CN110912437B - 一种单电流采样式三相功率变换电路 - Google Patents

一种单电流采样式三相功率变换电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于三相功率变换电路技术领域，具体涉及一种单电流采样式三相功率变换电路，功率部分为三相有源功率变换电路，包括直流母线滤波电容C，功率器件S1‑S6，续流二极管D1‑D6，直流母线及其电压uDC，以及负载，仅需一个电流传感器，结构简单、成本低，在所有扇区内，都可以准确采集PWM周期零时刻的A相电流值，能保证A相电流采样无误差；对于B相或C相的电流采样，由于在II扇区的所有有效矢量作用时间内都可采集‑iC，而在V扇区的所有有效矢量作用时间内都可采集‑iB，所以在大多数扇区，B相或C相的电流采样时刻都接近PWM周期零时刻，相较于常规母线单电流采样，采样结果更准确。

Description

一种单电流采样式三相功率变换电路
技术领域：
本发明属于三相功率变换电路技术领域，具体涉及一种单电流采样式三相功率变换电路，能够实现有功以及无功功率的可控变换和调节。
背景技术：
三相功率变换器一般用于电机驱动、新能源发电、静止无功补偿等领域，能够实现有功以及无功功率的可控变换和调节。使用过程中，为了实现功率变换系统的闭环控制，通常需要通过两个或三个电流传感器采集三相电流。电流传感器安装在图1所示的三相输出侧或图2所示的三相下桥臂，其中，S1-S6为功率开关器件，可为IGBT、MOSFET等；D1-D6为续流二极管；负载可为电机、电网等；uDC为直流母线电压；iA、iB和iC为三相输出电流；矩形方框代表电流传感器，常见的电流传感器类型有霍尔器件、采样电阻等。
随着三相功率变换器的日益普及，成本和可靠性已成为相应产品的重要考量因素。基于此，在电流采样方面，如何采用一个电流传感器实现三相电流采样，即单电流采样，成为当下功率变换器拓扑及其控制策略的热点问题。
当前最为常用的单电流采样方案是将电流传感器安装在高压母线侧，具体位置是在母线电容与三相桥臂之间，如图3所示，其中，iDC为母线电流。其实现三相电流采样的具体方法是在各相PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号之间的间隔时间内，利用此时母线电流等于某相电流的关系，分别采集两次母线电流，之后重构得到三相电流，如图4所示的一个PWM周期采用SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)，t1和t2分别为有效电压矢量在半个PWM周期内作用时间的标幺值(以PWM周期的一半为基值)，t0为零电压矢量的标幺值，Sx为三相上桥臂中最早动作的桥臂使能信号，Sy次之，Sz再次之，x、y、z可为A、B、C的任意组合，此时iDC1＝ix，iDC2＝-iz，则iy＝-iDC1+iDC2。
然而，考虑到死区效应和电流采样所需要的最小保持时间，图4中的t1或t2应不小于最小采样时间tmin，否则将无法完成准确的电流采样，反应在电压空间矢量图中即为电流重构的不可观测区，如图5中阴影部分面积所示，其中，I-VI分别代表六个有效扇区，u1-u6为六个有效电压矢量，u0和u7为零电压矢量。在每个扇区中均有两个不可观测区域，即在有效电压矢量附近的tmin区域，如此，六个扇区中共有十二个不可观测区。此时，为了仍能采集到各相电流，必须在PWM前半个周期人为增大t1或t2，同时，为了保证各相占空比不变，在后半个PWM周期内减小t1或t2，这种采样方式称为母线单电流采样移相，如图6所示，其中，Δt1为t1<tmin时的移相长度，Δt2为t2<tmin时的移相长度，移相后的Sx和Sz如图中虚线所示。可见，移相会造成PWM后半个周期内产生额外的电压矢量，进而带来电压谐波，影响功率变换系统性能。所以，如何尽可能的减小不可观测区成为提升单电流采样产品性能和竞争力的关键。
除了上述母线高压侧的单电流采样方案，还有一些其他的三相功率变换器单电流传感器采样方案：如图7所示的相电流和支路电流采样电路，采集的电流ismp为A相下桥臂和B相输出电流，利用一相电流和支路电流进行三相电流重构，其中，虚线椭圆圈代表电流霍尔传感器；如图8所示的两个零电压矢量采样电路，利用PWM周期内的两个零电压矢量作用时间进行采样，重构出三相电流，其中，虚线椭圆圈代表电流霍尔传感器；如图9所示的零电压矢量和有功电压矢量采样电路，利用PWM周期内的一个零电压矢量作用时间和一个有功电压矢量时间进行采样，重构出三相电流，其中，虚线椭圆圈代表电流霍尔传感器。
但是，三电流或两电流传感器采样方案存在系统结构复杂和成本高的缺点。常规母线高压侧单电流传感器采样方案存在无法在PWM周期零点采集重构出相电流，即电流采样时刻与控制系统需要的采样时刻有偏差，进而导致采样电流有误差；相电流重构的不可观测区大，且在每个扇区均有两个不可观测区；由于不可观测区内电压移相造成的电压谐波较大的缺点。其他的单电流传感器采样方案存在电路结构复杂，实用性差；电流传感器只能采用昂贵的霍尔器件，而无法使用采样电阻，既增大了电路体积、降低了功率密度，又增加了成本；PWM周期内两次电流采样之间的间隔时间较大，导致重构电流准确度差，降低控制系统性能的缺点。
因此，研发设计一种单电流采样式三相功率变换电路，解决采样成本高、不可观测区大和电流重构准确度差等问题，具有社会和经济效益。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发一种单电流采样式三相功率变换电路，在降低采样成本的前提下，减小不可观测区和电压谐波。
为了实现上述目的，本发明涉及的单电流采样式三相功率变换电路的功率部分为三相有源功率变换电路，包括直流母线滤波电容C，功率器件S1-S6，续流二极管D1-D6，直流母线及其电压uDC，以及负载；其中，功率器件为IGBT或MOSFET，负载为电机、电网或变压器，三相输入或输出电流分别为iA、iB和iC；电流传感器安装在低压母线侧，采集的电流值为idn。
本发明涉及的电流传感器的安装位置还包括高压母线侧，采集的电流值为idn。
本发明涉及的单电流采样式三相功率变换电路为全桥结构或半桥结构；电流传感器为霍尔器件或采样电阻，数量至少为1个，三相电流信号来源于电流传感器重构后的三相电流。
本发明与现有技术相比，电流传感器位于低压母线侧，能够准确采集A相电流值，且对除A相外的另外两相电流的采集准确度高于常规母线单电流采样，不可观测区相比于常规母线单电流采样方案最大可减少2/3，在不可观测内由于移相造成额外电压矢量的情况和幅值也会减少，进而有利于减小移相造成的电压谐波；其仅需一个电流传感器，结构简单、成本低，在所有扇区内，都可以准确采集PWM周期零时刻的A相电流值(或clark变换后的alpha轴线电流值)，能保证A相电流采样无误差(这是常规母线单电流采样无法实现的)；对于B相或C相的电流采样，由于在II扇区的所有有效矢量作用时间(t1+t2)内都可采集-iC，而在V扇区的所有有效矢量作用时间(t1+t2)内都可采集-iB，所以在大多数扇区(II、III、IV、V)，B相或C相的电流采样时刻都接近PWM周期零时刻(在Sx置1后，即t1时段内即可开始采集idn)，相较于常规母线单电流采样，采样结果更准确。
附图说明：
图1为本发明背景技术涉及的三相输出电流采样电路结构示意图。
图2为本发明背景技术涉及的三相下桥臂电流采样电路结构示意图。
图3为本发明背景技术涉及的常规母线单电流采样电路结构示意图。
图4为本发明背景技术涉及的常规母线单电流采样的相电流重构方法原理示意图。
图5为本发明背景技术涉及的常规母线单电流采样的不可观测区分布示意图。
图6为本发明背景技术涉及的常规母线单电流采样的移相调制原理示意图。
图7为本发明背景技术涉及的相电流和支路电流单电流采样电路结构示意图。
图8为本发明背景技术涉及的两个零电压矢量采样电路结构示意图。
图9为本发明背景技术涉及的零电压矢量和有功电压矢量采样电路结构示意图。
图10为本发明实施例1涉及的单电流采样式三相功率变换电路的结构示意图。
图11为本发明涉及的合成电压矢量位于扇区II、III、IV、V时，idn2的采集过程示意图。
图12为本发明涉及的合成电压矢量位于扇区I、VI时，idn2的采集过程示意图。
图13为本发明涉及的电流重构不可观测区分布示意图。
图14为本发明涉及的合成电压矢量位于扇区I、VI时，Sz信号的移相调制过程示意图。
图15为本发明涉及的合成电压矢量位于扇区III、IV时，Sx信号的移相调制过程示意图。
图16为本发明涉及的合成电压矢量位于扇区II、V时，Sx信号和Sz信号的移相调制过程示意图。
图17为本发明实施例2涉及的单电流采样式三相功率变换电路的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
本实施例涉及的单电流采样式三相功率变换电路的功率部分为三相有源功率变换电路，包括直流母线滤波电容C，功率器件S1-S6，续流二极管D1-D6，直流母线及其电压uDC，以及负载；其中，功率器件为IGBT或MOSFET，负载为电机、电网或变压器，三相输入或输出电流分别为iA、iB和iC；电流传感器安装在低压母线侧靠近直流母线滤波电容C的两相桥臂之间，采集的电流值为idn。
本实施例涉及的单电流采样式三相功率变换电路实现三相电流重构的具体过程如下：
(1)首先，在PWM周期的零点时刻，采集第一次idn值，记为idn1；
(2)其次，根据合成电压矢量所在扇区，确定第二次idn的采样时刻，采集第二次idn值，记为idn2，具体的确定步骤为：
1)当合成电压矢量位于扇区II、III、IV、V时，在Sx信号置1后采集idn2，Sx为三相上桥臂中最早动作的桥臂使能信号，如图11所示；
2)当合成电压矢量位于扇区I、VI时，在Sy信号置1后采集idn2，Sy为三相上桥臂中第二动作的桥臂使能信号，如图12所示；
(3)根据步骤(1)采集的idn1和步骤(2)采集的idn2重构出三相电流信号。
本实施例涉及的单电流采样式三相功率变换电路的三相电流重构方法的不可观测区为标准电压矢量u3、u4附近宽度为tmin的区域，如图13所示，其中，tmin为完成idn电流采样的最小时长的标幺值，基值为PWM周期的一半；当合成电压矢量落入图13所示的不可观测区时，对Sx、Sy或Sz信号进行移相，使得t1或t2的长度满足idn电流采样的最小时长，t1、t2分别为有效电压矢量在半个PWM周期内作用时间的标幺值，t0为零电压矢量的标幺值，基值为PWM周期的一半；三相下桥臂信号分别与对应的上桥臂信号取反，实现互补导通，同时，设置死区时间以避免上下桥臂直通短路；具体移相逻辑如下：
(1)当合成电压矢量位于扇区I、VI，且落入图13所示的不可观测区时，将Sz信号的导通和关断时刻均右移(后移)Δt2，Δt2≥tmin-t2，如图14所示，Sz为三相上桥臂中最后动作的桥臂使能信号；
(2)当合成电压矢量位于扇区III、IV时，且落入图13所示的不可观测区时，将Sx信号的导通和关断时刻均左移(前移)Δt1，Δt1≥tmin-t1，如图15所示，Sx为三相上桥臂中最早动作的桥臂使能信号；
(3)当合成电压矢量位于扇区II、V时，且落入图13所示的不可观测区时，采取以下任意一种逻辑：
1)将Sx信号的导通和关断时刻均左移(前移)Δt，Δt≥tmin-(t1+t2)；
2)将Sz信号的导通和关断时刻均右移(后移)Δt，Δt≥tmin-(t1+t2)；
3)将Sx信号的导通和关断时刻均左移(前移)Δt/2，并且Sz信号的导通和关断时刻均右移(后移)Δt/2，Δt≥tmin-(t1+t2)，如图16所示。
实施例2：
本实施例涉及的单电流采样式三相功率变换电路的电流传感器安装在高压母线侧靠近直流母线滤波电容C的两相桥臂之间，采集的电流值为idn。

Claims (1)

1.一种单电流采样式三相功率变换电路，其特征在于，采用全桥结构或半桥结构，功率部分为三相有源功率变换电路，包括直流母线滤波电容C，功率器件S1-S6，续流二极管D1-D6，直流母线及其电压uDC，以及负载；其中，功率器件为MOSFET，负载为电网或变压器，三相输入或输出电流分别为iA、iB和iC；电流传感器安装在低压母线侧或高压母线侧靠近直流母线滤波电容C的两相桥臂之间，采集的电流值为idn；电流传感器为霍尔器件或采样电阻，数量至少为1个，三相电流信号来源于电流传感器重构后的三相电流；三相电流重构方法的具体过程如下：
(1)首先，在PWM周期的零点时刻，采集第一次idn值，记为idn1；
(2)其次，根据合成电压矢量所在扇区，确定第二次idn的采样时刻，采集第二次idn值，记为idn2，具体的确定步骤为：
1)当合成电压矢量位于扇区II、III、IV、V时，在Sx信号置1后采集idn2，Sx为三相上桥臂中最早动作的桥臂使能信号；
2)当合成电压矢量位于扇区I、VI时，在Sy信号置1后采集idn2，Sy为三相上桥臂中第二动作的桥臂使能信号；
(3)根据步骤(1)采集的idn1和步骤(2)采集的idn2重构出三相电流信号；
其中，不可观测区为标准电压矢量u3、u4附近宽度为tmin的区域，其中，tmin为完成idn电流采样的最小时长的标幺值，基值为PWM周期的一半；当合成电压矢量落入不可观测区时，对Sx、Sy或Sz信号进行移相，使得t1或t2的长度满足idn电流采样的最小时长，t1、t2分别为有效电压矢量在半个PWM周期内作用时间的标幺值，t0为零电压矢量的标幺值，基值为PWM周期的一半；三相下桥臂信号分别与对应的上桥臂信号取反，实现互补导通，同时，设置死区时间以避免上下桥臂直通短路；
具体移相逻辑如下：
(1)当合成电压矢量位于扇区I、VI，且落入不可观测区时，将Sz信号的导通和关断时刻均右移/后移Δt2，Δt2≥tmin-t2，Sz为三相上桥臂中最后动作的桥臂使能信号；
(2)当合成电压矢量位于扇区III、IV时，且落入不可观测区时，将Sx信号的导通和关断时刻均左移/前移Δt1，Δt1≥tmin-t1，Sx为三相上桥臂中最早动作的桥臂使能信号；
(3)当合成电压矢量位于扇区II、V时，且落入不可观测区时，采取以下任意一种逻辑：
1)将Sx信号的导通和关断时刻均左移/前移Δt，Δt≥tmin-(t1+t2)；
2)将Sz信号的导通和关断时刻均右移/后移Δt，Δt≥tmin-(t1+t2)；
3)将Sx信号的导通和关断时刻均左移/前移Δt/2，并且Sz信号的导通和关断时刻均右移/后移Δt/2，Δt≥tmin-(t1+t2)。
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