CN107707104B - 无滤波电容的三相变频器及其控制方法 - Google Patents

无滤波电容的三相变频器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无滤波电容的三相变频器，变频器在低速段采用V/F恒定的恒磁通变频控制，中速段恒压变频控制，高速段定频（工频）调压控制。本发明提出基于纹波消除和波形同步的变频（低速段）、调压（高速段）结合的技术，在无滤波电容的情况下，三相感应电机可实现工频满功率运行。非常适合用于风机、水泵类负载的变频调速控制。该无滤波电容变频器由于体积变小适合与风机、水泵组合安装成一体化的变频风机，变频水泵产品。

Description

无滤波电容的三相变频器及其控制方法
技术领域
本发明涉及三相变频器领域，特别涉及一种不需要滤波电容的三相变频器。
背景技术
通常的三相变频器都包含交流变直流(整流)，直流变交流(逆变)二大主要部分。整流后的直流含有大量的交流成分(纹波)，需要用高压大容量的电容来滤波并提高直流电压值。如中国发明专利(201510548178.4)公开了一种绿色变频器，包括连接电网侧的整流桥、连接负载侧的逆变桥，整流桥和逆变桥之间设有滤波电容器C，连接电网侧采用PWM整流桥抑制在低电流状态下电流畸变率的上升，采用以下计算方法：f＝fn*In/It其中，f为PWM开关频率；fn为设定额定开关频率，In为变频器设定额定电流，It为变频器实际运行电流。
该专利的变频器中就带有滤波电容，但电容滤波会导致负载电流脉动，降低了电路功率因数。同时滤波电解电容体积大，本身成本高还需增加充电保护电路，电解电容本身的可靠性和寿命也是导致变频器产品质量问题的瓶颈。因此有必要设计一种无需滤波器电容的三相变频器来解决这一技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种不需要滤波器电容的三相变频器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无滤波电容的三相变频器，其包括：三相整流桥电路，所述三相整流桥电路用于将50Hz交流电压变换为直流电压；电源同步信号采集电路，所述电源同步信号采集电路通过采集50HZ交流电的过零点来获取电源电压的相位；母线波纹采集电路，所述母线波纹采集电路用于采集三相整流桥电路输出直流电的波纹电压；单片机，所述单片机内设有三相PWM发生器，所述单片机与所述电源同步信号采集电路、母线波纹采集电路连接，三相PWM发生器的单片机从外部接口电路接受频率输出命令或传感器反馈值，计算出需要逆变产生的频率和电压；低速变频控制模块，当变频器需要输出的电压低于直流电压的峰谷时，所述低速变频控制模块采用V/F恒定的恒磁通变频控制法控制变频器工作；中速变频控制模块，当变频器需要输出的电压高于直流电压的峰谷时，所述中速变频控制模块采用恒定输出电压在直流电压的峰谷，频率变化的控制方法控制变频器工作；高速变频控制模块，当变频器需要输出的频率达到工频后，所述高速变频控制模块根据电源同步信号采集电路捕捉到的电压过零时刻，使变频器输出的电压波形与交流电源同步。低速变频控制和中速变频控制模块中，单片机采用纹波消除算法，根据母线纹波电压实时调整生成电压的幅值，以排除纹波扰动的影响，使得输出的三相电压波形为正弦波。
优选的，所述三相PWM发生器采用电压空间矢量法根据所需交流电压的频率、电压、相位计算3对互补的PWM控制信号控制IGBT全桥驱动模块，驱动三相IGBT桥将直流母线电压逆变为三相交流电压。
本发明还公开了一种无滤波电容的三相变频器的控制方法，其包括如下步骤：
1)当变频器需要输出的电压低于直流电压的峰谷时，采用V/F恒定的恒磁通变频控制法控制变频器工作；
2)当变频器需要输出的电压高于直流电压的峰谷时，采用恒定输出电压在直流电压的峰谷，频率变化的控制方法控制变频器工作；
3)当变频器需要输出的频率达到工频后，根据电源同步信号采集电路捕捉到的电压过零时刻，使变频器输出的电压波形与交流电源同步。
优选的，在步骤3)中，首先电压经电源同步信号采集电路进行过零检测，过零点正好对应直流母线电压最低点，在变频器输出频率为50HZ时，单片机在每个过零点产生中断，
在中断服务程序中调整生成波形的相位，使得输出电压波形与交流电源同步。
优选的，在步骤1)、2)中，低速变频控制和中速变频控制模块中，单片机采用纹波消除算法，根据母线纹波电压实时调整生成电压的幅值，以排除纹波扰动的影响，使得输出的三相电压波形为正弦波。
优选的，在步骤1)和2)中，母线波纹采集电路用于采集三相整流桥电路输出的直流母线上的波纹电压，单片机在生成输出波形时，采用本专利提出的算法，根据母线电压实时调整生成电压幅值，以排除纹波扰动的影响，使得输出的三相电压波形为正弦波。
优选的，电源同步信号采集电路目的是获取电源电压的相位，使得单片机可以在实时中断中不断调整输出电压波形相位来与交流电源同步，同步信号在三相电源线的不同线电压，相电压上采集电压过零点，或采用隔离变压器来采集电源线电压，相电压电压过零点。如上所述，本发明的无滤波电容的三相变频器及其控制方法具有以下有益效果：本发明在低速段采用V/F恒定的恒磁通变频控制，中速段恒压变频控制，高速段定频(工频)调压控制。在电机高速段，频率固定在电源同频率(50Hz)，波形生成算法上控制输出的三相电压波形与电源电压波形同步，控制输出电压的幅值来控制电机转速。这样输出电压的峰值与直流电源纹波同步，充分利用电源电压，使电机可以在工频下达到最高转速。变频器的波形生成在常规的空间电压矢量脉宽调制算法基础上叠加了消除纹波算法以消除直流电压纹波影响，输出电压为正弦波。本发明提出基于波形同步的变频(低速段)、调压(高速段)结合的技术，在无滤波电容的情况下，三相感应电机可实现工频满功率运行。非常适合用于风机、水泵类负载的变频调速控制。该无滤波电容变频器由于体积变小适合与风机、水泵组合安装成一体化的变频风机，变频水泵产品。
附图说明
图1为本发明实施例的电路结构图。
图2为本发明实施例的变频波形示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1和图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种无滤波电容的三相变频器，其包括：三相整流桥电路，所述三相整流桥电路用于将50Hz交流电压变换为直流电压；电源同步信号采集电路，所述电源同步信号采集电路用于采集50HZ交流电的过零点；母线波纹采集电路，所述母线波纹采集电路用于采集三相整流桥电路输出直流电的波纹电压；单片机，所述单片机内设有三相PWM发生器，所述单片机与所述电源同步信号采集电路、母线波纹采集电路连接，设有三相PWM发生器的单片机从外部接口电路接受频率输出命令或传感器反馈值，计算出需要逆变产生的频率和电压；低速变频控制模块，当变频器需要输出的电压低于直流电压的峰谷时，所述低速变频控制模块采用V/F恒定的恒磁通变频控制法控制变频器工作；中速变频控制模块，当变频器需要输出的电压高于直流电压的峰谷时，所述中速变频控制模块采用恒定输出电压在直流电压的峰谷，频率变化的控制方法控制变频器工作；高速变频控制模块，当变频器需要输出的频率达到工频后，所述高速变频控制模块根据电源同步信号采集电路捕捉到的电压过零时刻，使变频器输出的电压波形与交流电源同步。
上述三相PWM发生器采用电压空间矢量法根据所需交流电压的频率、电压、相位计算3对互补的PWM控制信号控制IGBT全桥驱动模块，驱动三相IGBT桥将直流母线电压逆变为三相交流电压。
该无滤波电容的三相变频器的控制方法如下：
1)当变频器需要输出的电压低于直流电压的峰谷时，采用V/F恒定的恒磁通变频控制法控制变频器工作；
2)当变频器需要输出的电压高于直流电压的峰谷时，采用恒定输出电压在直流电压的峰谷，频率变化的控制方法控制变频器工作；
3)当变频器需要输出的频率达到工频后，根据电源同步信号采集电路捕捉到的电压过零时刻，使变频器输出的电压波形与交流电源同步。
三相整流桥将三相交流电源转换为直流母线电压。如图2电压波形图所示，波形1的为L1、L2、L3三相电源经过三相整流桥整流后直流母线上的波形，纹波为300Hz。纹波经直流母线纹波信号采集电路送入单片机模拟量输入端，用于消除输出电压纹波的计算。图2中波形2波形为L3电源端对直流母线负端的电压波形。该电压经电源同步信号采集电路进行过零检测，过零点正好对应直流母线电压最低点。变频器输出频率为50HZ时，单片机在每个过零点产生中断，在中断服务程序中调整生成波形的相位，使得输出电压波形与电源纹波同步。
单片机带3相PWM发生器模块，本发明采用电压空间矢量法根据所需交流电压的频率、电压、相位计算3对互补的PWM控制信号控制IGBT全桥驱动模块，驱动三相IGBT桥将直流母线电压逆变为三相交流电压。
本发明采用电压空间矢量法算法采用定子电压正交坐标系的α-β轴电压分量为输入来计算3相PWM的占空比。SPWM波形的生成方式为使电压矢量V在αβ坐标空间旋转，电压矢量V的模VM决定变频器输出电压的幅值，电压矢量旋转的转速决定变频器输出电压的频率，电压矢量的位置角度决定变频器输出电压的相位。
消除变频器输出电压纹波生成电压计算算法如下：
VM＝VT*1.414/VMeas(IF VM>1,VM＝1)
VM：电压空间矢量法算法用来计算3相PWM的占空比的αβ空间电压矢量V的模。取值范围：0-1
这里算法上电压矢量归算为模的最大幅度为1。VM＝1时变频器输出线电压的峰值达到母线电压值。
VT:实际需要变频器输出线电压有效值。单位Vac。
VMeas:实时测量到的直流母线电压瞬时值。单位Vdc。
当变频器工作在定频调压段时，需要输出频率固定为工频(50Hz)，电压幅度可调。为达到工频最大电压幅度输出，本发明提出了使变频器输出的电压波形与交流电源同步从而与直流母线的纹波幅值同步的方法，利用直流母线的纹波峰值电压来达到工频最大电压幅度输出。具体实现方法如下：
图2中波形2为L3电源端对直流母线负端的电压波形。该电压经电源同步信号采集电路进行过零检测，过零点正好对应直流母线电压最低点，作为同步点。变频器输出频率为50HZ时，单片机在每个过零点产生中断，在中断服务程序中调整生成波形的相位，使得输出电压波形与电源纹波同步。
由于三相电源三相电源波形相互相位差为120度，直流母线的纹波每个电周期有6个波峰，每个占60度电角度，因此每个周期的6个波谷同步点任一个均可作为同步点。这6个点分别对应电源进线端L1,L2,L3对母线地电压点的过零检测上升沿河下降沿。L1,l2L3端可任取一路做同步信号输入。变频器生成波形时以下6个电角度中任一个与同步点同步都可保证输出电压幅值与直流母线电压同步:0°、60°、120°、180°、240°、300°。
单片机在进入过零点中断服务程序时，取目前时刻电压矢量V旋转到的当前电角度Aact(取值0-360°),计算保持同步需要调整的角度dA(°):
Temp＝Mod(Aact,6)Mod：取余运算
如果：Temp>30°,dA＝Temp-60°(dA为负数)
如果：Temp<30°,dA＝Temp
最终调整后的实际相角Aact＝Aact+dA，实际程序中不是一次调整到位，而是每次中断调整一小部分dA，以避免频率波动，实际调整公示：Aact＝Aact+dA/n(n:调整次数)。
本发明在电机低速段采用V/F恒定的恒磁通变频控制，中速段恒压变频控制，高速段定频(工频)调压控制。在电机高速段，频率固定在电源同频率(50Hz)，波形生成算法上控制输出的三相电压波形与电源电压波形同步，控制输出电压的幅值来控制电机转速。这样输出电压的峰值与直流电源纹波同步，充分利用电源电压，使电机可以在工频下达到最高转速。变频器的波形生成在常规的空间电压矢量脉宽调制算法基础上叠加了消除纹波算法以消除直流电压纹波影响，输出电压为正弦波。本发明提出基于纹波消除、波形同步的变频(低速段)、调压(高速段)结合的技术，在无滤波电容的情况下，三相感应电机可实现工频满功率运行。非常适合用于风机、水泵类负载的变频调速控制。无滤波电容变频器由于体积变小适合与风机、水泵组合安装成一体化的变频风机，变频水泵产品。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种无滤波电容的三相变频器，其特征在于，其包括：
三相整流桥电路，所述三相整流桥电路用于将50Hz交流电压变换为直流电压；
电源同步信号采集电路，所述电源同步信号采集电路用于采集50HZ交流电的过零点；
母线波纹采集电路，所述母线波纹采集电路用于采集三相整流桥电路输出直流电的波纹电压；
单片机，所述单片机内设有三相PWM发生器，所述单片机与所述电源同步信号采集电路、母线波纹采集电路连接，设有三相PWM发生器的单片机从外部接口电路接受频率输出命令或传感器反馈值，计算出需要逆变产生的频率和电压；
低速变频控制模块，当变频器需要输出的电压低于直流电压的峰谷时，所述低速变频控制模块采用V/F恒定的恒磁通变频控制法控制变频器工作；
中速变频控制模块，当变频器需要输出的电压高于直流电压的峰谷时，所述中速变频控制模块采用恒定输出电压在直流电压的峰谷，频率变化的控制方法控制变频器工作；
高速变频控制模块，当变频器需要输出的频率达到工频后，所述高速变频控制模块根据电源同步信号采集电路捕捉到的电压过零时刻，使变频器输出的电压波形与交流电源同步；
所述三相PWM发生器采用电压空间矢量法根据所需交流电压的频率、电压、相位计算3对互补的PWM控制信号控制IGBT全桥驱动模块，驱动三相IGBT桥将直流母线电压逆变为三相交流电压；
所述电压空间矢量法算法采用定子电压正交坐标系的α-β轴电压分量为输入来计算3相PWM的占空比，SPWM波形的生成方式为使电压矢量V在αβ坐标空间旋转，电压矢量V的模VM决定变频器输出电压的幅值，电压矢量旋转的转速决定变频器输出电压的频率，电压矢量的位置角度决定变频器输出电压的相位。
2.一种无滤波电容的三相变频器的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1）当变频器需要输出的电压低于直流电压的峰谷时，采用V/F恒定的恒磁通变频控制法控制变频器工作；
2）当变频器需要输出的电压高于直流电压的峰谷时，采用恒定输出电压在直流电压的峰谷，频率变化的控制方法控制变频器工作；
3）当变频器需要输出的频率达到工频后，根据电源同步信号采集电路捕捉到的电压过零时刻，使变频器输出的电压波形与交流电源同步；
在步骤1）和2）中，母线波纹采集电路用于采集三相整流桥电路输出的直流母线上的波纹电压，单片机在生成输出波形时，采用纹波消除算法，根据纹波电压实时调整生成电压幅值，以排除纹波扰动的影响，使得输出的三相电压波形为正弦波；
电压空间矢量法算法采用定子电压正交坐标系的α-β轴电压分量为输入来计算3相PWM的占空比，SPWM波形的生成方式为使电压矢量V在αβ坐标空间旋转，电压矢量V的模VM决定变频器输出电压的幅值，电压矢量旋转的转速决定变频器输出电压的频率，电压矢量的位置角度决定变频器输出电压的相位。
3.根据权利要求2所述的无滤波电容的三相变频器的控制方法，其特征在于：在步骤3）中，首先电压经电源同步信号采集电路进行过零检测，过零点正好对应直流母线电压最低点，在变频器输出频率为50HZ时，单片机在每个过零点产生中断，在中断服务程序中调整生成波形的相位，使得输出电压波形与交流电源同步。
4.根据权利要求2所述的无滤波电容的三相变频器的控制方法，其特征在于：变频器采用电压空间矢量法根据所需交流电压的频率、电压、相位计算3对互补的PWM控制信号控制IGBT全桥驱动模块，驱动三相IGBT桥将直流母线电压逆变为三相交流电压。
5.根据权利要求3所述的无滤波电容的三相变频器的控制方法，其特征在于：电源同步信号采集电路目的是获取电源电压的相位，使得单片机可以在实时中断中不断调整输出电压波形相位来与交流电源同步，同步信号在三相电源线的不同线电压，相电压上采集电压过零点，或采用隔离变压器来采集电源线电压，相电压电压过零点。
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