CN112366972A - 三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法，包括以下步骤：获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量；根据三相电流控制量计算得出特定偏置量，并将计算生成的特定偏置量注入各相控制量以获得三相调制信号；根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相方波信号，将三相方波信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行。

Description

三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法
技术领域
本发明涉及逆变器脉宽缇欧之技术领域，具体涉及一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法。
背景技术
能源问题一直是制约一个人类社会发展的重要因素，社会的每一次重大进步，都离不开能源的改进和更替。节能环保将是人类可持续发展、避免灾难性气候变化的重要选项。当今世界电力能源的使用约占总能源的40％，其中电机(尤其是三相电机)是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。例如，据统计，我国电机耗电约占工业用电总量的60％～70％。目前世界各国约90％电动机械采用异步电动机，其中小型异步电动机约占70％以上。在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占很大的比重。在我国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。然而大量的工业设备如风机、泵类设备以及传统的工业缝纫机、机械加工设备等，多采用异步电动机恒速传动的方案运行，导致交流电动机效率普遍较低。而且在工业缝纫机、机械加工设备中，往往采用离合器、摩擦片调节速度，造成大量的待机损耗和制动能耗。如果采用基于电力电子逆变器的变频调速装置来驱动电机设备，工业用户至少能在现有基础上节省电能18％以上。因此世界多国和我国均在积极鼓励工业企业推广变频调速等先进手段实现节能减排，与此同时还能够显著提高电力传动设备的工作性能。
三相电压型逆变器是三相电机变频调速系统的核心部件，其调制和控制方案对电机系统的运行性能、可靠性和安全性具有决定性的影响。目前的三相电压型逆变器常采用脉宽调制技术实现对输出电压或电流的准确控制。常规的三相脉宽调制器只采用一路固定的载波信号与三相调制信号相比较生成用于控制逆变器三相桥臂通断的脉宽驱动信号。然而采用单一载波的常规脉宽调制方案(如正弦脉宽调制、空间电压矢量调制、不连续脉宽调制等)的逆变器用于驱动星型连接的三相负载(尤其是三相平衡的异步电机)或变压器时，会造成星型连接中性点的共模扰动电压的幅值高达逆变器直流母线电压的一半，从而带来较为严重的中性点对地漏电流等电磁干扰和绝缘性能下降等问题。因此，有必要提供一种新的脉宽调制方法，与采用单载波的常规脉宽调制方法相比较，可以在不改变三相电压型逆变器系统主要性能指标(如直流母线电压利用率、输出电压/电流波形质量、开关损耗等)的同时，大大减少星型连接的三相负载的中性点共模电压扰动，在三相负载平衡的情况下，负载中性点共模扰动电压幅值将下降为直流母线电压的六分之一，从而显著改善星形连接三相负载(尤其是三相平衡的电机)或变压器的电磁兼容特性和绝缘特性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法，有效减少中性点共模扰动电压所带来的对地漏电流等电磁干扰以及绝缘性下降等问题。
本发明提供了一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于包括以下步骤：
A.获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；
B.在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；
C.根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量；
D.根据三相电流控制量计算得出特定偏置量，并将计算生成的特定偏置量注入各相控制量以获得三相调制信号；
E.根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；
F.将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相方波信号，将三相方波信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行。
上述技术方案中，所述步骤E中所述的三相载波信号由两路载波信号源组合形成；两路载波信号源由同频率而相位相差180度的双极性三角形或锯齿型的载波1和载波2组成。
上述技术方案中，所述步骤E具体包括以下步骤：将三相电流控制量按各相控制量数值大小进行高低排序，确定控制量的分组类型，然后针对控制量的分组类型，通过查表从载波选取表1或载波选取表2中变化选取得到三相载波。
上述技术方案中，所述载波选取表1的判断逻辑如下：
当va>vb≥vc时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
当vc≥vb>va时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2；
当vb≥va>vc时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波2；
当vc>va≥vb时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波1；
当vb>vc≥va时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2；
当va≥vc>vb时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
所述载波选取表2的判断逻辑如下：
当va>vb≥vc时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2；
当vc≥vb>va时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
当vb≥va>vc时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波1；
当vc>va≥vb时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波2；
当vb>vc≥va时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
当va≥vc>vb时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2
上述技术方案中，所述步骤A中，
逆变器的各相输出电流的期望值为：
Figure BDA0002762559910000051
其中，
Figure BDA0002762559910000052
分别为逆变器A、B、C三相输出电流期望值的有效值，
Figure BDA0002762559910000053
分别为A、B、C三相输出电流期望值的相位角；ω为输出电流的角频率。
上述技术方案中，所述步骤A中，逆变器A、B、C三相期望输出电流的瞬时值分别为：
Figure BDA0002762559910000061
其中，Ia,Ib,Ic,分别为逆变器A、B、C三相输出电流瞬时值的有效值，
Figure BDA0002762559910000062
分别为A、B、C三相输出电流瞬时值的相位角。
上述技术方案中，所述步骤D中，采用所述三相电流控制量va,vb,vc按照给定的公式计算得到偏置量vp：
vp＝f(va,vb,vc) (3)
其中，f(va,vb,vc)为给定的计算公式。
所述三相电流控制量va,vb,vc分别加上所述的偏置量vp将得到：
Figure BDA0002762559910000063
其中，vao,vbo,vco分别为A、B、C三相调制信号。
上述技术方案中，所述步骤D中，不同的偏置量计算公式对应不同性能的脉宽调制方法：
对应正弦脉宽调制，vp＝0；
对应空间矢量调制，vp＝(max(va,vb,vc)+min(va,vb,vc))/2；
对应不连续脉宽调制，vp＝Vdc/2-max(va,vb,vc)或vp＝-Vdc/2-min(va,vb,vc).其中，Vdc/2为载波信号的幅值.
本发明提供了一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统，包括电流控制器、偏置量计算模块和脉宽控制器；三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值和输出电流的瞬时值输入至电流控制器；电流控制器根据电流偏差计算出三相电流控制量；电流控制器输出三相电流控制量至偏置量计算模块；偏置量计算模块根据三相电流控制量计算生成特定偏置量；三相电流控制量和特定偏置量相加生成三相调制信号并输出至脉宽控制器；脉宽控制器的输入端接有三相载波信号；脉宽控制器内部的比较器将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较，生成得到三相桥臂的驱动信号。
上述技术方案中，三相电压型逆变器包括功率变换电路、滤波电路、控制器以及三相星型负载；
所述的逆变器输出端连接有三相星型负载，该负载星型连接中性点为n；
所述功率变换电路包括并联连接的A桥臂、B桥臂、和C桥臂，每个桥臂均上桥臂开关及下桥臂开关串联组成。所述功率变换电路输出经过所述滤波电路与三相星型负载相连；
所述控制器根据功率需求计算出三相电压型逆变器的三相输出电流期望值，控制器实时采样三相电压型逆变器的三相输出电流瞬时值；控制器输出三相电压型逆变器的输出电流期望值和瞬时值至电流控制器。
本发明为三相脉宽调制提供了一种通用的三相调制波形实时生成方法，能够生成不同脉宽调制所需的各种的三相调制波形，方法简单易行；另一方面，与单载波脉宽调制方案相比，本发明所提供的可变载波脉宽调制方案，不仅能取得同样的运行技术指标(比如直流电压利用率、输出电流波形质量、开关损耗等)，还能显著降低星型连接的三相异步电机/负载/变压器的中性点共模扰动电压大小，并且在三相平衡的情况下实现中性点共模扰动电压幅值的最小化，从而有效减少中性点共模扰动电压所带来的对地漏电流等电磁干扰以及绝缘性下降等问题，能克服现有单载波脉宽调制方法的不足。
附图说明
图1为本发明的系统连接示意图；
图2为三相电压型逆变器示意图；
图3为载波信号示意图1；
图4为载波信号示意图2；
图5为载波选取表1示意图；
图6为载波选取表2示意图；
图7为具体实施例的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于包括以下步骤：
A.获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；
B.在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；
C.根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量；
D.根据三相电流控制量计算得出特定偏置量，并将计算生成的特定偏置量注入各相控制量以获得三相调制信号；
E.根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；
F.将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相方波信号，将三相方波信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行。
本发明提供了一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统，包括电流控制器、偏置量计算模块和脉宽控制器；三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值和输出电流的瞬时值输入至电流控制器；电流控制器根据电流偏差计算出三相电流控制量；电流控制器输出三相电流控制量至偏置量计算模块；偏置量计算模块根据三相电流控制量计算生成特定偏置量；三相电流控制量和特定偏置量相加生成三相调制信号并输出至脉宽控制器；脉宽控制器的输入端接有三相载波信号；脉宽控制器内部的比较器将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较，生成得到三相桥臂的驱动信号。
上述技术方案中，三相电压型逆变器包括功率变换电路、滤波电路、控制器以及三相星型负载；
所述的逆变器输出端连接有三相星型负载，该负载星型连接中性点为n；
所述功率变换电路包括并联连接的A桥臂、B桥臂、和C桥臂，每个桥臂均上桥臂IGBT及下桥臂IGBT串联组成。所述功率变换电路输出经过所述滤波电路与三相星型负载相连；
所述控制器根据功率需求计算出三相电压型逆变器的三相输出电流期望值，控制器实时采样三相电压型逆变器的三相输出电流瞬时值；控制器输出三相电压型逆变器的输出电流期望值和瞬时值至电流控制器。
其中，三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值为：
Figure BDA0002762559910000101
其中，
Figure BDA0002762559910000102
分别为逆变器A、B、C三相输出电流期望值的有效值，
Figure BDA0002762559910000103
分别为A、B、C三相输出电流期望值的相位角；ω为输出电流的角频率。
逆变器A、B、C三相期望输出电流的瞬时值分别为：
Figure BDA0002762559910000111
其中，Ia,Ib,Ic分别为逆变器A、B、C三相输出电流瞬时值值的有效值，
Figure BDA0002762559910000112
分别为A、B、C三相输出电流瞬时值的相位角。
所述控制器在每个控制周期将A、B、C三相的期望输出电流
Figure BDA0002762559910000113
分别与检测到的实际电流ia,ib,ic相减，形成偏差，电流控制器根据偏差计算出电流控制量va,vb,vc。
所述三相电流控制量va,vb,vc作为三相调制信号直接传送到偏置量计算模块。偏移量计算模块采用所述三相电流控制量va,vb,vc按照给定的公式计算得到偏置量vp：
vp＝f(va,vb,vc) (3)
其中，f(va,vb,vc)为给定的计算公式。
所述三相电流控制量va,vb,vc分别加上所述的偏置量vp将得到：
Figure BDA0002762559910000114
其中，vao,vbo,vco分别为A、B、C三相调制信号。注意，不同的偏置量vp计算公式对应不同性能的脉宽调制方法。例如：对应正弦脉宽调制，vp＝0；对应空间矢量调制，vp＝(max(va,vb,vc)+min(va,vb,vc))/2；对应不连续脉宽调制，vp＝Vdc/2-max(va,vb,vc)或vp＝-Vdc/2-min(va,vb,vc).
所述三相电流控制量va,vb,vc还作为输入量用于选取三相载波信号：首先，控制器将三相电流控制量va,vb,vc按各相控制量数值大小进行高低排序以确定其分组类型，然后依据其分组类型，通过查表从载波选取表1(或载波选取表2)中选取出所对应的三相载波，所述的三相载波由两路同频率而相位相差180度的双极性三角形(或锯齿型)信号源载波1和载波2组合而成。
在如图7所示的实施例中，在t1-t2时段内，vc≥vb＞vc，，若依据载波选取表1，则A相和C相载波选用载波1，而B相载波选用载波2；若依据载波选取表2，则A相和C相载波选用载波2，而B相载波选用载波1。
脉宽调制器将所输入的三相调制信号和对应的三相载波信号相减得到三相差值信号。所述的三相差值信号经比较器与零进行比较，从而生成脉宽变化的三相方波信号用以控制逆变器电路的三相桥臂的通断。在如图7所示的实施例中，当任一相差值信号大于等于零时，所产生的相桥臂的驱动信号将开通相应相桥臂的上桥臂且断开下桥臂；反之，当任一相差值信号小于零时，所产生的相桥臂的驱动信号将断开相应相桥臂的上桥臂且开通下桥臂。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于包括以下步骤：
A.获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；
B.在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；
C.根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量；
D.根据三相电流控制量计算得出特定偏置量，并将计算生成的特定偏置量注入各相控制量以获得三相调制信号；
E.根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；
F.将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相方波信号，将三相方波信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行。
2.根据权利要求1所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于所述步骤E中所述的三相载波信号由两路载波信号源组合形成；两路载波信号源由同频率而相位相差180度的双极性三角形或锯齿型的载波1和载波2组成。
3.根据权利要求2所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于所述步骤E具体包括以下步骤：将三相电流控制量按各相控制量数值大小进行高低排序，确定控制量的分组类型，然后针对控制量的分组类型，通过查表从载波选取表1或载波选取表2中变化选取得到三相载波。
4.根据权利要求1所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于所述步骤A中，
逆变器的各相输出电流的期望值为：
Figure FDA0002762559900000021
其中，
Figure FDA0002762559900000022
分别为逆变器A、B、C三相输出电流期望值的有效值，
Figure FDA0002762559900000023
分别为A、B、C三相输出电流期望值的相位角；ω为输出电流的角频率。
5.根据权利要求1所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于所述步骤A中，逆变器A、B、C三相期望输出电流的瞬时值分别为：
Figure FDA0002762559900000024
其中，Ia,Ib,Ic,分别为逆变器A、B、C三相输出电流瞬时值的有效值，
Figure FDA0002762559900000025
分别为A、B、C三相输出电流瞬时值的相位角。
6.根据权利要求1所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于所述步骤D中，采用所述三相电流控制量va,vb,vc按照给定的公式计算得到偏置量vp：
vp＝f(va,vb,vc) (3)
其中，f(va,vb,vc)为给定的计算公式。
所述三相电流控制量va,vb,vc分别加上所述的偏置量vp将得到：
Figure FDA0002762559900000031
其中，vao,vbo,vco分别为A、B、C三相调制信号。
7.根据权利要求6所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于所述步骤D中，不同的偏置量vp计算公式对应不同性能的脉宽调制方法：
对应正弦脉宽调制，vp＝0；
对应空间矢量调制，vp＝(max(va,vb,vc)+min(va,vb,vc))/2；
对应不连续脉宽调制，vp＝Vdc/2-max(va,vb,vc)或vp＝-Vdc/2-min(va,vb,vc)；
其中，Vdc/2为载波信号的幅值。
8.一种三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统，其特征在于包括电流控制器、偏置量计算模块和脉宽控制器；三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值和输出电流的瞬时值输入至电流控制器；电流控制器根据电流偏差计算出三相电流控制量；电流控制器输出三相电流控制量至偏置量计算模块；偏置量计算模块根据三相电流控制量计算生成特定偏置量；三相电流控制量和特定偏置量相加生成三相调制信号并输出至脉宽控制器；脉宽控制器的输入端接有三相载波信号；脉宽控制器内部的比较器将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较，生成得到三相桥臂的驱动信号。
9.根据权利要求8所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制系统，其特征在于三相电压型逆变器包括功率变换电路、滤波电路、控制器以及三相星型负载；
所述的逆变器输出端连接有三相星型负载，该负载星型连接中性点为n；
所述功率变换电路包括并联连接的A桥臂、B桥臂、和C桥臂，每个桥臂均上桥臂开关及下桥臂开关串联组成。所述功率变换电路输出经过所述滤波电路与三相星型负载相连；
所述控制器根据功率需求计算出三相电压型逆变器的三相输出电流期望值，控制器实时采样三相电压型逆变器的三相输出电流瞬时值；控制器输出三相电压型逆变器的输出电流期望值和瞬时值至电流控制器。
10.根据权利要求3所述的三相电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于所述载波选取表1的判断逻辑如下：
当va>vb≥vc时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
当vc≥vb>va时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2；
当vb≥va>vc时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波2；
当vc>va≥vb时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波1；
当vb>vc≥va时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2；
当va≥vc>vb时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
所述载波选取表2的判断逻辑如下：
当va>vb≥vc时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2；
当vc≥vb>va时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
当vb≥va>vc时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波1，C相载波选用载波1；
当vc>va≥vb时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波2，C相载波选用载波2；
当vb>vc≥va时，A相载波选用载波2，B相载波选用载波2，C相载波选用载波1；
当va≥vc>vb时，A相载波选用载波1，B相载波选用载波1，C相载波选用载波2。
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