CN110875691B

CN110875691B - 电梯变频器pwm调制方法

Info

Publication number: CN110875691B
Application number: CN201910846198.8A
Authority: CN
Inventors: 丁习兵; 高建涛
Original assignee: Beijing Sword Electric Industrial Co ltd
Current assignee: Beijing Sword Electric Industrial Co ltd
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: CN110875691A

Abstract

本发明涉及变频器驱动控制领域，提出了一种电梯变频器PWM调制方法，旨在解决电梯在低速启动及在需要持续长时间的过载力矩时，当前使用的PWM调制方式使得IGBT模块开关存在结温比较高，过载能力有限的问题。该方法包括：获取待调制电路波的三相调制矢量，确定上述三相调制矢量中各相调制矢量占空比的最大值和最小值；根据上述各相调制矢量占空比的最大值和最小值，确定上述待调制电路波的连续零矢量波；在上述连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波；将上述基础矢量波与上述三项调制矢量中所述各相调制矢量进行调制，得到电梯变频器PWM调制矢量波。本发明减少了开关器件导通损耗及开关损耗，降低了开关器件的结温，提高了IGBT模块的过载能力。

Description

电梯变频器PWM调制方法

技术领域

本发明涉及变频器驱动控制领域，特别涉及一种电梯变频器 PWM调制方法。

背景技术

电梯在低速启动或者井道自学习时，需要变频器低频的持续时间较长的过载力矩，其中，需要150-180％的过载力矩，持续时间大约 3-5s；而在打滑试验中，变频器200％，0HZ过载力矩。在低速、高转矩运行中，变频器的开关装置(IGBT模块)变热并增加与该IGBT模块运行有关的功率损耗。变频器的IGBT模块的过载能力受限于结温，因此，可以通过降低IGBT开关的过结温以提高变频器的过载能力。

可以通过从PWM调制方式上降低芯片的发热量，采用传统的连续SVPWM调制算法降低结温的方法，存在电梯低速运行和打滑试验过程中，IGBT模块损耗较大，结温比较高，过载能力有限；采用传统非连续DPWM调制算法，在电梯低速运行和打滑试验过程中，能有效降低IGBT模块开关损耗，但无法降低导通损耗，由于导通损耗比例比较大，因此结温降低幅度有限。

因此，需要一种可以有效减少导通损耗，进而有效降低芯片发热量，降低芯片温度，增加变频器的过载能力的PWM调制方法。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决电梯在低速启动或者井道自学习时，需要变频器低频的持续时间较长的过载力矩，而当前使用的PWM调制方式使得IGBT模块开关存在结温比较高，过载能力有限的问题。本发明采用以下技术方案以解决上述问题：

本申请提供了一种电梯变频器PWM调制方法，该方法包括：获取待调制电路波的三相调制矢量，确定上述三相调制矢量中各相调制矢量占空比的最大值和最小值；根据上述各相调制矢量占空比的最大值和最小值，确定上述待调制电路波的连续零矢量波；在上述连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波，其中，上述低频调制波为低频的余弦波；将上述基础矢量波与上述三项调制矢量中各相调制矢量波进行调制，得到电梯变频器PWM调制矢量波。

在一些示例中，上述待调制电路波的三相调制矢量占空比通过如下公式确定：

d_u＝mcosθ

d_v＝mcos(θ-120°)

d_w＝mcos(θ+120°)

m＝2*V_m/V_dc

其中，上述d_u、d_v、d_w分别为三相电源的U相占空比，V相占空比，W相占空比，V_m、V_dc分别为输出相电压有效值和直流母线电压。

在一些示例中，上述低频调制波为k cos(2πf₀t)，其中，k为低频系数，f₀为输出频率，t为时间。

在一些示例中，上述“在上述连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波”包括通过如下公式生成基础矢量波：

其中，d_0，SDPWM为基础矢量波，d_min为所述三相占空比的最大小值，d_max为所述三相占空比的最大值，kcos(2πf₀t)为低频调制波

在一些示例中，上述“将上述基础矢量波与所述三项调制矢量中各矢量波进行调制，得到电梯变频器PWM调制矢量波”包括通过如下公式得到电梯变频器PWM调制矢量波：

d_x，SDPWM＝d_0，SDPWM+d_{x＝u、v、w}

其中，d_x，SDPWM为电梯变频器PWM调制矢量波，x为u、v、 w中的一相，d_0，SDPWM为基础矢量波，d_{x＝u、v、w}为三相电源中的U相、V 相或者W相的占空比。

本申请提供的电梯变频器PWM调制方法，通过在连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波，进而将基础矢量波与三项调制矢量中各相调制矢量波进行调制，得到电梯变频器PWM调制矢量波。使得施加到IGBT模块的PWM调制信号更加规则和紧密，减少了开关器件的导通损耗和开关损耗，降低了芯片发热量，并使得开关器件工作中的结温降低，提高了过载能力及过载时间。

附图说明

图1是本申请实施例中可以应用于其中的示例性系统架构示意图；

图2是根据本申请的电梯变频器PWM调制方法的一个实施流程示意图；

图3是现有的基于SVPWM调制方法生成的PWM调制波波形示意图；

图4是基于DPWM调制方法生成的PWM调制波波形示意图；

图5是本申请实施例中电梯变频器PWM调制方法生成的 PWM调制波波形示意图；

图6是现有的基于SVPWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的损耗示意图；

图7是现有的基DPWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的损耗的示意图；

图8是基于本申请中电梯变频器PWM调制方法生成的 PWM调制波驱动的变频器中开关器件的损耗示意图；

图9是现有的基于SVPWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的结温示意图；

图10是现有的基于DPWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的结温示意图；

图11是基于本申请中电梯变频器PWM调制方法生成的 PWM调制波驱动的变频器中开关器件的结温示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了可以应用本申请的实施例的示例性系统结构图。

如图1所示，应用于上述电梯变频器PWM调制方法的系统包括：滤波单元101、整流单元102、逆变单元103以及PWM发生器单元104。其中，上述整流单元通过滤波单元101与电网连接，将电网提供的交流电整流为直流电，上述滤波单元101对电网提供电源进行平滑滤波处理。上述逆变单元103将整流单元102输出的直流电逆变为频率和电压可变的交流电，供负载使用。上述PWM发生器单元104生成PWM 信号，驱动上述逆变单元103的可控开关器件，从而控制逆变单元103 输出电源的电压大小和/或频率。

上述滤波单元101、整流单元102、逆变单元103为变频器的主要组成部分，实现将电网提供的电源进行电压或频率的调整。上述 PWM发生器单元104根据预设的程序或逻辑以及与变频器系统相关的各类传感装置所采集的传感数据，生成调制上述逆变单元103的驱动信号。上述PWM发生器单元104可以包括信号生成单元以及具有逻辑运算和存储功能的控制器，如包括各类微控芯片。

继续参考图2，图2示出了根据本申请的电梯变频器PWM 调制方法的一个实施例的流程。该电梯变频器PWM调制方法，包括如下步骤：

步骤201，获取待调制电路波的三相调制矢量，确定上述三相调制矢量中各相调制矢量占空比的最大值和最小值。

在本实施例中，应用于电梯变频器PWM调制方法的变频器控制系统中的PWM信号发生器单元104接收各类信息，并根据所接收到的各类信息生成用于驱动控制变频器中开关器件通断的PWM信号。上述PWM信号发生器104所接收的信息可以为与其连接的各类传感装置采集的信息，还可以是上述PWM发生器单元104所生成的施加到整流单元或逆变单元中PWM信号中提取的信息。这里，上述PWM发生器单元104获取待调制电路波的三相调制矢量，确定三相调制矢量中各相调制矢量占空比的最大值和最小值，可以是，分别获取三相电路各相的PWM 调制电路的占空比，通过比较确定出三相调制矢量占空比的最大值和最小值。具体地，初始的三相调制矢量占空比可以是预设值，如90％和10％，还可以是随机生成的占空比。

在本实施例的一些具体设计中，上述待调制电路波的三相调制矢量占空比通过如下公式确定：

d_u＝mcosθ (1)

d_v＝mcos(θ-120°) (2)

d_w＝mcos(θ+120°) (3)

m＝2*V_m/V_dc (4)

其中，上述公式(1)—(4)中，d_u、d_v、d_w分别为三相电源的 U相占空比，V相占空比，W相占空比，V_m、V_dc分别为输出相电压有效值和直流母线电压

基于上述U相占空比，V相占空比，W相占空比，选取上述U相占空比，V相占空比，W相占空比的最大值和最小值为三相调制矢量占空比的最大值和最小值，具体如下：

d_min＝min(d_u,d_v,d_w) (5)

d_max＝max(d_u,d_v,d_w) (6)

上述公式(5)和(6)中，min为取最小值操作，max为取最大值操作，d_min和为d_max为三相调制矢量占空比的最大值和最小值。

步骤202，根据上述各相调制矢量占空比的最大值和最小值确定上述待调制电路波的连续零矢量波。

在本实施例中，基于步骤201中所获取到的三相占空比的最大值d_max和最小值d_min，上述PWM信号发生器单元104利用非连续 DPWM调制方式得到连续零矢量波d₀，可以有效降低开关损耗。其中，连续矢量波d₀为：

其中，d₀为连续矢量波。

步骤203，在上述连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波。

在本实施例的一些具体设计方案中，在上述连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波，其中，上述低频调制波为低频的余弦波。具体地，上述低频调制波可以为kcos(2πf₀t)，其中，k为低频系数， f₀为输出频率，t为时间。

具体地，上述“在上述连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波”包括通过如下公式生成基础矢量波：

在公式(8)d_0，SDPWM为基础矢量波，d_min为所述三相占空比的最大小值，d_max为所述三相占空比的最大值，k cos(2πf₀t)为低频调制波。

步骤204，将上述基础矢量波与上述三项调制矢量中各相调制矢量进行调制，得到电梯变频器PWM调制矢量波。

在本实施例中，基于上述步骤203中所确定出的基础矢量波，在上述基础矢量波的基础上加入三项调制矢量中的各矢量波，得到驱动电梯变频器的PWM调制矢量波。这里，加入到上述基础矢量波的各相矢量波可以为上述步骤1中所得到的各相矢量。在本实施例中，加入上述到基础矢量波中的各相各矢量波为：d_u,d_v,d_w。具体地，通过如下公式得到电梯变频器PWM调制矢量波：

d_x，SDPWM＝d_0，SDPWM+d_{x＝u、v、w} (9)

在上述公式(9)中，d_{x＝u、v、w}为三相电源中的U相、V相或者W相的占空比，d_x，SDPWM为电梯变频器PWM调制矢量波，x为u、 v、w中的一相，d_0，SDPWM为基础矢量波。具体可以将公式(9)分解为：

d_u，SDPWM＝d_0，SDPWM+d_u (9-1)

d_v，SDPWM＝d_0，SDPWM+d_v (9-2)

d_w，SDPWM＝d_0，SDPWM+d_w (9-3)

上述公式(9-1)-(9-3)中d_u，SDPWM、d_v，SDPWM、d_w，SDPWM分别表示电梯变频器PWM调制矢量波中的U相、V相和W相PWM调制矢量波。上述PWM信号发生器单元104生成上述公式(9)所示出的PWM 调制矢量波驱动变频器。

本申请实施例中，通过带调制电路的三相调制矢量占空比最大值和最小值确定出连续零矢量波，然后加入低频调制零矢量生成基础矢量波，在基础矢量波中注入各相调制矢量波，调制得到电梯变频器PWM 调制矢量波。与现有技术相比，本申请具有如下的有益效果：

有效减少导通损耗，进而降低芯片发热量，降低芯片温度，增加变频器的过载能力。

参考图3-图5，图3-图5示出了基于本申请中电梯变频器 PWM调制方法生成的PWM调制波与现有的基于SVPWM和DPWM调制方法生成的PWM调制波的对比图。本申请中的电梯变频器PWM调制方法生成的PWM调制波更加规则和紧密，可以优化IGBT损耗的分布。

进一步地，可以根据变频器输出电流i_u、i_v、i_w以及上述驱动变频器的PWM信号的占空比计算开关器件IGBT和二极管DIODE损耗。

IGBT和DIODE的导通损耗(以U相为例)为：

其中，公式(10)和(11)中P_con(IGBT)和P_con(diode)为IGBT 和二极管的导通损耗，V_d为IGBT的额定导通压降，R_d为IGBT的额定导通电阻。在IGBT模块的规格书中可以查阅出V_d和R_d的数据。

IGBT和DIODE的开关损耗(以U相为例)为：

其中，公式(12)和(13)中，P_S(IGBT)和P_S(diode)为IGBT 和二极管的开关损耗，E_on为IGBT的额定开通压降，E_off为IGBT的额定关断电压，具体地，在IGBT模块的规格书中可以查阅出参数E_on和E_off的数据。V_n和I_nIGBT模块的定义开关损耗的额定电压和额定电流，在IGBT 模块的规格书上提供有相应的数据。

基于上述IGBT和二极管的导通损耗和开关损耗，计算出 IGBT和二极管的总损耗如下：

P(IGBT)＝P_s(IGBT)+P_con(IGBT) (14)

P(diode)＝P_s(diode)+P_con(diode (15)

上述公式(14)和(15)中，P(IGBT)和P(diode)分别为变频器中作为开关器件的IGBT的总损耗和二极管的总损耗。

参考图6-图8，图6-图8示出了基于本申请中电梯变频器 PWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的损耗，与现有的基于SVPWM和DPWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的损耗的对比图。可以确定出本申请中开关器件在工作中损耗最低，并且通过规则和紧密的调制波可以及时抑制损耗的上升，从而降低整个工作期间的损耗。

变频器中的控制器根据上述总损耗以及IGBT和二极管的热阻参数可以计算出IGBT和二极管的结温。参考图9-图11，图9-图11示出了基于本申请中电梯变频器PWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的结温，与现有的基于SVPWM和DPWM调制方法生成的PWM调制波驱动的变频器中开关器件的结温的对比图，可以确定出本申请所示方法中，IGBT芯片温度为77°，相比现有的DPWM降了10°左右，相比SVPWM降了8°，降低了结温的温度。利用结温阈值可以确定出过载时间，同时结温的降低可以进一步提高低速条件下的过载倍数。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电梯变频器PWM调制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取待调制电路波的三相调制矢量，确定所述三相调制矢量中各相调制矢量占空比的最大值和最小值；

根据所述各相调制矢量占空比的最大值和最小值，确定所述待调制电路波的连续零矢量波；所述连续零矢量波通过如下公式确定：

其中，d₀为连续零矢量波，d_max为三相占空比的最大值，d_min为三相占空比的最小值；

在所述连续零矢量波中注入低频调制波，生成基础矢量波，其中，所述低频调制波为低频的余弦波；所述基础矢量波通过如下公式确定：

其中，d_0，SDPWM为基础矢量波，d_min为三相占空比的最小值，d_max为三相占空比的最大值，kcos(2πf₀t)为低频调制波，k为低频系数，f₀为输出频率，t为时间；

将所述基础矢量波与所述三相调制矢量中所述各相调制矢量进行叠加调制，得到电梯变频器PWM调制矢量波。

2.根据权利要求1所述的电梯变频器PWM调制方法，其特征在于，所述待调制电路波的三相调制矢量占空比通过如下公式确定：

d_u＝mcosθ

d_v＝mcos(θ-120°)

d_w＝mcos(θ+120°)

m＝2*V_m/V_dc

其中，所述d_u、d_v、d_w分别为三相电源的U相占空比，V相占空比，W相占空比，V_m、V_dc分别为输出相电压有效值和直流母线电压。

3.根据权利要求2所述的电梯变频器PWM调制方法，其特征在于，所述“将所述基础矢量波与所述三相调制矢量中所述各相调制矢量进行叠加调制，得到电梯变频器PWM调制矢量波”包括通过如下公式得到电梯变频器PWM调制矢量波：

d_x，SDPWM＝d_0，SDPWM+d_{x＝u、v、w}

其中，d_x，SDPWM为电梯变频器PWM调制矢量波，x为u、v、w中的一相，d_0，SDPWM为基础矢量波，d_{x＝u、v、w}为三相电源中的U相、V相或者W相的占空比。