CN105186887A - 一种基于开关器件温度的级联型高压变频动态开关频率pwm调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于开关器件温度的级联型高压变频动态开关频率PWM调整方法。其调整步骤为：首先对采样到的多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的温度进行低通滤波，之后将其与设定的动态开关频率调整阀值进行差值运算，得到温度偏差量；其次，将温度偏差量经PI调节得到串级频率，根据级联模块数与一个绝缘栅双极型晶体管的最小的开关频率，确定级联式高压变频器的最小开关频率，将其与串级频率相加，得到级联式高压变频器开关频率；再次，级联式高压变频器开关频率经带通滤波器的滤波后，再对频率变化率的处理，得到系统控制中最优的开关频率；最后，利用得到的最优开关频率产生载波信号，通过将其与调制波进行比较，产生所需要的开关信号。

Description

一种基于开关器件温度的级联型高压变频动态开关频率PWM调整方法

技术领域：

本发明涉及一种基于级联型高压变频器的动态开关频率调整的载波脉宽调制方法，以实现级联型高压变频器输出容量和输出波形之间的优化平衡。

背景技术：

在高压多种技术方案中，级联型高压变频器具有拓扑扩展简单、控制简便和输出谐波小等特点。变频器通过模块的级联最终实现高压输出，每一个级联模块由一个全桥电路组成，每一个全桥电路的包含六脉波二极管整流电路和绝缘栅双极型晶体管全桥电路组成。

在级联型高压变频器中，绝缘栅双极型晶体管开关的驱动信号采用载波移相的脉宽调制技术(PWM)，从而实现输出期望电压波形及其谐波抑制的目标。

绝缘栅双极型晶体管的驱动信号的开关频率对变频器的输出容量和输出波形都有明显影响，开关频率越高，变频器中的绝缘栅双极型晶体管的开关损耗就会越大，在同等散热条件下绝缘栅双极型晶体管的温升也就越高，这会导致变频器输出容量下降。但是，较高的开关频率下，变频器输出电压误差会减小、波形质量会得到提高。变频器输出电压误差减小，原因为开关频率高时，在一个基本周期内合成参考电压的点数增多，在一个开关周期内合成的伏秒误差减小，使得实际输出电压与期望电压之间的误差减小；而输出电压波形质量改善，这是由于输出电压中高频谐波次数会随着开关频率的提高而增大，进一步使得高频谐波远离变频器输出电压基波频率，从而导致变频器的输出电流波形质量变好，进而使得变频器的驱动对象的转矩脉动、噪音都会一定程度的改善。相反，绝缘栅双极型晶体管驱动信号的开关频率越低，变频器在同等散热条件下变频器输出容量会上升，但输出波形质量会变差，从而使得变频器驱动对象的转矩脉动、噪音变差。

因此，如何选择级联型高压变频器绝缘栅双极型晶体管驱动信号的开关频率取决于级联的模块数量、应用的输出容量要求以及具体输出电压波形质量的要求等多个因素，这是级联型高压变频器设计中的一个重要参数。

目前级联型高压变频器的驱动绝缘栅双极型晶体管的PWM信号的开关频率通常在0.2kHz到2kHz之间，但通常这些变频器的开关频率是固定的，不会随着变频器的工况改变而改变。

发明内容

本发明提供了一种基于实时监测多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的温度，对开关频率进行动态调整，来实现在满足系统输出容量的同时，实现输出电压波质量的优化控制。根据实时监测多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的温度，多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的温度是其损耗的表征值，只要多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的温度不超过其报警值，则表明变频器的输出容量能够满足工况要求，在多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的温度明显低于其报警值时，通过对开关频率的动态选择，从而在保证变频器输出容量的同时实现运行条件下的输出电压波形质量的优化控制。

本发明可以达到的有益效果：

(1)利用开关频率动态调整方法，在满足级联型高压变频器输出容量要求的同时，实现了输出电压波形质量优化控制，有效提高了级联型高压变频器输出性能，最终实现了级联型高压变频器的输出容量和输出电压波形质量两者的优化控制；

(2)本发明不仅局限应用于级联型高压变频器，同样适用于其它类型的变频器开关频率选择，扩展应用性强。

附图说明

图1级联型高压变频器拓扑结构

图2脉宽调制控制结构

图3开关频率动态调整

图4控制器及其相关电路

图5控制器中动态开关频率调整计算流程图

具体实施方式

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

本发明的级联式高压变频器是由移相变压器2、多级串联的全桥整流单元3、多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4、温度传感器5与控制单元及其相关电路6组成，其中，控制单元及其相关电路6包括调理电路、AD采样电路、控制器和脉冲输出及其驱动电路。而控制器是由开关频率动态调整单元8、载波信号发生单元9与PWM脉冲发生单元10组成。级联式高压变频器外接高压电网1，用来控制高压电机7。二极管全桥不控整流的输入电压由电网通过移相变压器提供，移相变压器的原边为△连接，副边为Y连接。多级串联中的全桥整流每个单元由三相H-桥构成，每个H-桥的一个桥臂输出与该模块另外两个H-桥的输出相连，而H-桥的另一个桥臂与对应的下级全桥整流单元的桥臂相连接，以达到高压输出的目的。

温度传感器5采集的多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度T通过控制单元及其相关电路6进行计算处理，得到多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的PWM开关信号，其特征在于：

温度传感器5采集多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度T、多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度报警值T_g、级联式高压变频器级联模块数N与多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4中一个绝缘栅双极型晶体管的最小的开关频率f₁用于开关频率动态调整单元8，经开关频率动态调整单元8计算处理得到系统控制中最优的开关频率f_K，其具体计算处理特征在于：

多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度T经低通滤波器17得到实际的多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度T’，用于差值模块11的输入。具体计算如下：

T′＝A(z)T(1)

其中，A(z)为离散化的低通滤波器。

多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度报警值T_g与滤波器17输出的实际的多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度T’通过差值模块11得到温差△T，将温差△T与设定阀值s进行比较，当温差△T小于设定阀值s时，此时开关频率已经实现了输出功率和输出电压波形质量的优化平衡控制，开关频率保持不变；当温差△T大于设定阀值s或小于零时，此时开关频率不能实现输出功率和输出电压波形质量的优化平衡控制，须对开关频率进行调整。具体计算如下：

ΔT＝T_g-T′(2)

对于开关频率动态调整步骤，其特征在于：

差值模块11得到温差△T，通过PI调节器12得到串级频率f_N，用于频率叠加模块13的输入。

$f_N=(k_p+\frac{k_i}{f\left(k\right)(z-1)})\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

其中，k_p、k_i分别为PI控制中的比例系数和积分系数，f(k)为第k时刻主控制器的开关频率。

根据级联模块数N与一个绝缘栅双极型晶体管的最小的开关频率f₁，通过最小开关频率选择单元16查得级联式高压变频器的最小开关频率f₁，用于频率叠加模块13的输入。

级联式高压变频器的最小开关频率f₁与串级频率f_N经频率叠加模块13叠加，输出级联式高压变频器开关频率命令f_NK，计算如下：

f_NK＝f₁+f_N(4)

输出级联式高压变频器开关频率命令f_NK经带通滤波器14的滤波与斜坡函数15对频率变化率的限制，得到系统控制中最优的开关频率f_K，用于载波信号发生单元9的输入。计算如下：

f_NK′＝B(z)f_NK

f_K＝f(t)f_NK′

其中，B(z)为离散化的带通滤波器；f(t)为斜坡函数，用于限制开关频率上升和下降速率，保证系统稳定，f_NK'为输出级联式高压变频器开关频率命令f_NK经带通滤波器的输出量。

最优的开关频率f_K经载波信号发生单元9得到载波信号u_t，用于PWM脉冲发生器单元10的输入。载波信号u_t与正弦调制信号u_α经PWM脉冲发生器单元10输出PWM开关信号，用于驱动多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4。从而实现在一定范围内提高开关频率，以达到提升输出波形质量的目的。

温度传感器5采集的多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4温度T可以采集安装在多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的散热器温度，同时多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管4的温度报警值T_g可以是安装在多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的散热器的报警温度。

每一个级联单元，测量的全桥绝缘栅双级型晶体管温度为安装在不同位置测量的散热器温度，对于n级级联高压变频器共有2n个检测的温度值，对这2n个变量进行预处理，预处理包括：对2n个检测的温度值进行数据筛选，当这2n个检测的温度值都在允许的测量误差范围之内，也就是没有一个测量的温度值与其它温度值有较大的差异时，系统运行正常，无故障发生；当至少有一个检测的温度值与其它温度值存在明显差异时，通过将该级联模块的电流与其它级联模块的电流进行比较，当该级联模块的电流与其它级联模块的电流误差很小时，该级联模块检测的温度值因误差大而被舍弃；当该级联模块的电流与其它级联模块的电流误差很大时，系统运行出现故障，变频器发出故障和报警信号。

对于n级级联高压变频器m(m≤2n)个正常测量的温度值，对其进行平均之后，得到n级级联高压变频器绝缘栅双级型晶体管的温度检测值。

Claims (6)

1.级联型高压变频器的脉宽调制解决方案，其特征在于：利用实时监测的多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管的温度，根据级联型高压变频器的级联模块数和设定的动态开关频率温度报警值，来动态调整载波移相调制方法的开关频率。

2.级联型高压变频器的脉宽调制解决方案，其特征在于：开关频率调整的目的是，在满足级联型高压变频器输出容量要求的同时，实现输出电压波形质量的优化控制。

3.级联型高压变频器的脉宽调制解决方案，其特征在于：多级串联的全桥绝缘栅双级型晶体管的温度，由温度传感器测量，经AD调理电路送至主控制器。

4.级联型高压变频器的脉宽调制解决方案，其特征在于：每一个级联单元，测量的全桥绝缘栅双级型晶体管温度为安装在不同位置测量的散热器温度，对于n级级联高压变频器共有2n个检测的温度值，对这2n个变量进行预处理，预处理包括：对2n个检测的温度值进行数据筛选，当这2n个检测的温度值都在允许的测量误差范围之内，也就是没有一个测量的温度值与其它温度值有较大的差异时，系统运行正常，无故障发生；当至少有一个检测的温度值与其它温度值存在明显差异时，通过将该级联模块的电流与其它级联模块的电流进行比较，当该级联模块的电流与其它级联模块的电流误差很小时，该级联模块检测的温度值因误差大而被舍弃；当该级联模块的电流与其它级联模块的电流误差很大时，系统运行出现故障，变频器发出故障和报警信号。

5.级联型高压变频器的脉宽调制解决方案，其特征在于：对于n级级联高压变频器m(m≤2n)个正常测量的温度值，对其进行平均之后，得到n级级联高压变频器的温度检测值。

6.级联型高压变频器的脉宽调制解决方案，其特征在于通过变开关频率载波调制策略，实现了输出容量和输出电压波形质量的优化平衡，该方法具体实现步骤如下：

(1)根据级联式高压变频器级联模块数，预估系统运行时需要的开关频率，在该开关频率作用下，当检测到的绝缘栅双极晶体管温度值经数字信号处理后进入主控制器的温度值为T′，与报警值且两者之差小于设定阀值s时，此时认为开关频率已经最优，开关频率保持恒定，此时系统稳定运行。主控制器中具体计算如下：

T′＝A(z)T(1)

f(k+1)＝f_K(k)，T_g-T′＜s(2)

其中，A(z)为离散化的数字低通滤波器，f_K(k)为第k-1时刻的动态调整后优化开关频率，f(k+1)为第k+1时刻的开关频率。

当检测到的绝缘栅双极晶体管温度值经数字信号处理后进入主控制器的温度值为T′时超过设定的报警值T_g，说明系统不能够满足输出容量的工况要求，须对开关频率进行调整，降低开关频率；当检测到的绝缘栅双极开关管温度值小于设定的报警值且两者之差大于设定阀值时，说明级联型高压变频器已经满足输出容量的工况要求，但输出波形不够优化，须增大开关频率。对于绝缘栅双极晶体管温度值经数字信号处理后进入主控制器的温度值为T′时超过设定的报警值T_g或者超过设定阀值时，此时均需要开关频率动态调整，在主控器中将其归为一类，具体计算如下：

f(k+1)＝f_K(k+1)，T_g-T′＞s或T_g-T′＜0(3)

其中，f_K(k+1)为第k时刻的动态调整后优化开关频率。

当绝缘栅双极晶体管温度值经数字信号处理后进入主控制器的温度值为T′时与设定的报警值T_g之间的关系满足式(3)时，由此进入步骤(2)；

(2)对检测到的绝缘栅双极晶体管温度值进行低通滤波之后的温度值T′,与报警值进行差模计算，该差模值为△T，经PI控制器后得到串级频率f_N。具体计算如下：

ΔT＝T_g-T′(4)

$f_N=(k_p+\frac{k_i}{f\left(k\right)(z-1)})\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

其中，k_p、k_i分别为PI控制中的比例系数和积分系数，f(k)为第k时刻主控制器的开关频率。

根据级联模块数与一个绝缘栅双极型晶体管的最小的开关频率，通过最小开关频率选择单元，查得级联式高压变频器的最小开关频率f₁，将其与串级频率相加f_N，得到级联式高压变频器开关频率f_NK。具体计算如下：

f_NK＝f₁+f_N(6)

级联式高压变频器开关频率f_NK经带通滤波器的滤波后为f_NK′，其经过斜坡函数对频率变化率的处理，得到系统控制中最优的开关频率f_K，用于载波信号发生单元的输入。具体计算如下：

f_NK′＝B(z)f_NK(7)

f_K＝f(t)f_NK′(8)

其中，B(z)为离散化带通滤波器；f(t)为斜坡函数，用于限制开关频率上升和下降速率，保证系统稳定。

(3)最优的开关频率经载波信号发生单元得到载波信号，用于PWM脉冲发生器单元的输入。载波信号与正弦调制信号经PWM脉冲发生器单元输出PWM开关信号，用于驱动多级串联的全桥绝缘栅双极型晶体管。从而实现在一定范围内提高开关频率，以达到提升输出波形质量的目的。