a，2b)，以上述方式比较产生前发调制脉冲的比较器(3a，3b)。实际调制脉冲根据初始60°脉冲序列由译码器(ROM或MUX)产生。

Description

本发明涉及三相变频器和整流器/反相器桥路中固态开关的控制过程，以及为实现该过程所设计的调制器装置，所述控制使用脉冲宽度调制。

Phoivas    D.Ziogas、Young-Goo    Kang和Victor    R.Stefanovic所写的题为“整流器滤波器最小化的脉冲宽度调制（PWN）控制技术”的文章发表在1985年9月/10月号的IEEE工业应用汇刊（Transactions    on    Industry    Applications）卷号1A-21，期号5，页次1206-1214，文中提出了一种控制变频器和整流器桥路的对称调制过程。所述调制过程的原理呈现在本文图2中。它基于已知频率的不连续载波与正弦调制基准信号的比较。在正弦波每半个周期的中间的60°区间期间，通过施加由另两个对称相的调制基准之和组成的基准产生调制脉冲。这种原理只允许载波频率与基本波频率之间的某些关系，（n＝6·K+3，K＝1，2，3…），并且调制载波需与调制基准同步。由于这些原因，它不作修改就难以实现，尤其在零频率附近区间，特别是如果载波频率保持不变或在确定极限之内。

本发明的目的是克服上述缺点、修改上述的原理以使之适用于实际应用的要求。本发明的变频器和整流器/反相器桥路控制过程，其特征在于：通过用正弦调制基准或由它们产生的简化基准，以逐个区间方式用至少比较两个其间具有相位移的三角形波，来产生每个相的调制脉冲。

实现本发明的过程的调制器装置，预定用于三相变频器和整流器/反相器桥路中固态开关的控制，所述控制使用脉冲宽度调制，其特征在于：该装置装有一个或多个存贮调制基准曲线的存储器电路，一个或多个将存储器电路输出变换为模拟量形式的D/A转换器，通过比较正弦调制基准信号和至少两个三角形波的相互间的相位移产生调制脉冲的比较器，以及根据调制脉冲的样式产生不同相的实际调制脉冲的译码器电路。

本发明的过程和实现该过程的调制器装置特别适用于预定用于升降机控制装置的PWM整流器桥路。该过程和调制器装置也可不加修改地应用于其它类型的变换器桥路中。

下面参考附图，借助一个实例更详细地描述本发明，附图中：

图1表示一个整流器桥路。

图2a和2b说明本发明调制过程的原理。

图3a和3b表示简化的载波调制基准信号。

图4a和4b表示控制一个相位的开关元件的信号。

图5表示调制器电路。

图6说明多路转换器译码原理。

本发明涉及用于图1所示结构的三相变频器和整流器桥路中开关元件的控制，桥路连接到其相电压为U_R、U_S和U_T的三相馈电电源上。该桥路由全门控的开关T1-T6，装在受控开关并与之反相并联连接的二极管D1-D6，以及另外与所述的反向并联的开关-二极管电路串联连接的二极管D1′-D6′组成。此外，电压为+V_DC和-V_DC的直流电路装有一个平滑扼流圈L。

本发明的过程的调制脉冲的产生可借助图2a和图2b来进行描述。相R的调制脉冲P_R（图2b）可用其间有180°相位移的两个连续三角形波C_A和C_B产生，正弦波的上升和下降的60°边（负半周期间取绝对值）如下述：（图2a）

0°-60° 载波C_A和正弦波M_R+的上升边

60°-120° 载波C_A和正弦波｜M_S-｜的下降边，

与载波C_B和正弦波｜M_T-｜的上升边

120°-180°载波C_B和正弦波M_R+的下降边

180°-240°载波C_B和正弦波｜M_R-｜的上升边

240°-300°载波C_A和正弦波M_T+的上升边与与载波C_B和正弦波

M_S+的下降边

300°-360°载波C_A和正弦波｜M_R-｜的下降边

在另两个相，除了考虑相位间相位角之外，用同样方法进行调制。用本过程得到的调制脉冲样式和图2b所示的形式一样。

从图2a和2b所示的调制原理可以看出：对每个60°区间，两个三角形波和正弦波的上升边和下降边都被用来产生调制脉冲。同样，相同载波所用正弦波基准的上升和下降边也在同一区间内变化。为此，每个相所需的所有调制脉冲可用如图3a和3b所示的载波和调制基准对C_A&M_A及C_B&M_B获得。这样，调制基准信号M_A和M_B，由同一正弦波的两部分组成，第一部分由0-60°区间构成，第二部分由120°-180°区间组成，它们有一个120°的周长和与基本波（图2a）相比有60°共同的相位移。

由于使用如上说明的载波/调制基准对来产生所有三相调制所需的脉冲样式，所以只需要在每个60°区间内将脉冲指向正确的相和开关。

在电流控制的变频器和整流器情形下，始终必须提供一条通过桥路的电流路径。为此，当没有正常调制基准时，有一个相中的开关元件必须接通。如果零二极管功能在三相中以旋转方式变化的话，桥路的这个零二极管作用引起的额外的工作负载，就会在所有开关元件中均匀分配。这可以通过对那些处于正弦波半周的中间60°区间的开关元件施加一连续控制信号并在没有调制基准时让相的反向元件接通来实现。为达到这一点，加到每个相开关元件上的控制信号P1和P2必须是图4a和4b示出的形式。

调制器电路的结构如图5所示。它使用两个ROM电路1a和1b存贮图3a和3b所示的重复120°区间的调制基准信号。另一方面，相同的基准曲线可存放在两个ROM电路中，这时其中一个地址线的最高位被反相。用两个乘法D/A变换器2a和2b将ROM电路的输出变换为模拟量形式，并使调制基准（输入A）具有幅度调整。还有一种可能的选择是，使用一个与双信道多路变换电路结合在一起的ROM电路，这时，调制基准曲线存贮在相同存储器电路中，将数据顺序读入变换器信道。

用比较器（C）3a和3b，将从D/A变换器得到的调制基准和对应的载波进行比较，由此产生调制所需要的循环脉冲样式Pa和Pb。

存储器电路读出地址的最高位（MSB）由6除法器4的输出的最低位（LSB）确定，地址的其余部分由N除法器5确定，其除率由调制基准曲线中所需点数确定。调制基准曲线读出速率由电压控制振荡器（VCO）电路6确定，该电路的输出频率取决于控制电压U。如要求以所选方向读出控制基准曲线，例如改变桥路馈电的电机旋转方向时，那么就必需使用其运算方向可选择的可逆计数除法器（U/D）。

调制电路的6除法器4确定电路工作的基本波形的60°区间，借此也用之确定开关元件控制的调制脉冲P_A和P_B。

必要时，调制基准曲线可与，例如，干线相电压同步，这时桥路有一个统一的功率因数。这可以通过将相电压信号Uv和6除法器的最高位（MSB）加到锁相环路（PLL）7的输入端来实现。锁相环路的输出以使比较信号进入同步的方式来确定振荡器频率。在这种情形下，如果要求桥路仍能执行整流和反相功能，则开关元件的操作次序在反转时必须改变180°。这可用整流/反相控制信号R/I予以实现。而且，可在用载波发生电路（CARR）8产生载波时，利用振荡器6的输出，在这种情况下，它们也将与基本波形同步。

调制脉冲样式P_A和P_B，6除法器4的三位输出和R/I信号与其它可能的控制信号一起，提供给产生三个相的实际调制基准R+，R-，S+，S-，T+和T-的输出译码器。控制桥路开关元件的信号译码用ROM电路或四个多路转换电路来完成。

在基于ROM译码情形下，直接使用控制和调制信号作为存储器寻址。每个信号表示地址总线的一位。对应每个状态组合的开关元件控制数据存贮在ROM中，使得可从地址总线以开/关形式直接得到元件的控制信号。

图6表示基于多路转换器的译码原理。译码电路对控制脉冲每种形式，即，调制脉冲序列P_A和P_B，零二极管功能所需区间，没有实际调制脉冲和连续脉冲等形式，有一独立的多路转换器（MUX）10-13。多路转换器选择在每一瞬间控制各种控制脉冲的开关元件。

6除法器4的输出，确定多路转换器输出信道。（每个开关元件有其自己的信道），以这种方式，加在元件上的控制信号的形式，根据调制原理在60°区间改变。维持零二极管功能的MUX电路13由“或非”门15馈给信号，即依次由调制脉冲系列P_A和P_B馈给信号。用双路开关VK1和VK2选择整流器/反相器作用。当R/I信号为高电平状态，MUX电路10-13的地址线的最高位（MSB）直接通过反相“异或”门14，脉冲序列P_A和P_B直接通过两路开关VK1和VK2到MUX电路11和12。从“或”门16a-16f得到调制脉冲R+，R-，S+，S-，T+和T-，其中将不同MUX电路10-13导向同一元件的控制信号相加，与对应相电压同步，于是桥路便起整流器作用。当R/I信号为低，最高位被“异或”门14置反，结果是控制地址移位180°，脉冲序列P_A和P_B交叉通过到达MUX电路12和11。这时相位脉冲R+，R-，S+，S-，T+和T-对于相应相电压相位移180°，于是桥路便起反相器作用。在这种情形下，6除法器由3除法器和2除法器级联组成。

对熟知本专业的人显而易见的是，本发明的不同实施方案并不局限于上述实例，而是可在以下权利要求范围内加以取代改变的。

Claims (13)

1、三相变频器和整流器/反相器桥路中用于控制固态开关(T1-T6)的过程，所述控制使用脉冲宽度调制，其特征在于：每个相的调制脉冲，是通过将正弦调制基准(M_R，M_S，M_T)或由它们产生的简化基准(M_A，M_B)，以逐个区间方式对至少两个其间具有相位移的三角形波(C_A，C_B)进行比较而产生的。

2、根据权利要求1的过程，其特征在于：三角形波之间的相位移为180°。

3、根据权利要求1或2的过程，其特征在于：通过比较正弦调制基准的上升和下降的60°边缘（M_R+，M_R-，M_S+，M_S-，M_T，M_T-）产生调制脉冲。

4、根据权利要求1或2的过程，其特征在于：用两个载波/调制基准对（C_A，M_A，C_B，M_B）产生调制脉冲，其中调制基准（M_A，M_B）由正弦波的两个部分组成，第一部分由正弦波的0-60°区间构成，第二部分由正弦波120°-180°区间构成，所述调制基准周长120°，相对于基本波有60°共同的相位移，而受控开关在60°区间内变化。

5、根据前面权利要求中任一项的电流控制的三相变频器和整流器/反相器桥路中固态开关（T1-T6）的控制过程，其特征在于：零二极管功能是通过将连结控制信号加到处于正弦波每半周的中间60°区间的开关元件上，并在正常调制脉冲没有时接通相的反向元件加以来实现的。

6、根据权利要求5的过程，其特征在于：零二极管功能以旋转方式在三相中轮回。

7、实现权利要求1所述过程的调制装置，设计采用脉冲宽度调制来控制三相变频器和整流器/反相器桥路中的固态开关（T1-T6），其特征在于该装置装有：

一个或多个存贮调制基准曲线（M_A，M_B）的存储器电路（1a，1b），

一个或多个将存储器电路输出变换为模拟形式的D/A变换器（2a，2b），

通过将正弦基准信号（M_A，M_B）和至少两个相互间相位移的三角形波（C_A，C_B）进行比较来产生调制脉冲的比较器（3a，3b），以及

根据调制脉冲样式（P_A，P_B）产生不同相的实际调整脉冲的译码器电路（9）。

8、根据权利要求8的调制装置，其特征在于：它使用乘法变换器，允许调整调制基准的幅度。

9、根据权利要求7或8的调制装置，其特征在于该装置具有：

一个6除法器4，其输出的最低位（LSB）确定存储器电路读出地址的最高位（MSB），

一个N除法器5，用以确定地址的剩余部分，其中除率由调制基准曲线所需点数确定，

以及一个电压控制振荡器（VCO）6用于确定调制基准曲线读出速率。

10、根据权利要求7-9中任一项的调制装置，其特征在于：允许选择控制基准曲线的读出方向，例如，升降机中使用的桥路馈电的电机旋转方向改变时，本装置装备有其操作方向可选择的可逆计数除法器。

11、根据权利要求7-10中任一项的调制装置，其特征在于：该装置有一锁相环路（7）可同步调制基准曲线，例如，通过将相电压信号（Uv）和6除法器最高位（MSB）馈给锁相环路（PLL）7的输入，而使调制基准曲线能与干线相电压同步，以便锁相环路的输出以使比较信号进入同步的方式来确定振荡器频率。

12、根据权利要求7-11中任一项的调制装置，其特征在于该装置装有：一个输出译码器，它备有存储器，用以产生各相的实际调制基准（P_R，P_A，P_B）和开关器件（T1-T6）的控制信号（R+，R-，S+，S-，T+，T-），该控制和调制信号直接用于存储器寻址，每个信号表示地址总线的一位，所述存储器装有和每个状态组合对应的开关元件控制数据。

13、根据权利要求7-11中任一项的调制装置，其特征在于该装置装有：用以产生相位的调制基准（P_R，P_A，P_B）和开关元件（T1-T6）的控制信号（R+，R-，S+，S-，T+，T-）的输出译码器（9），所述译码器装有供控制脉冲每种个别形式，即，调制脉冲序列（P_A，P_B），零二极管功能所需的区间，没有实际调制脉冲时和连结控制等形式用的独立的多路转换器（10-13），所述脉冲序列（P_A，P_B），通过选择整流或反相功能的双相开关（VK1，VK2）被引导到多路转换器，在该装置中，不同多路转换器对同一固态开关提供的控制信号用“或”门（16a-16f）进行相加。

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