CN108512482B - 一种双桥臂交直交变频电路及其控制方法 - Google Patents

一种双桥臂交直交变频电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双桥臂交直交变频电路及其控制方法，本发明的三相交流电源的A相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相连接。该拓扑结构下，将输入的三相电压中的C相作为参考点，输入电压为UAC、UBC，其中电压相位相差60°，输出电压为UU、UV，其中电压相位相差120°。本发明的双桥臂交直交变频电路所采用的功率开关器件较少，此拓扑结构减少了变频器的体积和重量，并且降低了成本，控制方法选用双极性的正弦波脉宽调制可以实现变频电路高效率工作。

Description

一种双桥臂交直交变频电路及其控制方法
技术领域
本发明属于交直交变频器技术领域，特别涉及一种双桥臂交直交变频电路及其控制方法。
背景技术
目前，交直交变频器是针对交流电机的一种有效调速装置和技术。常用交直交变频电路的主要功能是将输入的三相交流电经过变频器的三相整流桥转换成直流电，经过中间部分的电容滤波，将直流电经过变频器的三相逆变桥转换成交流电。
但上述的变频电路有如下缺点：整流桥和逆变桥采用的功率开关器件较多，不仅使得变频电路体积和重量庞大，而且使得变频器的成本变高。因此，综合考虑到三相交直交变频电路的原理和缺陷，为使交直交变频电路中的功率开关器件减少，采用双桥臂的交直交变频电路，同样可以实现对电机高效率的变频调速，并且可靠性高、体积小、成本低。
发明内容
为解决上诉问题，本发明提供了一种双桥臂交直交变频电路及其控制方法。本发明的双桥臂交直交变频电路所采用的功率开关器件较少，此拓扑结构减少了变频器的体积和重量，并且降低了成本，控制方法选用双极性的正弦波脉宽调制可以实现变频电路高效率工作。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种双桥臂交直交变频电路，三相交流电源的A相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相相连接；
所述的双桥臂交直交变频电路包括双桥臂整流桥、电容C、双桥臂逆变桥和控制器；双桥臂整流桥的出线端与双桥臂逆变桥的进线端通过直流母线相连接，所述的电容C并联在直流母线上；电容C两端的直流母线侧设有电压传感器，电压传感器检测直流母线的电压信号，再将采集到的电压信号通过A/D转换成数字信号反馈给控制器；
所述的控制器与双桥臂逆变桥连接。
所述的双桥臂整流桥由4个二极管构成，其中二极管VD1和二极管VD2构成一组上下桥臂，二极管VD3和二极管VD4构成另一组上下桥臂。
双桥臂逆变桥由4个并联续流二极管的IGBT功率开关器件构成，IGBT管V1与IGBT管V2构成一组上下桥臂，IGBT管V3与IGBT管V4构成另一组上下桥臂；四个功率开关管均与控制器连接。
每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度相差120°。
所述的双桥臂整流桥的输入端A相、B相以三相交流电的C相为参考点，两个输入电压为UAC、UBC，电压相位相差60°。
所述的双桥臂逆变桥的输出端U相、V相的两个电压UU、UV作为输出电压，电压相位相差120°。
一种双桥臂交直交变频电路的控制方法，包括以下步骤：控制器采用正弦波作为调制波，三角波作为载波，产生的PWM信号控制双桥臂逆变桥的四个IGBT管，通过改变矩形脉冲的宽度控制逆变单元输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在双桥臂逆变电路部分同时输出电压幅值和频率的控制。
具体包括以下步骤：
对于双桥臂交直交变频电路中的逆变桥，U、V两相的PWM控制共用一个三角形载波Uc，U、V两相的正弦调制信号Uru、Urv依次相差120°，U、V两相IGBT管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制四个IGBT管的通断；具体为：
对于U相来说，当Uru>Uc时，给IGBT管V1以导通信号，给IGBT管V2以关断信号，得U相的电压；IGBT管V1和IGBT管V2的驱动信号始终是互补的，当给IGBT管V1加导通信号时，IGBT管V1导通或者并联的二极管VD5续流导通；当给IGBT管V2加导通信号时，IGBT管V2导通或者并联的二极管VD6续流导通；
对于V相来说，当Urv>Uc时，给IGBT管V3以导通信号，给IGBT管V4以关断信号，这时得V相的电压；IGBT管V3和IGBT管V4的驱动信号始终是互补的，当给IGBT管V3加导通信号时，IGBT管V3导通或者并联的二极管VD7续流导通；当给IGBT管V4加导通信号时，IGBT管V4导通，或者并联的二极管VD8续流导通。
相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：
本发明采用双桥臂交直交变频电路来实现调压、调频，将三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相相连接，且以三相交流电的C相为参考点，在获得同样旋转磁场时，只需要给交流电机的U、V两相绕组提供相位相差60°的交流电即可，因此只需要对三相交流异步电机的U、V两相进行变频调压，本发明所设计的一种双桥臂交直交变频电路可以减少功率开关器件的使用，达到使用效果的同时，也降低了成本。
附图说明
图1为一种双桥臂交直交变频电路图；
图2为双桥臂交直交变频电路整流桥的输出电压波形图；
图3为双桥臂变频电路直流母线并联电容后的直流母线电压波形图；
图4双桥臂交直交变频电路逆变桥的输出电压波形图；
图5双桥臂电压型逆变电路的输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明一种双桥臂交直交变频电路，包括双桥臂整流桥、电容C、双桥臂逆变桥和控制器；三相交流电源的A相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相直接相连接。双桥臂整流桥的输入端A相、B相以三相交流电的C相为参考点，两个输入电压为UAC、UBC，相位相差60°；双桥臂整流桥的出线端与双桥臂逆变桥的进线端通过直流母线连接，电容C并联在直流母线上；双桥臂逆变桥的输出端U相、V相的两个电压UU、UV作为输出电压，相位相差120°。
在整体结构上，保留常用变频电路的整流部分、中间部分电容C、逆变部分的电路结构拓扑。
整流电路和逆变电路采用双桥臂结构，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相相连接，通过双桥臂不可控整流桥将电网的交流电压转换为直流电压，再将直流母线的电压通过双桥臂逆变桥转换为幅值、频率、相位可调的交流电压，同样地以交直交变频的方式给异步电动机供电，并进行变频调速和软起动控制等。
如图2所示，双桥臂整流桥的输入端A相、B相以三相交流电的C相为参考点，UAC、UBC作为双桥臂整流桥的输入电压，相位相差60°。当UAC电压>UBC电压时，二极管VD1和VD4导通；当UAC电压<UBC电压时,二极管VD3和二极管VD2导通；得到的直流电压经过与直流母线并联的大电容，得到较稳定的直流电压。这里在双桥臂整流电路和双桥臂逆变电路中间的大电容，具有很好的滤波作用，当电压交变时，由于电容的充放电作用，两端的电压不能突变，就保证了电压的平稳。所谓大电容是指由于现有变频器的工作原理，电容的作用是滤波，电机功率越大，其容量越大，通常的配置是大约1KW功率配置1000微法的电容，因此数千微法的电容配置是变频器的基本选项。
如图3所示，是没有加大电容，双桥臂整流桥的输出电压脉动大，经过双桥臂整流部分和大电容部分，得到的直流电压Ud，如图4所示，电压脉动小，将直流母线上的电压Ud作为双桥臂逆变电路的输入电压。
进一步的，双桥臂逆变桥由三相电压型逆变电路的其中两相组成，采用IGBT作为开关器件，双桥臂逆变电路的基本工作方式仍采用180°导电方式，每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度相差120°。
下面分析双桥臂电压型逆变电路的工作过程，如图5所示，得到U、V两相的输出电压Uu、Uv：
对于U相来说，当IGBT管V1导通时，Uu的电压为Ud,当IGBT管V2导通时，Uu的电压为–Ud。
对于V相来说，当IGBT管V3导通时，Uv的电压为Ud,当IGBT管V4导通时，Uv的电压为–Ud。
一种双桥臂交直交变频电路的控制方法如下所示：
采取双极性的正弦脉宽调制，双极性的正弦脉宽调制原理为：调制信号Ur为正弦波，载波Uc在调制信号Ur的半个周期内为有正、有负的三角波，所以，所得的PWM波也是有正有负的，在调制信号Ur的一个周期内输出的PWM波只有±Ud两种电平，没有零电平。
对于双桥臂交直交变频电路中的逆变桥，U、V两相的PWM控制共用一个三角形载波Uc，U、V两相的正弦调制信号Uru、Urv依次相差120°，U、V两相IGBT管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制IGBT管V1、V2、V3、V4的通断。
对于U相来说，当Uru>Uc时，给IGBT管V1以导通信号，给IGBT管V2以关断信号，这时可得U相的电压。IGBT管V1和IGBT管V2的驱动信号始终是互补的，当给IGBT管V1加导通信号时，可能是V1导通，也可能是并联的二极管VD5续流导通；当给IGBT管V2加导通信号时，可能是V2导通，也可能是并联的二极管VD6续流导通。
对于V相来说，当Urv>Uc时，给IGBT管V3以导通信号，给IGBT管V4以关断信号，这时可得V相的电压。IGBT管V3和IGBT管V4的驱动信号始终是互补的，当给IGBT管V3加导通信号时，可能是V3导通，也可能是并联的二极管VD7续流导通；当给IGBT管V4加导通信号时，可能是V4导通，也可能是并联的二极管VD8续流导通。
进一步的，虽然同一相上下两个桥臂的PWM驱动信号是互补的，在实际中为了防止上下两个IGBT管直通而造成短路，在上下两个IGBT管通断切换时要留一小段上下两个IGBT管关断信号的死区时间。
总之，本发明一种双桥臂交直交变频电路及其控制方法，电路将采用普通的三相全桥整流电路的两个桥臂作为整流部分，采用普通三相电压型桥式逆变电路的两个桥臂作为逆变部分，中间部分采用大电解电容。本发明的三相交流电源的A相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相连接。该拓扑结构下，将输入的三相电压中的C相作为参考点，输入电压为UAC、UBC，其中电压相位相差60°，输出电压为UU、UV，其中电压相位相差120°。本发明的双桥臂交直交变频电路所采用的功率开关器件较少，此拓扑结构减少了变频器的体积和重量，并且降低了成本，控制方法选用双极性的正弦波脉宽调制可以实现变频电路高效率工作。
尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (6)

1.一种双桥臂交直交变频电路，其特征在于：三相交流电源的A相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相相连接；
所述的双桥臂交直交变频电路包括双桥臂整流桥、电容C、双桥臂逆变桥和控制器；双桥臂整流桥的出线端与双桥臂逆变桥的进线端通过直流母线相连接，所述的电容C并联在直流母线上；电容C两端的直流母线侧设有电压传感器，电压传感器检测直流母线的电压信号，再将采集到的电压信号通过A/D转换成数字信号反馈给控制器；
所述的控制器与双桥臂逆变桥连接；
所述的双桥臂整流桥由4个二极管构成，其中二极管VD1和二极管VD2构成一组上下桥臂，二极管VD3和二极管VD4构成另一组上下桥臂；
双桥臂逆变桥由4个并联续流二极管的IGBT功率开关器件构成，IGBT管V1与IGBT管V2构成一组上下桥臂，IGBT管V3与IGBT管V4构成另一组上下桥臂；四个功率开关管均与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种双桥臂交直交变频电路，其特征在于：每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度相差120°。
3.根据权利要求1所述的一种双桥臂交直交变频电路，其特征在于：所述的双桥臂整流桥的输入端A相、B相以三相交流电的C相为参考点，两个输入电压为UAC、UBC，电压相位相差60°。
4.根据权利要求1所述的一种双桥臂交直交变频电路，其特征在于：所述的双桥臂逆变桥的输出端U相、V相的两个电压UU、UV作为输出电压，电压相位相差120°。
5.如权利要求1至4任意一项所述的双桥臂交直交变频电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：控制器采用正弦波作为调制波，三角波作为载波，产生的PWM信号控制双桥臂逆变桥的四个IGBT管，通过改变矩形脉冲的宽度控制逆变单元输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在双桥臂逆变电路部分同时输出电压幅值和频率的控制。
6.根据权利要求5所述的双桥臂交直交变频电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对于双桥臂交直交变频电路中的逆变桥，U、V两相的PWM控制共用一个三角形载波Uc，U、V两相的正弦调制信号Uru、Urv依次相差120°，U、V两相IGBT管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制四个IGBT管的通断；具体为：
对于U相来说，当Uru>Uc时，给IGBT管V1以导通信号，给IGBT管V2以关断信号，得U相的电压；IGBT管V1和IGBT管V2的驱动信号始终是互补的，当给IGBT管V1加导通信号时，IGBT管V1导通或者并联的二极管VD5续流导通；当给IGBT管V2加导通信号时，IGBT管V2导通或者并联的二极管VD6续流导通；
对于V相来说，当Urv>Uc时，给IGBT管V3以导通信号，给IGBT管V4以关断信号，这时得V相的电压；IGBT管V3和IGBT管V4的驱动信号始终是互补的，当给IGBT管V3加导通信号时，IGBT管V3导通或者并联的二极管VD7续流导通；当给IGBT管V4加导通信号时，IGBT管V4导通，或者并联的二极管VD8续流导通。
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