CN112821737A - 一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路 - Google Patents

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鄢荣
赵金
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Abstract

本发明公开一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，包括驱动三相交流电机的两个三相逆变电路以及并联逆变器，并联逆变器包括三个耦合电感；第一耦合电感的一端设有分别连接三相逆变电路的第一、第二输入端，第一耦合电感的另一端设有连接三相交流电机的A端的第一共同输出端；第二耦合电感的一端设有分别连接三相逆变电路的第三、第四输入端，第二耦合电感的另一端设有连接三相交流电机的B端的第二共同输出端；第三耦合电感的一端设有分别连接三相逆变电路的第五、第六输入端，第三耦合电感的另一端设有连接三相交流电机的C端的第三共同输出端。本发明利用并联逆变器从算法上达到了零共模电压的效果，从源头上解决了共模干扰。

Description

一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路
技术领域
本发明涉及三相交流电机驱动时的电磁干扰问题，具体涉及一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路。
背景技术
随着电力电子器件的发展，电力电子逆变器已经应用于工业领域，包括交流电机驱动、可再生能源转换等。然而，电机驱动中电力电子器件的高速开关切换也带来了电磁干扰问题。电磁干扰标准通常针对不同的应用而定义，例如，在航空航天应用中，严格的传导电磁干扰标准被定义为频率范围从150kHz至30MHz。而电磁干扰滤波器目的是衰减电磁干扰噪声，以满足电磁干扰标准，但同时也增加了系统的复杂性。
根据电磁干扰噪声路径，电磁干扰噪声可分为两大类:差模电磁干扰和共模电磁干扰。如图1所示，共模电磁干扰噪声在电机驱动的各相之间传导，共模电磁干扰噪声在每相的相同方向上传导，并通过寄生电容传导至地。其中共模干扰的危害很大，因为它不仅会引入更多的电磁干扰问题，还会产生流经电机绝缘和轴承的共模电流，从而损害电机的可靠性。共模滤波器具有共模扼流圈和共模电容，通常用于降低共模噪声。共模滤波器的尺寸和重量由扼流圈铁芯的磁饱和决定，扼流圈铁芯的磁饱和受逆变器共模电压的影响很大。已经为电机驱动的共模扼流圈开发了许多优化方法。但到目前为止，共模扼流圈仍然是电机驱动系统中的主要部件。如何达到零共模电压的效果，从源头上解决共模干扰的问题，本发明提出了一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路。
本发明的技术方案如下：
一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，运用于三相交流电机，包括驱动三相交流电机的第一三相逆变电路、第二三相逆变电路以及连接在第一三相逆变电路、第二三相逆变电路和三相交流电机之间的并联逆变器，所述并联逆变器包括第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感；
所述第一耦合电感的一端设有分别连接所述第一三相逆变电路、第二三相逆变电路的第一输入端和第二输入端，所述第一耦合电感的另一端设有连接所述三相交流电机的A端的第一共同输出端；
所述第二耦合电感的一端设有分别连接所述第一三相逆变电路、第二三相逆变电路的第三输入端和第四输入端，所述第二耦合电感的另一端设有连接所述三相交流电机的B端的第二共同输出端；
所述第三耦合电感的一端设有分别连接所述第一三相逆变电路、第二三相逆变电路的第五输入端和第六输入端，所述第三耦合电感的另一端设有连接所述三相交流电机的C端的第三共同输出端。
进一步的，所述第一耦合电感是由第一电感和第二电感组成，所述第一电感的一端为所述第一输入端，所述第二电感的一端为所述第二输入端，所述第一电感、第二电感的另一端连接形成所述第一共同输出端；
所述第二耦合电感是由第三电感和第四电感组成，所述第三电感的一端为所述第三输入端，所述第四电感的一端为所述第四输入端，所述第三电感、第四电感的另一端连接形成所述第二共同输出端；
所述第三耦合电感是由第五电感和第六电感组成，所述第五电感的一端为所述第五输入端，所述第六电感的一端为所述第六输入端，所述第五电感、第六电感的另一端连接形成所述第三共同输出端。
进一步的，所述第一三相逆变电路包括电源组、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂和第三开关管桥臂，所述电源组具有一正极和一负极，所述第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、第三开关管桥臂并联连接在所述电源组的正极和负极之间，所述第一开关管桥臂通过第一输入线路与所述第一电感的第一输入端连接，所述第二开关管桥臂通过第二输入线路与所述第三电感的第三输入端连接，所述第三开关管桥臂通过第三输入线路与所述第五电感的第五输入端连接。
进一步的，所述第一开关管桥臂是由串联连接的第一晶体管和第二晶体管组成，所述第二开关管桥臂是由串联连接的第三晶体管和第四晶体管组成，所述第三开关管桥臂是由串联连接的第五晶体管和第六晶体管组成。
进一步的，所述第二三相逆变电路包括电源组、第四开关管桥臂、第五开关管桥臂和第六开关管桥臂，所述电源组具有一正极和一负极，所述第四开关管桥臂、第五开关管桥臂、第六开关管桥臂并联连接在所述电源组的正极和负极之间，所述第四开关管桥臂通过第四输入线路与所述第二电感的第二输入端连接，所述第五开关管桥臂通过第五输入线路与所述第四电感的第四输入端连接，所述第六开关管桥臂通过第六输入线路与所述第六电感的第六输入端连接。
进一步的，所述第四开关管桥臂是由串联连接的第七晶体管和第八晶体管组成，所述第五开关管桥臂是由串联连接的第九晶体管和第十晶体管组成，所述第六开关管桥臂是由串联连接的第十一晶体管和第十二晶体管组成。
进一步的，所述电源组是由串联连接的第一直流电源和第二直流电源组成。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明利用并联逆变器从算法上达到了零共模电压的效果，从源头上解决了共模干扰，且在消除共模干扰的同时减缓了循环电流所带来的差模干扰，并通过减少循环电流来减少耦合电感的大小和尺寸，提高了功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有电机驱动EMI的传导路径图；
图2为本发明的电路示意图；
图3为本发明所述并联逆变器的电压矢量图；
图4为本发明的差模循环电流波形图；
图5为本发明B相调整前后的pwm信号图；
图6为本发明相区交换时pwm信号的不对称现象示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例
请参阅图2，本实施例提供的一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，主要运用于三相交流电机控制模块电磁干扰削减与消除，其包括驱动三相交流电机的第一三相逆变电路、第二三相逆变电路以及连接在第一三相逆变电路、第二三相逆变电路和三相交流电机之间的并联逆变器，所述并联逆变器包括第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感。其中，第一耦合电感是由第一电感和第二电感组成，第一电感的一端为第一输入端，用于接入第一三相逆变电路，第二电感的一端为第二输入端，用于接入第二三相逆变电路，第一电感、第二电感的另一端连接形成第一共同输出端，用于与三相交流电机的A端连接；第二耦合电感是由第三电感和第四电感组成，第三电感的一端为第三输入端，用于接入第一三相逆变电路，第四电感的一端为第四输入端，用于接入第二三相逆变电路，第三电感、第四电感的另一端连接形成第二共同输出端，用于与三相交流电机的B端连接；第三耦合电感是由第五电感和第六电感组成，第五电感的一端为第五输入端，用于接入第一三相逆变电路，第六电感的一端为第六输入端，用于接入第二三相逆变电路，第五电感、第六电感的另一端连接形成第三共同输出端，用于与三相交流电机的C端连接。
具体的，所述第一三相逆变电路包括电源组、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂和第三开关管桥臂，所述电源组是由串联连接的第一直流电源和第二直流电源组成，其具有一正极和一负极，第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、第三开关管桥臂并联连接在电源组的正极和负极之间，第一开关管桥臂通过第一输入线路与第一电感的第一输入端连接，第二开关管桥臂通过第二输入线路与第三电感的第三输入端连接，第三开关管桥臂通过第三输入线路与第五电感的第五输入端连接。
其中，第一开关管桥臂是由串联连接的第一晶体管和第二晶体管组成，第二开关管桥臂是由串联连接的第三晶体管和第四晶体管组成，第三开关管桥臂是由串联连接的第五晶体管和第六晶体管组成。
具体的，所述第二三相逆变电路包括电源组、第四开关管桥臂、第五开关管桥臂和第六开关管桥臂，第二三相逆变电路和第一三相逆变电路共用一个电源组，第四开关管桥臂、第五开关管桥臂、第六开关管桥臂并联连接在电源组的正极和负极之间，第四开关管桥臂通过第四输入线路与第二电感的第二输入端连接，第五开关管桥臂通过第五输入线路与第四电感的第四输入端连接，第六开关管桥臂通过第六输入线路与第六电感的第六输入端连接。
其中，第四开关管桥臂是由串联连接的第七晶体管和第八晶体管组成，第五开关管桥臂是由串联连接的第九晶体管和第十晶体管组成，第六开关管桥臂是由串联连接的第十一晶体管和第十二晶体管组成。
该零共模电压控制电路的共模电压计算如下：
Figure BDA0002932557310000061
不同于普通三相逆变器的共模电压(三个开关值的平均值)，并联逆变器的共模电压是正负直流母线电压之间六个开关值的平均值，偶数特性使它有可能为零。如果使用如图3所示的电压矢量，就能始终保持3个“1”、3个“0”，从而使共模电压为零。但是由此演变的算法会因为对应相之间的循环电流增加，虽然通过调整之后可以实现在一个周期内每一项电压差的达到平衡，但是循环电流一直存在，并且如图4所示的循环电流在相区交替时由于不对称现象会有尖峰，因此，在具体实施时，还需要基于循环电流问题进行算法改进。
算法内容如下所示：
主要是对零共模电压算法循环电流尖峰的改善。首先是循环电流作用时间最优化的实现。通过这样的操作，会将零序循环电流有所改善，但是对于单相的循环电流的尖峰现象没有帮助，因此需要进一步做出调整。在这里，以B相为例，B相的尖峰主要在sector1-sector2以及sector4-sector5的区间交换处，如图5所示：a图可以看出交错处会使得du/dt很大，经过b图的改动，会使得电压差的变化更加平缓。在这里进行的前提是：
1、双逆变器必须保持3个“1”、3个“0”的pwm输出；
2、保证每个周期内每一相的电压差平衡；
3、尽量减少开关次数；
因此再不改变其他相的情况下可调整的自由度也是有限的，只能是有电压差时间段可以调换，图中将双逆变器sector1的B相进行调换，为了避免产生新的不对称现象，于是将整个sector6进行对调，可得到b图，其他项，便在此基础上进行相应的调整，不再赘述。
具体零共模电压控制算法步骤如下：
步骤一：明确循环电流产生机理与改进思路。由于并联逆变器的结构，以A相为例，如果A1和A2两相的电压不平衡，就会产生循环电流，零共模电压脉宽调制方法还是以传统的7段法为基础做出相应的调整，比如在第一个相区，如表1所示：
表1零共模电压脉宽调制法sector1pwm信号
时间 逆变器1 逆变器2
t0/4 111 000
t1/2 110 100
t2/2 100 101
t0/2 000 111
t1/2 100 110
t2/2 101 100
t0/4 111 000
A相有电压差的时间为t0，对应着的循环电流时间也是t0；B相有电压差的时间为t0+t1，对应着的循环电流时间也是t0+t1；C相有电压差的时间为t0+t2，对应着的循环电流时间也是t0+t2。由于只有“1”、“0”两个状态，则电压差的幅值是确定的(±Vdc)，那么在一个周期内三相的总循环电流只与循环电流时间相关，循环电流的大小是由同一电压差作用的时间相关，因为在耦合电感两端加上一个电压，电流的变化如下式：
Figure BDA0002932557310000081
在这里U是一个定值，所以可得：
Figure BDA0002932557310000082
循环电流大小与时间成正比，循环电流的尖峰与电压差值的变化相关，如图6所示的在相区交换时不对称现象，会因为电压差±Vdc的快速变化导致尖峰很大，所以以上两个因素会影响到零序循环电流(三相电流之和)和差模循环电流(单相循环电流)。
步骤二：循环电流作用时间最优化的实现。由于要以消去共模电压为前提，那么任何时刻必须保证3个“1”、3个“0”，对于电压矢量的选择，除开零矢量为“111”+“000”三相同时有电压差，其他的情况均会保持只有一相存在电压差，那么根据7段法，理论上存在7个时间段均只有一相存在电压差的最优化排布，而又要求一个周期内每一相的电压差平衡，则只有以下几种可能，A相循环电流时间为t0，其中+Vdc作用t0/4、t0/4,-Vdc作用t0/2，B相循环电流时间为t1，其中±Vdc分别作用t1/2，C相循环电流时间为t2，其中±Vdc分别作用t2/2，三相可以相互调换，因此零序循环电流的最优化只能是通过两种相反的常电压矢量取代零电压矢量。而采用非零电压矢量为了尽可能减少开关次数，需要对各个时段的pwm信号进行调整，以sector1为例，可以得到如表2所示的pwm信号。
表2采用非零电压矢量脉宽调制法sector1pwm信号
Figure BDA0002932557310000083
Figure BDA0002932557310000091
步骤三：利用并联逆变器的电压矢量计算出t1、t2的值，其中设定几个常量。
Figure BDA0002932557310000092
表3可以得到每一个区间对应的t1、t2的值。
表3各区间t1、t2
Sector1 Sector2 Sector3 Sector4 Sector5 Sector6
t1 T S -R -T -S R
t2 -S R T S -R -T
步骤四：根据需要得到的pwm计算出相应的比较值，在这里，采用幅值为Ts/2周期为Ts的三角波作为载波，可以得到相应的比较值。
表4比较值
Figure BDA0002932557310000093
Figure BDA0002932557310000101
利用比较值与载波得到相应的pwm信号，经过控制板输出传递到驱动板，利用驱动芯片从而控制功率板的开关器件。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，运用于三相交流电机，其特征在于：包括驱动三相交流电机的第一三相逆变电路、第二三相逆变电路以及连接在第一三相逆变电路、第二三相逆变电路和三相交流电机之间的并联逆变器，所述并联逆变器包括第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感；
所述第一耦合电感的一端设有分别连接所述第一三相逆变电路、第二三相逆变电路的第一输入端和第二输入端，所述第一耦合电感的另一端设有连接所述三相交流电机的A端的第一共同输出端；
所述第二耦合电感的一端设有分别连接所述第一三相逆变电路、第二三相逆变电路的第三输入端和第四输入端，所述第二耦合电感的另一端设有连接所述三相交流电机的B端的第二共同输出端；
所述第三耦合电感的一端设有分别连接所述第一三相逆变电路、第二三相逆变电路的第五输入端和第六输入端，所述第三耦合电感的另一端设有连接所述三相交流电机的C端的第三共同输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，其特征在于：
所述第一耦合电感是由第一电感和第二电感组成，所述第一电感的一端为所述第一输入端，所述第二电感的一端为所述第二输入端，所述第一电感、第二电感的另一端连接形成所述第一共同输出端；
所述第二耦合电感是由第三电感和第四电感组成，所述第三电感的一端为所述第三输入端，所述第四电感的一端为所述第四输入端，所述第三电感、第四电感的另一端连接形成所述第二共同输出端；
所述第三耦合电感是由第五电感和第六电感组成，所述第五电感的一端为所述第五输入端，所述第六电感的一端为所述第六输入端，所述第五电感、第六电感的另一端连接形成所述第三共同输出端。
3.根据权利要求2所述的一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，其特征在于：所述第一三相逆变电路包括电源组、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂和第三开关管桥臂，所述电源组具有一正极和一负极，所述第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、第三开关管桥臂并联连接在所述电源组的正极和负极之间，所述第一开关管桥臂通过第一输入线路与所述第一电感的第一输入端连接，所述第二开关管桥臂通过第二输入线路与所述第三电感的第三输入端连接，所述第三开关管桥臂通过第三输入线路与所述第五电感的第五输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，其特征在于：所述第一开关管桥臂是由串联连接的第一晶体管和第二晶体管组成，所述第二开关管桥臂是由串联连接的第三晶体管和第四晶体管组成，所述第三开关管桥臂是由串联连接的第五晶体管和第六晶体管组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，其特征在于：所述第二三相逆变电路包括电源组、第四开关管桥臂、第五开关管桥臂和第六开关管桥臂，所述电源组具有一正极和一负极，所述第四开关管桥臂、第五开关管桥臂、第六开关管桥臂并联连接在所述电源组的正极和负极之间，所述第四开关管桥臂通过第四输入线路与所述第二电感的第二输入端连接，所述第五开关管桥臂通过第五输入线路与所述第四电感的第四输入端连接，所述第六开关管桥臂通过第六输入线路与所述第六电感的第六输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，其特征在于：所述第四开关管桥臂是由串联连接的第七晶体管和第八晶体管组成，所述第五开关管桥臂是由串联连接的第九晶体管和第十晶体管组成，所述第六开关管桥臂是由串联连接的第十一晶体管和第十二晶体管组成。
7.根据权利要求3或5所述的一种基于并联逆变器减小循环电流的零共模电压控制电路，其特征在于：所述电源组是由串联连接的第一直流电源和第二直流电源组成。
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