CN104639009B - 一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型变频器 - Google Patents

一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型变频器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型变频器，所述矢量控制型变频器的控制方法包括：采样电动机的三相电流ia、ib、ic；根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；获取零序变量u0；根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。采用本发明不但可以较好的提高变频器的直流电压利用率，还可以大大降低工程师的工作量。

Description

一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型 变频器
技术领域
本发明涉及变频调速控制技术领域，尤其涉及一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型变频器。
背景技术
目前，脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）技术已经广泛应用到变频调速领域中，为了实现变频器输出的电压或电流更加接近正弦波，实际工程中常用的正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称SPWM）技术。然而，单纯采用SPWM技术，变频器输出电压的直流电压利用率只有0.866，不能充分利用变频器的电压容量，造成不必要的能源浪费。
然而，现有技术中为解决矢量控制的异步电机调速系统的SPWM固有的直流电压利用率低的问题，通常采用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,简称SVPWM)技术。所述SVPWM是利用逆变器6个开关器件的8种开关状态的作用次序和作用时间去表示空间电压矢量，从而得到可以使电机产生圆形磁链或者逼近圆形磁链的输出电压。该方法具有直流电压利用率高，便于计算机实现的优点。
在实现所述矢量控制的异步电机调速系统的控制过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：采用SVPWM技术实现系统控制的过程较为繁杂，并且SVPWM技术的实现方法与SPWM的实现方法大相径庭，因此，在基于SPWM技术的成熟软硬件环境下，仅仅为了提高直流电压利用率就用SVPWM来替换SPWM，不仅要重新规划软件架构，硬件结构也有可能需要重新规划，需要耗费较大工作量。
发明内容
本发明的实施例提供一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量 控制型变频器。为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明提供的一种矢量控制型变频器的控制方法，包括：
采样电动机的三相电流ia、ib、ic；
根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；
获取零序变量u0；
根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。
一种矢量控制型变频器的控制装置，包括：
采样单元，用于采样电动机的三相电流ia、ib、ic；
信息获取单元，用于根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；以及用于获取零序变量u0；
电压获取单元，用于根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。
一种矢量控制型变频器，包括：如上所述的矢量控制型变频器的控制装置。
本发明采用的一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型变频器，通过采样电动机的三相电流ia、ib、ic；根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；获取零序变量u0；根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。采用本发明不但可以较好的提高变频器的直流电压利用率，还可以大大降低工程师的工作量。
附图说明
图1为本发明提供的一种矢量控制型变频器的控制方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种单元串联型高压变频器的主拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种单元串联型高压变频器的控制原理框图；
图4为本发明实施例提供的一种矢量控制型变频器的控制装置的结构示意图；
图5本发明实施例提供的一种矢量控制型变频器的结构示意图；
图6本发明实施例提供的一种矢量控制型变频器的马鞍波形图.
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例提供的一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型变频器进行详细描述。
如图1所示，为本发明提供的一种矢量控制型变频器的控制方法；该方法包括：
S101,采样电动机的三相电流ia、ib、ic；
S102,根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；
S103,获取零序变量u0；
S104,根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。该步骤具体包括：
判断所述矢量控制型变频器的输入调制波是否为三相对称正弦波；
当所述矢量控制型变频器的调制波是三相对称正弦波，所述零序变量u0为零；
当所述矢量控制型变频器的调制波不是三相对称正弦波，所述零序变量u0为：
将所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0经过坐标逆变换，获取所述三相注入三次谐波的正弦调制波的三相输出电压Ua、Ub、Uc。
需要说明的是，所述矢量控制型变频器为高、中、低压变频器中的一种。
还需要说明的是，所述三相注入三次谐波的正弦调制波简称为马鞍波。
下面以单元串联型高压变频器结构为例，对以上本发明进行详细说明。如图2所示为主拓扑结构。具体的讲,本发明所述的矢量控制型变频器是基于转子磁链定向的单元串联电压源型高压变频器。
所述单元串联多电平电压源型高压变频器采用若干个低压变频功率单元串联的方式实现直接的高压输出。其主要由移相变压器、功率单元和主控箱构成。移相变压器采用延边三角形接法，对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用专门的输入滤波器和功率因数补偿装置；每个功率单元分别由移相变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次侧绕组之间是相互绝缘的，各相的多个功率单元输出侧直接串联起来，最终形成Y接结构，实现多电平高电压的直接输出，这样的输出波形不需要输出滤波器，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动等问题；主控箱是该高压变频器的控制中心，主要负责控制算法的实现、PWM波形产生、相关信号的采样、故障检测与处理等工作。所述相关信号的采样包括电机转速、系统输出电流等。
本发明所述的矢量控制原理是基于转子磁链定向的矢量控制，其控制原理框图如图3所示。它是基于坐标变换的速度环和电流环的双闭环解耦系统。外环是速度环，速度误差经过调节器PI运算输出转矩电流的给定值；内环是电流环，电流环又分为励磁电流环和转矩电流环，传感器采样的电机三相电流ia、ib、ic，经过克拉克（Clarke）变换，得到两相静止坐标系下的电流isα、isβ，isα、isβ经帕克（Park）变换得到励磁电流id和转矩电流iq，这两个电流分别与其给定值求误差，经过调节器PI运算得到两相旋转坐标系下的直流电压分量usd和usq。由usd、usq和θ计算得到零序分量u0。最后，电压分量usα，usβ和零序变量u0经过克拉克逆变换，获取所述三相马鞍调制波Ua、Ub、Uc，即SPWM的调制波，其与三角载波比较产生PWM波，驱动功率单元内的功率开关管，得到三相输出电压，驱动电机工作。
本发明所公开的一种矢量控制型变频器的控制方法是通过提供给PWM逆变器的调制波为马鞍波，来实现提高直流电压利用率的目的。所述马鞍波注入的具体实现过程陈述如下：
三相对称系统的电压Ua、Ub、Uc表达式为：
其中，θ=wt，θ0是初始相位角。
假设注入三次谐波后的电压为Ua1、Ub1、Uc1，其表达式为
由图3可以看出，变频器输出电压Ua、Ub、Uc是由usd、usq经过坐标反变换得到的，因此，要想在矢量控制算法里注入三次谐波，三次谐波UX的确定也需要从坐标变换和已知变量usd、usq入手。
Clarke逆变换和Park逆变换的变换矩阵分别如式(4)和式(5)。
其中,u0是一个为了矩阵求逆的需要而定义的零序变量。当三相系统为对称系统时，该变量为零，当三相系统为不对称系统时，该变量不为零，联合式子(3)和(4)得，因此，求三次谐波的问题就转化成了求解该零序变量u0的问题。
由上文可知，我们选择三次谐波的幅值为基波幅值的1/6，即
初始相位角其中
因此，
为便于在控制器上实现该计算步骤，需要将式(7)经过正余弦公式变换，得到最终u0的表达式：
在已知u0的前提下，由式(4)得到的三相电压Ua、Ub、Uc为马鞍波形，本发明所提出的新型矢量控制变频调速系统的相电压，如图6所示。
如图4所示，为本发明实施例提供的一种矢量控制型变频器的控制装置，
该装置具体包括：
采样单元401，用于采样电动机的三相电流ia、ib、ic；
信息获取单元402，用于根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；以及用于获取零序变量u0；
电压获取单元403，用于根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。
需要说明的是，所述电压获取单元403，具体可以包括：
判断子单元，用于判断所述矢量控制型变频器的输入调制波是否为三相对称正弦波；
信息处理子单元，用于当所述矢量控制型变频器的调制波是三相对称正弦波，所述零序变量u0为零；或者，当所述矢量控制型变频器的调制波不是三相对称正弦波，所述零序变量u0为：
信息输出子单元，用于将所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0经过坐标逆变换，获取所述三相注入三次谐波的正弦调制波的三相输出电压Ua、Ub、Uc。
还需要说明的是，所述矢量控制型变频器为高压变频器，中低压变频器中的一种。尤其可以单元串联型高压变频器为例。
如图5所示，为本发明实施例提供的一种矢量控制型变频器，该变频器包括如上所述的矢量控制型变频器的控制装置。
本发明采用的一种矢量控制型变频器的控制方法、装置和一种矢量控制型变频器，通过采样电动机的三相电流ia、ib、ic；根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；获取零序变量u0；根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。采用本发明不但可以较好的提高变频器的直流电压利用率，还可以大大降低工程师的工作量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种矢量控制型变频器的控制方法，其特征在于，包括：
采样电动机的三相电流ia、ib、ic；
根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；
获取零序变量u0；
根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc；
其中，所述根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc步骤，包括：
判断所述矢量控制型变频器的输入调制波是否为三相对称正弦波；
当所述矢量控制型变频器的调制波是三相对称正弦波，所述零序变量u0为零；
当所述矢量控制型变频器的调制波不是三相对称正弦波，所述零序变量u0为：
其中，θ＝ωt，其中θ为相位角，ω为转速，t为时间，θ0是初始相位角；
将所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0经过坐标逆变换，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc。
2.根据权利要求1所述的矢量控制型变频器的控制方法，其特征在于，所述矢量控制型变频器为高压变频器、中压变频器、低压变频器中的一种。
3.根据权利要求2所述的矢量控制型变频器的控制方法，其特征在于，所述高压变频器为单元串联型高压变频器。
4.一种矢量控制型变频器的控制装置，其特征在于，包括：
采样单元，用于采样电动机的三相电流ia、ib、ic；
信息获取单元，用于根据所述三相电流ia、ib、ic，获取直流电压分量usd和usq；以及用于获取零序变量u0；
电压获取单元，用于根据所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0，获取三相注入三次谐波的正弦调制波Ua、Ub、Uc；
其中，所述电压获取单元，包括：
判断子单元，用于判断所述矢量控制型变频器的输入调制波是否为三相对称正弦波；
信息处理子单元，用于当所述矢量控制型变频器的调制波是三相对称正弦波，所述零序变量u0为零；或者，当所述矢量控制型变频器的调制波不是三相对称正弦波，所述零序变量u0为：
其中，θ＝ωt，其中θ为相位角，ω为转速，t为时间，θ0是初始相位角；
信息输出子单元，用于将所述直流电压分量usd，usq和零序变量u0经过坐标逆变换，获取所述三相注入三次谐波的正弦调制波的三相输出电压Ua、Ub、Uc。
5.根据权利要求4所述的矢量控制型变频器的控制装置，其特征在于，所述矢量控制型变频器为高压变频器、中压变频器、低压变频器中的一种。
6.根据权利要求5所述的矢量控制型变频器的控制装置，其特征在于，所述高压变频器为单元串联型高压变频器。
7.一种矢量控制型变频器，其特征在于，该变频器包括如权利要求4至6中任意一项所述的矢量控制型变频器的控制装置。
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