CN110120755B - 逆变器控制设备 - Google Patents

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Abstract

设置逆变器控制设备。所述设备被配置为：确定与经修改电压相对应的相电压的基波幅度；对相电压的基波幅度与参考电压的幅度之间的误差执行比例积分(PI)操作，并输出补偿电压；被配置为：将补偿电压添加到参考电压以获得输出；并且对输出进行过调制并输出经过调制的输出作为经修改电压。

Description

逆变器控制设备
技术领域
本公开涉及逆变器控制设备。
背景技术
通常，逆变器是将DC电力转换为AC的设备。工业中使用的逆变器接收从商用电源供应的电力并改变电力的电压和频率以向电动机提供可变电压和频率，从而高效地控制电动机的速度。
逆变器广泛用于需要变速操作的系统中。在基于功率半导体的各种应用领域中实现了各种配置。输出电压的电平数量或幅度(magnitude)以及电压合成方法可以基于配置而变化。根据用户要求实现各种逆变器配置。
在工业逆变器中，通常使用三相半桥逆变器。三相半桥逆变器具有三个单相半桥逆变器并联连接的结构，其中每个半桥可以被称为作为构成逆变器的基本电路的极(pole)、臂或腿。
在使用恒定DC级电压Vdc的逆变器中，基于调制方案来限制可以线性输出的电压的偏移量。例如，使用正弦脉宽调制(SPWM)＝Vdc/2的线性电压调制区域。使用空间矢量
Figure BDA0001771925930000011
的线性电压调制区域。超出线性电压调制区域的操作区域被称为过调制区域。
在过调制区域中，生成小于参考电压的输出电压。因此，与参考电压相关的输出电压的线性被破坏。因此，输出电压的谐波增加。整个系统的性能下降。在一些情况下，在超出线性调制区域的区域中需要操作。为此，这要求使用适当的过调制技术来修改用于参考电压的输出电压。
在传统的过调制技术的情况下，需要预先离线计算的数据。此外，由于表格或三角函数必须用于过调制，因此逆变器控制器必须使用过多的存储器容量。过调制所需的时间过长。
发明内容
本公开提供一种逆变器控制设备，其具有简化的结构，使用较小的存储器容量并因此减少总的过调制定时。
本公开的目的不限于上述目的。如上未提及的本公开的其它目的和优点可以从以下描述中理解，并从本公开的实施例中更清楚地理解。此外，将容易理解的是，本公开的目的和优点可以通过如权利要求中所公开的特征及其组合来实现。
在一个方面中，本公开提供了一种逆变器控制设备，其被配置为将基于矢量的参考电压修改为基于矢量的经修改电压，并且被配置为将基于矢量的经修改电压提供到包括多个切换元件的逆变器单元，其中逆变器控制设备包括：确定单元，其被配置为确定与经修改电压相对应的相电压的基波幅度；比例积分(PI)控制单元，其被配置为对相电压的基波幅度与参考电压的幅度之间的误差执行比例积分(PI)操作，并被配置为输出补偿电压；第一加法器，其被配置为将补偿电压添加到参考电压；以及过调制单元，其被配置为对第一加法器的输出进行过调制，并被配置为输出经过调制的输出作为经修改电压。
根据本公开，PI控制器可以用作闭环控制方案以控制输出电压的基波。因此，不需要表格来定义保持经修改电压的角和幅度。由于也不要求计算三角函数，因此可以简化对逆变器控制设备的配置。此外，可以确保设备的控制稳定性。
将结合对用于实施本发明的具体细节的说明来描述本公开的其它具体效果以及如上所述的效果。
附图说明
图1是典型的三相逆变器系统的一个实施例。
图2示出了图1的逆变器和输出电压合成单元的ab输入-输出关系的示例。
图3示出了线性电压调制区域和输出电压限制线的示例。
图4示出了用于过调制的示例。
图5和图6是示出了根据参考电压的幅度的经修改电压的幅度和相位的变化的曲线图。
图7是包括根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备的逆变器系统的配置图。
图8示出了根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备的配置。
图9是示出了由于过调制单元的过调制而引起电压矢量的变化的示例。
图10是示出了图8的过调制单元的另一实施例的配置图。
图11示出了相电压幅度确定单元的详细配置。
具体实施方式
以下进一步说明和描述了各种实施方案的示例。将理解的是，本文的描述不意图将权利要求限制于所描述的特定实施例。相反，其意图覆盖如可包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替代、修改以及等同物。
不同图中的相同参考数字表示相同或类似的元件，并因而执行类似的功能。此外，为了简化描述，省略了众所周知的步骤和元件的描述和细节。此外，在本公开的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，将理解的是，在没有这些具体细节的情况下可以实践本公开。在其它情况下，众所周知的方法、过程、组件以及电路还未被详细描述，以免不必要地模糊本公开的方面。
将理解的是，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或区部，但是这些元件、组件、区域、层和/或区部不应受这些术语的限制。这些术语用于将一个元件、组件、区域、层或区部与另一个元件、组件、区域、层或区部区分开。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，下面描述的第一元件、组件、区域、层或区部可以被称为第二元件、组件、区域、层或区部。
将理解的是，当元件或层被称为“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可以直接在其它元件或层上、连接到或耦合到其它元件或层，或者可能存在一个或多个的中间(intervening)元件或层。另外，还将理解的是，当元件或层被称为在两个元件或层“之间”时，它可以是两个元件或层之间的唯一元件或层，或者也可能存在一个或多个中间元件或层。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”和“一个”也意图包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”指定所述特征，整数、操作、元件、和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、操作、元件、组件和/或其部分的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。当在元素列表之前时，诸如“至少一个”的表达可以修改元素的整个列表，并且可以不修改列表的各个元素。
除非另外定义，否则本文所使用的包括技术和科学术语的所有术语具有与本发明构思所属领域的普通技术人员中的一个通常理解相同的含义。将进一步理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语的术语应当被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于形式感来解释，除非本文明确定义。
在下文中，将参考图1至6来描述执行传统过调制的逆变器控制设备。参考图7至11，将描述根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备。
图1示出了典型的三相逆变器系统的一个实施例。
如图所示，逆变器100包括DC电源110、逆变器单元120以及输出电压合成单元130。逆变器还可以向感应电动机200提供电力。
DC电源110是DC级电力，其可以包括电容器或电池，并且可以维持恒定电压。逆变器单元120包括多个三相开关。逆变器单元120的三相开关可以将DC电压转换为AC电压。也可以通过接通/关断三相开关来控制输出电压。
输出电压合成单元130输出脉宽调制(PWM)的门信号，并且可以确定相对于参考电压Vdc的输出电压。
逆变器100接收DC电源110的直流(DC)电力输入Vdc，并且然后将三相交流(AC)输出电压Van、Vbn以及Vcn作为三相负载输出到感应电动机200。可以基于逆变器单元120的三相开关的接通/断开来确定三相交流(AC)输出电压。具有每相的开关组包括串联连接的两个开关。每个相位彼此独立操作。因此，相电压产生输出电压。可以控制三相的输出电压以具有相对于彼此的120度的相位差。
图2示出了图1的逆变器单元120和输出电压合成单元130的输入/输出关系的示例。
输出电压合成单元130可以接收参考电压VRef并修改参考电压矢量。在线性电压调制区域中，参考电压VRef和经修改电压VModRef相同。在过调制区域中，输出具有经修改幅度和经修改相位的电压VModRef。也就是说，输出电压合成单元130可以输出与参考电压VRef对应的经修改电压VModRef。
逆变器单元120可以基于经修改电压VModRef经由多个切换元件的切换来合成输出电压Vout。
图3示出了线性电压调制区域和输出电压限制线的示例。3A指示输出电压限制线，而3B表示线性电压调制区域。
输出电压限制线3A表示三相逆变器可以输出的电压的区域。线性电压调制区域3B表示电压区域，在该电压区域中，不管参考电压矢量的相位如何，都可以合成与参考电压相同的输出电压。
图3的输出电压限制线3A与用于图1的三相半桥逆变器的输出电压限制线对应。限制线的幅度和形状可以基于拓扑结构而变化。输出电压限制线3A的幅度由DC级电压Vdc确定。其最大输出电压为2/3Vdc。
在图3中，参考电压3C位于线性电压调制区域3B内，使得参考电压和经修改电压相同。逆变器100可以合成对应于参考电压的输出电压。也就是说，线性电压调制区域3B内的对应参考电压不要求过调制。
图4示出了过调制的示例。4A表示一个周期的参考电压的移动路径。4B是与由于过调制现象而引起的参考电压和输出电压之间的误差相对应的区域。4C是可以合成大于参考电压的电压的输出电压区域。
参考图4，参考电压4D位于如图3所示的线性电压调制区域3B的外部。因此，可以禁止合成对应于参考电压的输出电压。用于对应参考电压的电压幅度减小到输出电压限制线3A。也就是说，输出电压合成单元130可以将参考电压修改为经修改电压4E，使得一个周期的参考电压的平均值等于输出电压的平均值。输出电压合成单元130可以合成来自经修改电压4E的输出电压。
换句话说，区域4C中的电压补充了区域4B中的不足输出电压。以这种方式，用于参考电压4D和输出电压之间的单个周期的平均值可以保持相同。因此，可以增加参考电压和输出电压瞬时不同但平均相同的线性区域。在过调制区域中，可以基于参考电压的幅度经由过调制技术来确定经修改电压的幅度和相位。
图5和图6是示出了基于参考电压的幅度的经修改电压的幅度和相位的变化的曲线图。
在图5中，调制指数(MI)是逆变器最大输出电压的幅度与参考电压的幅度之比。在三相半桥逆变器中，输出电压的最大基波幅度为2Vdc/π。
图5示出了基于参考电压的幅度和相位角αRef的保持角αh。下面的等式1示出了基于保持角的经修改电压的相位角αModRef。
[等式1]
Figure BDA0001771925930000071
在这方面，
αModRef是经修改电压的相位角；
αRef是参考电压的相位角；
αh是保持角；
当参考电压的相位角小于保持角的相位角时，输出电压的相位可以是固定的。
图5示出了基于MI的保持角的变化。可以使用表格或三角函数来表示基于MI的相位变化。当使用表格时，内存使用增加。当使用三角函数时，执行定时增加。此外，图5中的保持角是用于一个区部的值。在这方面，每个区部应该被识别并适当使用。如从等式1可以看出的，经修改电压在顶点附近维持0或π/3的恒定相位角。
图6示出了基于图5的保持角的经修改电压的幅度和相位的变化。图6示出了图4中的a轴附近的电压区域。
-(a)：在参考电压的相位小于保持角的操作区域中，将参考电压调整到与输出电压限制线3A的六边形的顶点对应的电压。
-(b)至(e)：当参考电压的相位显著增加到高于保持角时，可以沿输出电压限制线3A的六边形的侧面来调整参考电压。电压幅度受输出电压限制线3A的六边形的限制，而相位由上述等式1中的αModRef确定。
如图6所示，参考电压和经修改电压的幅度和相位是不同的。在高于π/6角的操作区域中的操作和在低于π/6角的操作区域中的操作可以关于π/6角对称。
在如上所述的传统过调制技术中，应该预先离线计算数据，使用表格可以允许使用控制设备的存储器，或者可替选地，使用三角函数可以允许执行时间增加。
根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备可以使用具有闭环控制方案的比例积分(PI)控制器，从而简化其结构并且在不要求存储器的情况下减少执行时间。
图7示出了包括根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备的逆变器系统的整体配置。图8示出了根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备的配置。
参考图7，根据本公开的一个实施例的逆变器系统可以包括：整流器2，用于从诸如商用电源的交流(AC)电源1接收电力，并且用于对接收到的电力进行整流；平滑单元3，用于对来自整流器2的输出电压进行平滑；逆变器4，用于将来自平滑单元3的经平滑电压转换为具有目标频率和电压的交流(AC)电压；以及根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备6，其中该设备6可以将用于驱动电动机5的信息递送到逆变器4。
根据本公开的一个实施例的逆变器控制设备6接收由参考电压生成单元7生成的参考电压。逆变器控制设备6可以包括过调制单元10、比例积分(PI)控制单元20、相电压幅度确定单元30以及加法器40。
参考电压生成单元7接收作为反馈的逆变器控制设备6的输出电压，并基于反馈对从上级控制设备(未示出)施加的参考电压进行修改，从而生成朝向控制设备6的参考电压。另外，参考电压可以从上级控制设备(未示出)被直接施加到控制设备6。该后者配置与本公开的一个实施例的示例无关，并且将省略其详细说明。
从参考电压生成单元7输出到控制设备6的参考电压具有矢量格式。如图8所示，参考电压的幅度是VRef，而参考电压的相位是αRef。
根据本公开的控制设备6在保持切换状态的同时，经由过调制方案对过调制操作区域中的参考电压的幅度VRef和相位αRef进行调整。这产生并输出具有矢量格式的经修改电压。后者(也就是，经修改电压)幅度是VOVM，并且后者相位是αOVM。以这种方式，可以将经修改电压提供到逆变器4，使得逆变器4合成输出电压。
相电压幅度确定单元30可以计算与经修改电压对应的相电压的基波幅度。下面将举例说明其详细示例。
比例积分(PI)控制单元20接收由相电压幅度确定单元30确定的经修改电压的基波幅度的幅度与参考电压的幅度之间的误差。控制单元20对该误差执行比例积分(PI)操作，从而输出补偿电压Vcomp。通常，PI控制单元在参考输入和输出结果之间的误差信号进行积分，并输出比例积分(PI)控制的误差值。PI控制单元20的详细配置已经是众所周知的，并且将省略其详细描述。
加法器40可以将补偿电压Vcomp添加到参考电压以生成总和并将总和输入到过调制单元10。也就是，加法器40可以增加过调制单元10的输入电压的幅度，以使参考电压的幅度与经修改电压的基波的幅度相匹配。在这方面，参考电压具有矢量格式，因此在可以不改变地输出参考电压的相位αRef的同时，标量形式的补偿电压可以被添加到参考电压的幅度VRef。
过调制单元10可以修改参考矢量，以便最大化切换状态并输出经修改矢量。然而，当参考电压位于如图3所示的线性电压调制区域3B外部并且对应于参考电压的输出电压的合成不可能时，过调制单元10通过对参考电压进行过调制来输出经修改矢量。当参考电压位于如图3所示的线性电压调制区域3B内部时，可以不执行过调制单元10的操作，但是可以将参考矢量输出到逆变器4。这已经如上所述。
图9是用于说明由于过调制单元10的过调制而引起的电压矢量的变化的示例。在图9的示例中，参考电压矢量被标记为VasRef和VbsRef。这是为了简化绘图符号。如上所述，如从PI控制单元20输出的补偿电压矢量将被添加到参考电压矢量。
过调制单元10可以修改参考电压矢量，以便尽可能地维持逆变器4的切换元件的切换状态。如图所示，当参考电压矢量位于类似VasRef时，可以将VasRef修改为VanOVM以启用参考电压矢量。
在这方面，用于VasRef矢量的有效矢量应用时间是T1_a和T2_a。然而，T1_a和T2_a的总和大于单个切换周期Tsamp。因此，必须修改用于VasRef矢量的有效矢量应用时间。
在本公开的一个实施例中，过调制单元10在不改变T1_a和T2_a中的较大者的同时，修改T1_a和T2_a中的较小者，使得经修改电压矢量位于输出电压限制线3A上。因此，T1_a可以保持不变，而T2_a可以减少到T'2_a。该原理同样适用于参考电压矢量VbsRef的情况。也就是说，用于经修改电压矢量的有效矢量应用时间可以由以下等式2表示：
[等式2]
如果
Figure BDA0001771925930000101
如果
Figure BDA0001771925930000102
如上所述，在通过对用于参考电压矢量的有效矢量应用时间进行限制来确定经修改电压矢量的方法中，参考电压矢量越大，经修改电压矢量可以被确定为输出电压限制线3A的顶点。因此。这可以切换到六步模式(输出电压矢量仅输出输出电压限制线3A的顶点的模式)。在该六步模式中，逆变器的输出电压的基波分量可以尽可能完整地使用。
根据本公开的一个实施例的过调制单元10对有效矢量应用时间进行限制的一个示例已经被提出作为用于输出经修改电压矢量的方案的示例。本公开不限于此。
图10是说明了图8的过调制单元的另一实施例的配置图。
如图所示，根据本公开的另一实施例的过调制单元10可以包括最大值确定单元11、中间值确定单元12、最小值确定单元13、偏移量确定单元14、加法器15a，15b和15c、以及限制单元16a，16b和16c。然而，在图10的示例中，输入也被指示为参考电压，但这仅仅是为了简化图示符号。具体地，可以将如从PI控制单元20输出的补偿电压添加到参考电压矢量。这已经被描述过了。
最大值确定单元11确定三相参考电压中的幅度的最大值。中间值确定单元12确定三相参考电压中的幅度的中间值。最小值确定单元13确定三相参考电压中的最小幅度。偏移量确定单元14可以使用以下等式通过最大值、中间值以及最小值来确定偏移量：
[等式3]
如果(Vmax-Vmin＞Vmid-Vmin)，
Figure BDA0001771925930000111
如果(Vmax-Vmin≤Vmid-Vmin)，
Figure BDA0001771925930000112
在这方面，Vmax是指最大值，Vmid是指中间值，Vmin是指最小值；
Vdc是指平滑单元3的DC级电压；
Vshift是指偏移量。
所确定的偏移量可以通过加法器15a、15b和15c被添加到具有每个相位的参考电压，并且因此生成总和。如果限制单元16a、16b和16c将总和限制在预先确定的范围，则可以输出经修改电压。
在本公开的一个实施例中，相电压幅度确定单元30将过调制单元10的输出转换为相电压，并且然后确定相电压的幅度，并且然后可以将相同的相电压幅度提供到PI控制单元20。
图11示出了图8的相电压幅度确定单元30的详细配置。
如图所示，根据本公开的一个实施例的相电压幅度确定单元30可以包括相电压确定单元31、幅度确定单元32以及滤波器33。由于过调制单元10的输出是极性电压，所以相电压确定单元31可以将极性电压转换为相电压。
通常，电动机的相电压与逆变器的极性电压之间的关系如下。
[等式4]
van＝vas+vsn
vbn＝vbs+vsn
vcn＝vcs+vsn
在这方面，vas、vbs以及vcs分别指示三相负载(例如，电动机5)的相电压；van、vbn以及vcn分别指示逆变器的极性电压。后者对应于图11中的输入。vsn是指偏移电压。偏移电压可以指示逆变器的中性点电压与三相负载的中性点电压之间的差值。也就是说，根据等式4，极性电压可以是相电压和偏移电压的总和。即使当三相平衡处的正弦波用作相电压时，极性电压也可以基于偏移电压而变化。
根据以上等式4，如下面的等式5可以获得偏移电压。相电压可以由以下等式6表示：
[等式5]
Figure BDA0001771925930000121
[等式6]
vas＝van-vsn
vbs＝vbn-vsn
vcs＝vcn-vsn
因此，根据本公开的相电压确定单元31可以使用上面的等式5和等式6根据经修改电压矢量来计算输出相电压矢量。
幅度确定单元32可以根据输出相电压矢量来确定相电压的幅度。然而，由于经计算的相电压包含谐波分量，因此可能不知道确切的基波分量。特别地，六次谐波分量的影响很大。
因此，滤波器33可以从幅度确定单元32的输出中去除谐波分量。滤波器33可以被体现为带阻滤波器或者可替选地体现为低通滤波器。当滤波器33是带阻滤波器时，中心频率可以对应于相电压的六次谐波。当滤波器33是低通滤波器时，截止频率可以对应于低于六次谐波的频率。
以这种方式，去除谐波分量。特别地，可以从PI控制单元20的输入中去除过调制区域中的谐波分量，使得可以可靠地控制经修改电压的基波分量。
根据本公开，PI控制器用作闭环控制方案以控制输出电压的基波。因此，不需要表格来定义保持角和经修改电压的幅度。由于也不需要计算三角函数，因此可以简化逆变器控制设备的配置。此外，可以确保设备的控制稳定性。
在以上描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下，可以实践本公开。上面已经说明和描述了各种实施例的示例。将理解的是，本文的描述并不意图将权利要求限制在所描述的特定实施例。相反，意图是覆盖如可以包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替代、修改以及等同物。

Claims (7)

1.一种逆变器控制设备，其被配置为：将基于矢量的参考电压修改为基于矢量的经修改电压，并将基于矢量的经修改电压提供到包括多个切换元件的逆变器单元，其中所述逆变器控制设备包括：
确定单元，其被配置为确定与经修改电压相对应的相电压的基波幅度；
比例积分控制单元，其被配置为对相电压的基波幅度与参考电压的幅度之间的误差执行比例积分操作，并被配置为输出补偿电压；
第一加法器，其被配置为将所述补偿电压添加到所述参考电压；以及
过调制单元，其被配置为对所述第一加法器的输出进行过调制，并被配置为输出经过调制的输出作为经修改电压。
2.根据权利要求1所述的逆变器控制设备，其中，所述确定单元包括：
相电压确定单元，用于根据经修改电压来确定基于矢量的三相电压的每个相电压；
幅度确定单元，用于确定每个相电压的幅度；以及
滤波器，用于从所述相电压的幅度中去除谐波分量，并用于输出具有基波幅度的相电压。
3.根据权利要求2所述的逆变器控制设备，其中，所述滤波器包括带阻滤波器，其中所述带阻滤波器的中心频率是相电压矢量的六次谐波。
4.根据权利要求2所述的逆变器控制设备，其中，所述滤波器包括低通滤波器，其中所述低通滤波器的截止频率被选择为低于所述相电压矢量的六次谐波的频率。
5.根据权利要求1所述的逆变器控制设备，其中，所述过调制单元被配置为维持用于基于矢量的输入的两个有效矢量应用时间中较大的一个有效矢量应用时间，同时根据采样周期对两个有效矢量应用时间中较小的一个有效矢量应用时间进行修改，使得经修改电压被定位在输出电压限制线上。
6.根据权利要求1所述的逆变器控制设备，其中，所述过调制单元包括：
最大值确定单元，用于确定三相参考电压的三相电压中的幅度的最大值；
中间值确定单元，用于确定所述三相参考电压的三相电压中的幅度的中间值；
最小值确定单元，用于确定所述三相参考电压的三相电压中的幅度的最小值；
偏移量确定单元，用于使用最大值、中间值和最小值以及逆变器的直流级电压来确定偏移量；以及
第二加法器，用于将所述偏移量分别添加到所述三相参考电压的三相电压。
7.根据权利要求6所述的逆变器控制设备，其中，所述过调制单元还包括限制单元，其用于将所述第二加法器的输出限制到预先确定的范围。
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