CN104993712B - 一种三相‑单相交流变换器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及交流变换器技术领域，具体为一种三相‑单相交流变换器控制方法，其将三相变压器副边的三相绕组两端分别连接逆变器INV1和逆变器INV2，在逆变器INV1的直流侧连接电容C1，在逆变器INV2的直流侧连接电容C2，在三相变压器副边的三相绕组处设置电流传感器，在电容C1、电容C2处分别设置电压传感器，将电流传感器采集到的三相变压器副边的三相绕组的三相电流i a、i b、i c和电容C1、电容C2上的电压u 1d和u 2d输入到控制器进行计算得到驱动信号用以分别驱动逆变器INV1和逆变器INV2，能够在单相侧获得高品质的单相交流电压输出。
Description
技术领域
本发明涉及交流变换器技术领域，具体为一种三相-单相交流变换器控制方法。
背景技术
三相-单相变换器可为单相用电设备提供单相交流电，也可将其应用在开关电源中，将三相工频交流电变换为单相高频交流电，用于高频感应加热等领域。三相-单相变换器可分为交-直-交变换器和交-交变换器两种形式。交-直-交变换器根据储能元件的不同可以分为电压型和电流型两种。电流型交-直-交变换器拓扑中滤波电感值比较大，影响变换器的体积和重量。电压型变换器的电解电容存在使用可靠性的问题，影响了变换器的使用寿命和稳定性。
传统的交-交变换器（周波变换器）与交-直-交变换器相比，没有中间直流储能环节、具有可以实现四象限运行的优点，但是其存在的缺点是：输出电压的频率必须比输入交流电源频率低很多，一般要求输出电源的频率至少低于输入电源频率的1/3，否则输出电压波形很差。
矩阵变换器是上个世纪70年代末提出的一种变换器，可以实现m-n相的交-交变换(m、n可以为任意值)，并且可以得到很好的输入输出特性，目前研究较多的有三相-三相、单相-三相、三相-单相等拓扑结构。其中三相-单相矩阵变换器主要适用于独立发电系统、感应加热以及其它需要单相供电的场合，如清华大学提出的将三相-单相矩阵变换器用于电气轨道辅机系统，将三相交流电变换为高品质的单相交流电，为乘客的一些单相用电设备提供高品质的单相交流电。
然而，三相-单相矩阵变换器通常是由整流级（AC-DC）和逆变级（DC-AC）组成的两级变换结构，整流级和逆变器均由双向开关管构成，拓扑结构比较复杂。同时，为了满足电磁兼容性(EMC)的要求以及滤除电网中高频电压成分，在电源和开关矩阵间通常接有滤波器。滤波器的存在增加了三相-单相变换系统的体积和成本。为了保持系统的稳定性和良好的动态性能，需要对输入滤波器进行严格的设计。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种三相-单相交流变换器控制方法，其能够在单相侧获得高品质的单相交流电压输出。
其技术方案是这样的：一种三相-单相交流变换器控制方法，其特征在于，将三相变压器副边的三相绕组两端分别连接逆变器INV1和逆变器INV2，在逆变器INV1的直流侧连接电容C1，在逆变器INV2的直流侧连接电容C2，在三相变压器副边的三相绕组处设置电流传感器，在电容C1、电容C2处分别设置电压传感器，将电流传感器采集到的三相变压器副边的三相绕组的三相电流i a、i b、i c和电容C1、电容C2上的电压u 1d和u 2d输入到控制器进行计算得到驱动信号用以分别驱动逆变器INV1和逆变器INV2。
其进一步特征在于，控制器的处理计算包括以下步骤：
（1）采集逆变器INV1和逆变器INV2直流侧的电容电压u 1d和u 2d，计算得到直流侧电容电压的直流偏置量u d0和单相负载侧的输出电压u L，采集开绕组三相变压器副边的三相电流i a、i b、i c，利用锁相环计算电流的相位角θ，经过Park变换器和Clark变换器得到副边绕组的d轴和q轴电流实际值i d和i q以及零序电流值i 0；
（2）计算直流侧电容电压直流偏置量u d0与给定值u d0 *的差值，将其输入到PI调节器，得到q轴电流的给定值i q *；计算实际的单相负载侧的输出电压u L与给定输出电压值u L *的差值，将其输入到PR调节器后得到零序电流的给定值i 0 *；
（3）计算d轴电流给定值i d *（为0）和d轴电流实际值i d的差值，经过PI调节器后得到d轴电压的给定值U d *；计算q轴电流给定值i q *和q轴电流实际值i q的差值，经过PI调节器后得到q轴电压的给定值U q *；计算零序电流给定值i 0 *和零序电流实际值i 0的差值，经过PR调节器后得到零序电压的给定值U 0 *；
（4）由步骤（3）中的d轴、q轴和零序电流的给定值U d *、U q *、U 0 *经过Clark逆变换器和PARK逆变换器得到三相电压的给定值；
（5）将三相电压给定值U a *、U b *、U c *经过分配得到开绕组变压器副边绕组两端的三相电压给定值U a1 *、U b1 *、U c1 *和U a2 *、U b2 *、U c2 *，并分别通过SPWM模块得到两组驱动信号用以分别驱动逆变器INV1和INV2。
其更进一步特征在于，三相电压给定值U a *、U b *、U c *分配采用以下公式实现：
，
上述公式中，U C为三相变压器副边的三相绕组两端相对于母线负端的电压偏置值；
其进一步特征在于，所述的三相变压器将普通三相变压器副边的星型连接或三角形连接的绕组解构成三相独立的绕组，而不改变绕组本来的匝数。
采用本发明的结构后，通过在三相变压器副边的三相绕组两端分别配置逆变器，控制两个逆变器直流侧的电容为带有直流偏置的相位互差180°的交流量，从而在单相侧获得高品质的单相交流电压输出，无需传统三相-单相的两级能量变换，且输出单相交流电压的幅值和频率可以灵活调节。
附图说明
图1 本发明电路原理图；
图2 本发明控制器中计算过程框图；
图3 本发明提供的电容电压和单相交流输出电压理论输出示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种三相-单相交流变换器控制方法，其特征在于，将三相变压器副边的三相绕组两端分别连接逆变器INV1和逆变器INV2，在逆变器INV1的直流侧连接电容C1，在逆变器INV2的直流侧连接电容C2，在三相变压器副边的三相绕组处设置电流传感器，在电容C1、电容C2处分别设置电压传感器，将电流传感器采集到的三相变压器副边的三相绕组的三相电流i a、i b、i c和电容C1、电容C2上的电压u 1d和u 2d输入到控制器进行计算得到驱动信号用以分别驱动逆变器INV1和逆变器INV2控制单相侧的输出为正弦交流电压。
下面结合附图2对本发明的技术方案进行详细说明：
（1）采集逆变器INV1和逆变器INV2直流侧的电容电压u 1d和u 2d，计算得到直流侧电容电压的直流偏置量u d0和单相负载侧的输出电压u L，，采集开绕组三相变压器副边的三相电流i a、i b、i c，利用锁相环计算电流的相位角θ，经过Park变换器和Clark变换器得到副边绕组的d轴和q轴电流实际值i d和i q以及零序电流值i 0，
，
；
（2）计算直流侧电容电压直流偏置量u d0与给定值u d0 *的差值，将其输入到PI调节器，得到q轴电流的给定值i q *；计算实际的单相负载侧的输出电压u L与给定输出电压值u L *的差值，将其输入到PR调节器后得到零序电流的给定值i 0 *；
（3）计算d轴电流给定值i d *（为0）和d轴电流实际值i d的差值，经过PI调节器后得到d轴电压的给定值U d *；计算q轴电流给定值i q *和q轴电流实际值i q的差值，经过PI调节器后得到q轴电压的给定值U q *；计算零序电流给定值i 0 *和零序电流实际值i 0的差值，经过PR调节器后得到零序电压的给定值U 0 *；
（4）由步骤（3）中的d轴、q轴和零序电流的给定值U d *、U q *、U 0 *经过Clark逆变换器和PARK逆变换器得到三相电压的给定值，
，
；
（5）将三相电压给定值U a *、U b *、U c *经过分配得到开绕组变压器副边绕组两端的三相电压给定值U a1 *、U b1 *、U c1 *和U a2 *、U b2 *、U c2 *，，（上述公式中，U C为三相变压器副边的三相绕组两端相对于母线负端的电压偏置值），并分别通过SPWM模块得到两组驱动信号用以分别驱动逆变器INV1和INV2。
逆变器INV1和逆变器INV2直流侧电容电压原来应该为直流量，而上述控制方法将逆变器INV1和逆变器INV2直流侧的电容电压控制成带有直流电压偏置的相位互差180°的正弦交流量，从而可以在单相交流侧获得单相交流输出电压。
本发明中三相变压器是将普通三相变压器副边的星型连接或三角形连接的绕组解构成三相独立的绕组，而不改变绕组本来的匝数，从而可以在绕组两端分别配置变换器。
图3是电容电压和单相交流输出电压理论输出示意图。
Claims (2)
1.一种三相-单相交流变换器控制方法，其特征在于，将三相变压器副边的三相绕组两端分别连接逆变器INV1和逆变器INV2的交流侧，在逆变器INV1的直流侧连接电容C1，在逆变器INV2的直流侧连接电容C2，在三相变压器副边的三相绕组处设置电流传感器，在电容C1、电容C2处分别设置电压传感器，将采集到的三相变压器副边的三相绕组的三相电流i a、i b、i c和电容C1、电容C2上的电压u 1d和u 2d输入到控制器进行计算得到两组驱动信号用以分别驱动逆变器INV1和逆变器INV2；控制器的计算包括以下步骤：（1）采集逆变器INV1和逆变器INV2直流侧的电容电压u 1d和u 2d，计算得到直流侧电容电压的直流偏置量u d0和单相负载侧的输出电压u L，采集三相变压器副边的三相绕组的三相电流i a、i b、i c，利用锁相环计算三相电流的相位角θ，经过Park变换器和Clark变换器得到副边绕组的d轴和q轴电流实际值i d和i q以及零序电流值i 0；
（2）计算直流侧电容电压直流偏置量u d0与给定值u d0 *的差值，将其输入到PI调节器，得到q轴电流的给定值i q *；计算单相负载侧的输出电压u L与给定输出电压值u L *的差值，将其输入到PR调节器后得到零序电流的给定值i 0 *；
（3）计算d轴电流给定值i d *和d轴电流实际值i d的差值，所述i d *为0，经过PI调节器后得到d轴电压的给定值U d *；计算q轴电流给定值i q *和q轴电流实际值i q的差值，经过PI调节器后得到q轴电压的给定值U q *；计算零序电流给定值i 0 *和零序电流值i 0的差值，经过PR调节器后得到零序电压的给定值U 0 *；
（4）由步骤（3）中的d轴、q轴和零序电压的给定值U d *、U q *、U 0 *经过Clark逆变换器和PARK逆变换器得到三相电压给定值U a *、U b *、U c *；
（5）将三相电压给定值U a *、U b *、U c *经过分配得到三相变压器副边的三相绕组两端的三相电压给定值U a1 *、U b1 *、U c1 *和U a2 *、U b2 *、U c2 *，并分别通过SPWM模块得到两组驱动信号用以分别驱动逆变器INV1和INV2；
所述的三相变压器将普通三相变压器副边的星型连接或三角形连接的绕组解构成三相独立的绕组，而不改变绕组本来的匝数。
2.根据权利要求1所述的一种三相-单相交流变换器控制方法，其特征在于，三相电压给定值U a *、U b *、U c *分配采用以下公式实现：
，
上述公式中，U C为三相变压器副边的三相绕组两端相对于母线负端的电压偏置值。
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