CN105305867B

CN105305867B - 一种三相变频控制方法

Info

Publication number: CN105305867B
Application number: CN201410268698.5A
Authority: CN
Inventors: 董晓磊; 詹仲虎; 许晓飞
Original assignee: Dengfeng Zhongyue High Voltage Electric Porcelain Appliance Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Shuojing Power Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: CN105305867A

Abstract

本发明公开了一种三相变频控制方法，开关控制角减小为30度，控制更精确；适应不同的负载，最高电压利用率可到1；开关转换时电压变化减小，有助于减小EMI；利用了现有的三相六开关逆变桥结构，针对现有技术的不足，采用12状态全开关矢量，应用矢量合成技术，选择开关控制矢量；依照电压时间积相等的原则算得相应的开关矢量时间，从而控制开关，达到变频目的。

Description

一种三相变频控制方法

技术领域

本发明属于三相变频技术领域，涉及一种三相变频控制方法。

背景技术

三相变频技术在现代社会中使用越来越广泛，其实质就是DC/AC变换。在追求高能效，高功率体积比的驱使下，利用负载的惯性元件特性，根据电压时间冲量相等的原则，普遍采用了PWM开关控制技术。最流行的有所谓的SPWM(正弦脉宽调制)技术和SVPWM(空间矢量脉宽调制)技术。

三相变频技术中对输出的要求是电压基波成分尽可能高，谐波成分尽可能分散，谐波频率尽可能远离基波；而三相电压基波要求幅值相等，频率一致，相位相差120度，有的应用对起始相角有要求。不考虑谐波，设起始相角为0，理想基波用下式表达：

A＝Vm*COSW*t

B＝Vm*COS(W*t+120)

C＝Vm*COS(W*t-120)

其中W＝2*π*f

若PWM周期为Ts，则一周期内的A相电压时间积为：

dA＝Vm*(sinW*(t+Ts)-sinW*t)/W＝2*Vm/W*sin(W*Ts/2)*cosW*(t+Ts/2)

W*Ts/2→0时，sin(W*Ts/2)≈W*Ts/2；则：

dA≈Vm*Ts*cosW*(t+Ts/2)；对B、C相同样有：

dB≈Vm*Ts*cos(W*(t+Ts/2)+120)

dC≈Vm*Ts*cos(W*(t+Ts/2)-120)

观察上式，dA+dB+dC＝0，Vm*Ts为常数，可见三相电压时间积与各自对应的相位角的余弦值成正比。而开关电压为常值，开关时间和方向可变，为使开关电压时间积与之相等，只须开关时间与相应的相角余弦绝对值成正比即可，余弦值的符号可通过改变开关方向得到。

针对不同的开关负载结构及不同的控制方法，将有不同的各相等效开关电压大小，从而开关时间比例不同，但总的有效开关时间不能大于Ts。所谓的SPWM技术和SVPWM技术采用三相六开关逆变桥及Y形连接负载，如图1所示，都利用三相负载相等的特性，只控制方法有区别。SPWM技术在有效开关时间内任何时刻控制两相导通；SVPWM技术在有效开关时间内任何时刻控制三相导通，这是其本质区别。设接电源正极开关导通为1，接电源负极开关导通为-1，两都不导通为0，如每相负载相等，两技术的有效开关控制状态与开关电压如表1-2所示。

表1：SPWM技术开关状态及开关电压表

表2：SVPWM技术开关状态及开关电压表

根据三相变频电压时间积的要求，可选择合适的开关控制状态组合，根据其开关电压大小算得各开关控制状态需要时间，如表1，选序号K2，K4的开关控制状态，开关控制时间设为t1，t2，设φ＝W*(t+Ts/2)有：

1/2*Vdc*t1＝Vm*Ts*cosφ (1)

-1/2*Vdc*(t1+t2)＝Vm*Ts*cos(φ+120) (2)

1/2*Vdc*t2＝Vm*Ts*cos(φ-120) (3)

上述方程组只有2个独立，选择式(1)、(3)联立求解得：

t1＝2*Vm/Vdc*Ts*cosφ≥0

t2＝2*Vm/Vdc*Ts*cos(φ-120)≥0

t1+t2≤Ts

由上述时间约束可得出：

90≥φ≥30

Vm≤Vdc/2

选择表1其他相邻的控制状态，重复以上过程，得出SPWM的控制状态，如表3所示。

设Za＝COSφ，Zb＝COS(φ+120)，Zc＝COS(φ-120)

表3：SPWM控制状态

对表2，重复表1的工作，得出SVPWM控制状态表4。

表4：SVPWM控制状态

对于SVPWM还需说明的是Vm的最大值，以控制状态序号1为例有：

t1+t2＝Vm/Vdc*Ts*(Za-Zc+Zc-Zb)＝sqrt(3)*Vm/Vdc*Ts*cos(φ-30)≤Ts

则Vm≤Vdc/sqrt(3)。

以上对现有技术方案的阐述，利用电压时间积相等的原则，从两种控制方法的开关控制状态出发，说明了两种控制方法在一个电压周期内的控制状态要求。另外如引用SVPWM技术的矢量观点，众所周知，SVPWM的6个开关控制状态对应的矢量角度是0，60，120，180，240，300度，矢量模为1，是标幺化的三相电压矢量模的2/3；对于SPWM以K2为例计算矢量有V↓：

V↓＝1/2*e∧j0+1/2*e∧j2/3*PI()+0*e∧-j2/3*PI()＝1/2∠30°

因此SPWM各开关控制状态对应的矢量角度是30，90，150，210，270，330度，只不过其模是标幺化的三相电压矢量模的1/sqrt(3)；从这种意义上讲无论SPWM，还是SVPWM，都是一种矢量控制方式，姑且称其为开关矢量控制吧。SPWM利用了30+60*N(0≤N≤5)的6个开关矢量，SVPWM则利用了60*N(0≤N≤5)的6个开关矢量，其他矢量靠基本开关矢量合成。

综上所述，现有技术只利用了一半的开关矢量，其他矢量靠相邻最近的相隔60度的两开关矢量合成。众所周知，SPWM技术比SVPWM技术电压利用率低，但EMI较小。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，利用全部的开关矢量，达到更好的效果，本发明提供一种三相变频控制方法，利用了现有的三相六开关逆变桥结构，针对现有技术的不足，采用12状态全开关矢量，应用矢量合成技术，选择开关控制矢量；依照电压时间积相等的原则算得相应的开关矢量时间，从而控制开关，达到变频目的。其技术方案如下：

一种三相变频控制方法，包括以下步骤：

1)建立12开关矢量控制参数表，即角度与开关矢量选择、开关矢量作用时间，开关矢量各开关状态的对应关系表；建立正、余弦计算程序。

2)设定系统直流电压值Vdc及交流电压幅值Vm。

3)设定A相初始相角θ。

4)设定交流电压频率W和选定系统PWM控制周期Ts。

5)计算时间系数常量Kt＝Vm/Vdc*Ts；计算A相控制相角φ＝(θ+W*Ts/2)MOD360，更新A相相角θ＝φ

6)计算A、B、C相角余弦值：Za＝COSφ；Zb＝COS(φ+120)；Zc＝COS(φ-120)。

7)依据A相相角查12开关矢量控制参数表选择开关矢量及矢量作用时间变量t1，t2；计算矢量作用时间：t1＝Kt*t1，t2＝Kt*t2；并得出A、B、C各相开关状态。

8)结合开关初始状态选择无效开关矢量状态并排布开关顺序及分配开关时间。

9)据A、B、C各相开关顺序及时间分配情况译码各相上下桥臂开关PWM控制波形

10)输出各开关PWM控制波形

11)回至步骤2)进行下一PWM周期的工作。

进一步优选，针对不同的变频控制可以在步骤2)、3)、4)中进行节选来改变系统控制参数达到不同的控制目的；而本发明内容的主旨体现在步骤1)、7)、8)中，即利用12开关矢量进行变频控制和能利用更多的无效开关矢量状态减少开关冲击。

本发明的有益效果：本发明三相变频控制方法中，开关控制角减小为30度，控制更精确；适应不同的负载，最高电压利用率可到1；开关转换时电压变化减小，有助于减小EMI；无效开关状态更多，可以灵活安排无效开关状态，达到有效控制死区时间和减少开关冲击的目的。

附图说明

图1为三相六开关逆变桥及与直流电源连接示意图；

图2为三相变频电源控制流程图；

图3为15度相角PWM控制波形。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明所要解决的技术问题是现有变频控制方法没有充分利用三相六开关逆变桥结构的开关矢量，带来或是电压利用率不高，或是EMI较严重，针对不同的负载结构适应性较差。从而提出了一种12状态全开关矢量的变频控制方法，使开关矢量控制角为30°，能达到现有技术的最高电压利用率，EMI折中，对不同的负载结构只需修改等效开关电压来计算开关时间。另外可以对15组无效开关矢量作适当的安排，使开关死区时间计算在PWM周期内，减小死区效应。15组无效开关矢量为000，001，010，011，100，101，110，111，00-1，0-10，0-1-1，-100，-10-1，-1-10，-1-1-1。12矢量开关状态及开关电压表如表5所示：

表5：12矢量开关状态及开关电压表(Y形负载)

选K1、K2状态与电压时间积要求建立方程：设作用时间为t1，t2

2/3*t1+1/2*t2＝Vm*cos(φ)*Ts/Vdc (4)

-1/3*t1-1/2*t2＝Vm*cos(φ+120)*Ts/Vdc (5)

-1/3*t1+0*t2＝Vm*cos(φ-120)*Ts/Vdc (6)

解得：t1＝-3*Vm/Vdc*cos(φ-120)*Ts≥0

t2＝2*Vm/Vdc*(cos(φ-120)-cos(φ+120))*Ts≥0

t1+t2≤Ts

由上述时间约束可得出：

30≥φ≥0

Vm≤Vdc/sqrt(3)

依旧设Za＝COSφ，Zb＝COS(φ+120)，Zc＝COS(φ-120)，依照上述方法解得12矢量开关控制状态表6：

表6：12矢量开关控制状态表(Y形负载)

比如对0～30度时的PWM周期内开关顺序安排(假设开关初始状态为-1-1-1)为：

只要使：T4＝t2，T3+T5-t1，T1+T2+T6+T7＝Ts-t1-t2即可。这样就没有同一桥臂上上下开关同时导通的可能，也就是死区时间计算在每个PWM周期内了。

如对△形负载12矢量开关状态及开关电压值列表7。

表7：12矢量开关状态及开关电压表(△形负载)

比较表5和表7可见，只要将表7的1序号开关控制状态挪到12序号，其余依次前推，则表7的开关电压值与表5的成比例关系，单序号为2倍，双序号为1.5倍。解得△形负载的12矢量开关控制状态如表8所示：

表8：12矢量开关控制状态表(△形负载)

应用t1+t2≤Ts可知△形负载时：Vm≤Vdc。

本发明涉及的一种三相变频控制方法其本质特征在于采用了12状态全开关矢量的方法来控制三相六开关逆变桥，以区别于现有技术。本发明无意于开关时间的如何取得，也无意于负载的具体形式，更无意于无效开关矢量的如何安排；而在意于三相变频控制中采用的12状态开关矢量的开关控制方法。现结合附图2的一种三相变频电源(给定幅值和频率)的Y形负载方式的控制来说明本发明的主旨所在。纵观附图2只是将发明采用方案流程化，一种简单的开环控制。没给出Vm，W，Ts，θ的具体给定流程，也没给出PWM控制波形计算及PWM控制波形输出间的配合关系。因为到具体的控制其形式太多，关键是其不影响本发明的本质。本发明的本质在流程图中主要表现在S01、S07段；即采用12开关矢量和相角分隔30度选择开关矢量，这才是本发明(一种三相变频控制方法)的主要意图。鉴于软件的灵活性及实现方法多样性，为保护本发明的权利，有必要将本发明实施中在PWM控制波形上的表现加以说明。附图3给出了15度相角按3.1的(1)～(7)设定的开关顺序各开关PWM控制波形(正逻辑)，T3、T5在一PWM周期中恒为0，不导通，不予给出。Ts为PWM周期时间；Ty为有效开关矢量作用时间；T30为30度开关矢量作用时间；T01+T02为0度开关矢量作用时间；Tw1+Tw2为无效开关矢量作用时间。为避免同一桥臂上下开关直通，安排了特定的无效开关矢量作用时间。观察有效开关矢量作用时间段，本发明的12状态开关矢量控制法在PWM控制波形上的表现为存在只有2相负载同时得电和三相负载同时得电两种情况；即有T1、T4同为高电平，同时T6为低电平和T1、T4、T6同时为高电平两种情况。推广到其他角度如表9所示的开关电平情况。因此查验各开关PWM控制波形可以检验是否使用了本发明提供的12状态开关矢量的三相变频控制方法；本发明同样适用于负逻辑。

表9：本发明控制方法开关电平控制特征

T1	T2	T3	T4	T5	T6
						1	0	0	1	0	1
1	0	0	1	0	0
						1	0	0	1	1	0
0	0	0	1	1	0
						0	1	0	1	1	0
0	1	0	0	1	0
						0	1	1	0	1	0
0	1	1	0	0	0
						0	1	1	0	0	1
0	0	1	0	0	1
						1	0	1	0	0	1
1	0	0	0	0	1

本发明中相关名词解释：

PWM(Pulse Width Modulation)：脉冲宽度调制；

SPWM(Sinusoidal PWM)：正弦脉冲宽度调制；

SVPWM(Space Vcctor Pulse Width Modulation)：空间矢量脉冲宽度调制；

有效开关矢量：能使负载得电的六开关的组合状态，有12组；

无效开关矢量：不能使负载得电的六开关的组合状态，有15组；

12状态开关矢量：12组有效开关矢量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种三相变频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立12开关矢量控制参数表，即角度与开关矢量选择、开关矢量作用时间，开关矢量各开关状态的对应关系表；建立正、余弦计算程序；

2)设定系统直流电压值Vdc及交流电压幅值Vm；

3)设定A相初始相角θ；

4)设定交流电压频率W和选定系统PWM控制周期Ts；

5)计算时间系数常量Kt＝Vm/Vdc*Ts；计算A相控制相角φ＝(θ+W*Ts/2)MOD360，更新A相相角θ＝φ；

6)计算A、B、C相角余弦值：Za＝COSφ；Zb＝COS(φ+120)；Zc＝COS(φ-120)；

7)依据A相相角查12开关矢量控制参数表选择开关矢量及矢量作用时间变量t1，t2；计算矢量作用时间：t1＝Kt*t1，t2＝Kt*t2；并得出A、B、C各相开关状态；

8)结合开关初始状态选择无效开关矢量状态并排布开关顺序及分配开关时间；

10)输出各开关PWM控制波形

11)回至步骤2)进行下一PWM周期的工作。

2.根据权利要求1所述的三相变频控制方法，其特征在于，针对不同的变频控制在步骤2)、3)、4)中进行节选来改变系统控制参数达到不同的控制目的；在步骤1)、7)、8)中，利用12开关矢量进行变频控制和能利用更多的无效开关矢量状态减少开关冲击。