CN110768540A - 一种三相电机的两相控制调速装置及控制方法 - Google Patents

一种三相电机的两相控制调速装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相电机的两相控制调速装置及其控制方法，调速装置包括整流桥、两个相同容量的电容C、逆变桥和控制器；所述整流桥作为整流部分，逆变桥作为逆变部分，整流桥的出线端与逆变桥的进线端通过直流母线相连接；三相交流电的两相逆变输出分别对应于电机的U相和V相，两个电容C的中点对应电机的W相；所述两个电容C先串联再并联在直流母线端，以两个电容C的中点作为参考点与电源的C相以及变频输出的W相相连接。本发明的三相电机的两相控制调速装置所采用的功率开关器件数量比传统变频电路节省三分之一，减少了变频器的体积和重量，并且降低了成本，控制方法选用单极性的正弦波脉宽调制可以实现变频电路高效率工作。

Description

一种三相电机的两相控制调速装置及控制方法
技术领域
本发明属于交直交变频器技术领域，特别涉及三相电机的两相控制调速装置及控制方法。
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，采用三相电机的两相控制调速装置，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
为解决上述整流桥和逆变桥采用的功率开关器件较多的问题，本发明提供了一种三相电机的两相控制调速装置及控制方法。本发明的一种三相电机的两相控制调速装置所采用的功率开关器件数量比传统变频电路节省三分之一，减少了变频器的体积和重量，并且降低了成本，控制方法选用正弦波脉宽调制可以实现变频电路高效率工作。
本发明采取以下的技术内容：
一种三相电机的两相控制调速装置，包括整流桥、两个相同容量的电容C、逆变桥和控制器；
所述整流桥作为整流部分，逆变桥作为逆变部分，整流桥的出线端与逆变桥的进线端通过直流母线相连接；三相交流电的两相逆变输出分别对应于电机的U相和V相，两个电容C的中点对应电机的W相；
所述两个电容C先串联再并联在直流母线端，以两个电容C的中点作为参考点与电源的C相以及变频输出的W相相连接；
所述单相桥式整流的输入端A相、B相以三相交流电的C相为参考点，两个输入电压UAC、UBC相位相差60°；所述的单相全桥逆变的输出端U相、V相相对于W相的两个电压UUW、UVW作为输出电压，电压相位相差60°；
所述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。
所述整流桥采用单相不可控整流桥，是由4个二极管构成的单相不可控整流电路，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。
所述逆变桥采用四桥臂逆变桥，是由4个并联续流二极管的功率开关器件构成，功率开关管V1与功率开关管V2构成一组上下桥臂，功率开关管V3与功率开关管V4构成另一组上下桥臂。
所述功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3与功率开关管V4均与控制器电连接。
一种基于所述的三相电机的两相控制调速装置的控制方法，包括以下步骤：
控制器采用正弦脉冲宽度调制控制，以正弦波作为调制波，三角波作为载波，产生的PWM信号控制V1、V2、V3、V4四个功率开关管；
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，通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变电路部分同时输出电压幅值和频率的控制。
进一步，具体包括以下步骤：
对于三相电机的两相控制调速装置中的逆变桥，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60°；以W相为参考相时逆变桥就能输出相差60°的UUW、UVW电压，U、V两相开关管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制开关管V1、V2、V3、V4的通断；
对于U相，当Uru>Uc时，给开关管V1以导通信号，给开关管V2以关断信号，得UW两相间的电压；当给开关管V1加导通信号时，V1导通或并联的二极管VD5续流导通；当给开关管V2加导通信号时，V2导通或是并联的二极管VD6续流导通；
对于V相，当Urv>Uc时，给开关管V3以导通信号，给开关管V4以关断信号，得VW两相间的电压；当给开关管V3加导通信号时，V3导通或是并联的二极管VD7续流导通；当给开关管V4加导通信号时，V4导通或是并联的二极管VD8续流导通。
所述上下两个桥臂的PWM驱动信号互补的，在上下两个开关管通断切换时预留一段上下两个开关管关断信号的死区时间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用一种三相电机的两相控制调速装置来实现调压、调频，相对于整流电路而言，以C相为参考的直流电压为U+和U-,相当于形成一个带中点的正负电源。相对于逆变输出而言，以串联电容的中点(交流电源的C相和电机的W相)为参考点，输出一个互差60度电角度的正弦波，与电源的三相供电原理一样，对电机而言形成一个实际的三相对称波形，并产生旋转磁场，驱动电机旋转。本发明的一种三相电机的两相控制调速装置所采用的功率开关器件数量比传统变频电路节省三分之一，减少了变频器的体积和重量，并且降低了成本，控制方法选用正弦波脉宽调制可以实现变频电路高效率工作。
本发明的控制方法采用正弦脉冲宽度调制技术，正弦波作为调制波，三角波作为载波，产生的PWM控制V1、V2、V3、V4四个功率开关管。通过改变矩形脉冲的宽度可以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，从而在四桥臂逆变电路部分可以同时输出电压幅值和频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。PWM控制能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。
附图说明
图1为一种三相电机的两相控制调速装置拓扑图；
图2为三相电机的两相控制调速装置直流母线正负端对参考相C相的电压波形图；
图3为三相电机的两相控制调速装置直流母线并联两个相同容量的电容C后直流母线正负端对参考相C相的电压波形图；
图4为三相电机的两相控制调速装置整流桥的输出电压波形图。
图5为三相电机的两相控制调速装置直流母线并联两个相同容量的电容C后直流母线电压波形图；
图6为三相电机的两相控制调速装置逆变桥相对于参考相W(C)相的输出电压波形图。
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，本发明三相电机的两相控制调速装置，包括单相不可控整流桥、两个相同容量的电容C、四桥臂逆变桥和控制器；这种调速装置将采用普通的单相不可控整流桥作为整流部分，采用四桥臂逆变桥作为逆变部分，不同的是直流母线端并联了两个相同容量的电容C，两个电容C先串联再并联在直流母线端，以两个电容C的中点作为参考点与电源的C相以及变频输出的W相相连接。本发明的两相逆变输出分别对应于电机的U相和V相，而上述的中点对应电机的W相。所述的单相桥式整流的输入端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°；所述的单相不可控整流桥的出线端与四桥臂逆变桥的进线端通过直流母线相连接，所述的两个电容C先串联然后并联在直流母线上；所述的单相全桥逆变的输出端U相、V相相对于W(C)相的两个电压UUW、UVW作为输出电压，电压相位相差60°。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。
进一步的，整流电路和逆变电路分别采用单相不可控整流桥和四桥臂逆变桥，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，且两个相同容量的电容C的中点O与三相交流电源的C相连接。通过两相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四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。
UAC、UBC作为单相不可控整流桥的输入电压，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，相对于参考相C相所得到的整流输出电压如图2所示；得到的直流电压经过与直流母线并联的两个相同容量的电容C，得到较稳定的直流电压，波形图如图3所示。这里在单相不可控整流桥和四桥臂逆变桥中间的两个串联的相同容量的电容C，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。如图4所示，是没有加两个相同容量的电容C，单相桥式整流电路的输出电压脉动大，当经过两个相同容量的电容C串联部分时，得到的直流电压Ud，如图5所示，两个电容C的容量越大，电压脉动越小，将直流母线上的电压Ud作为四桥臂逆变电路的输入电压。
进一步的，四桥臂逆变桥由三相电压型逆变电路的其中两相组成，采用全控型器件作为开关器件，四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，另外两相相对于参考相开始导电的角度相差60°。
下面分析四桥臂电压型逆变电路的工作过程，如图6所示，得到U、V两相的相对于参考相W的输出电压Uuw、Uvw：
对于U相来说，当开关管V1导通时，Uuw的电压为Vac，Vac即直流母线U+对参考点C相的电压，当开关管V2导通时，Uuw的电压为Vbc，Vbc即直流母线U—对参考点C相的电压。
对于V相来说，当开关管V3导通时，Uvw的电压为Vac,，Vac即直流母线U+对参考点C相的电压，当开关管V4导通时，Uvw的电压为Vbc，Vbc即直流母线U—对参考点C相的电压。
一种三相电机的两相控制调速装置的控制方法如下所示：
采取正弦脉宽调制的方法，即SPWM控制，选用正弦波作为控制方法中的调制波，三角载波作为载体，选择等腰三角波当作载波，其具有对称性的特点。二者相互作用，在正半周期内形成的交点作为开关管器件导通的时刻点，在负半周期内的交点为关断的时刻点，因此产生了具有正弦波变化规律的PWM方波，称为SPWM。
对于三相电机的两相控制调速装置中的逆变桥，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60°，这样以W相为参考相时逆变桥就能输出相差60°的UUW、UVW电压，U、V两相开关管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制开关管V1、V2、V3、V4的通断。
对于U相来说，当Uru>Uc时，给开关管V1以导通信号，给开关管V2以关断信号，这时可得UW两相间的电压。开关管V1和开关管V2的驱动信号始终是互补的，当给开关管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；当给开关管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，给开关管V3以导通信号，给开关管V4以关断信号，这时可得VW两相间的电压。开关管V3和开关管V4的驱动信号始终是互补的，当给开关管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；当给开关管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开关管直通而造成短路，在上下两个开关管通断切换时要留一小段上下两个开关管关断信号的死区时间。
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。
本发明这种调速装置将采用普通的单相不可控整流电路作为整流部分，不同的是整流输出端增加了串联滤波电容的中点为参考点与电源的C相以及三相电机的W相参考点相连接。采用普通三相电压型全桥逆变电路的四个桥臂(单相全桥逆变电路)作为逆变部分，中间部分采用串联电解电容电路。本发明的两相逆变输出分别对应于电机的U相和V相，而上述的中点对应电机的W相。
相对于整流电路而言，以C相为参考的直流电压为U+和U-,相当于形成一个带中点的正负电源。相对于逆变输出而言，以串联电容的中点(交流电源的C相和电机的W相)为参考点，输出一个互差60度电角度的SPWM波，与电源的三相供电原理一样，对电机而言形成一个实际的三相对称波形，并产生旋转磁场，驱动电机旋转。本发明的三相电机的两相控制调速装置所采用的功率开关器件数量比传统变频电路节省三分之一，减少了变频器的体积和重量，并且降低了成本，控制方法选用单极性的正弦波脉宽调制可以实现变频电路高效率工作。
本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三相电机的两相控制调速装置，其特征在于：包括整流桥、两个相同容量的电容C、逆变桥和控制器；
所述整流桥作为整流部分，逆变桥作为逆变部分，整流桥的出线端与逆变桥的进线端通过直流母线相连接；三相交流电的两相逆变输出分别对应于电机的U相和V相，两个电容C的中点对应电机的W相；
所述两个电容C先串联再并联在直流母线端，以两个电容C的中点作为参考点与电源的C相以及变频输出的W相相连接；
所述单相桥式整流的输入端A相、B相以三相交流电的C相为参考点，两个输入电压UAC、UBC相位相差60°；所述的单相全桥逆变的输出端U相、V相相对于W相的两个电压UUW、UVW作为输出电压，电压相位相差60°；
所述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。
2.根据权利要求1所述的一种三相电机的两相控制调速装置，其特征在于：所述整流桥采用单相不可控整流桥，是由4个二极管构成的单相不可控整流电路，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。
3.根据权利要求1所述的一种三相电机的两相控制调速装置，其特征在于：所述逆变桥采用四桥臂逆变桥，是由4个并联续流二极管的功率开关器件构成，功率开关管V1与功率开关管V2构成一组上下桥臂，功率开关管V3与功率开关管V4构成另一组上下桥臂。
4.根据权利要求3所述的一种三相电机的两相控制调速装置，其特征在于：所述功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3与功率开关管V4均与控制器电连接。
5.一种基于权利要求4所述的三相电机的两相控制调速装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制器采用正弦脉冲宽度调制控制，以正弦波作为调制波，三角波作为载波，产生的PWM信号控制V1、V2、V3、V4四个功率开关管；
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，通过改变调制周期控制其输出频率，从而在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所述的三相电机的两相控制调速装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
对于三相电机的两相控制调速装置中的逆变桥，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60°；以W相为参考相时逆变桥就能输出相差60°的UUW、UVW电压，U、V两相开关管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制开关管V1、V2、V3、V4的通断；
对于U相，当Uru>Uc时，给开关管V1以导通信号，给开关管V2以关断信号，得UW两相间的电压；当给开关管V1加导通信号时，V1导通或并联的二极管VD5续流导通；当给开关管V2加导通信号时，V2导通或是并联的二极管VD6续流导通；
对于V相，当Urv>Uc时，给开关管V3以导通信号，给开关管V4以关断信号，得VW两相间的电压；当给开关管V3加导通信号时，V3导通或是并联的二极管VD7续流导通；当给开关管V4加导通信号时，V4导通或是并联的二极管VD8续流导通。
7.根据权利要求6所述的三相电机的两相控制调速装置的控制方法，其特征在于，所述上下两个桥臂的PWM驱动信号互补的，在上下两个开关管通断切换时预留一段上下两个开关管关断信号的死区时间。
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