CN112928942A - 一种三相逆变电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相逆变电路，涉及电源系统领域。该三相逆变电路直流侧正输入端和/或负输入端串联有开关管。所述开关管的控制极连接控制模块。本发明实现了低纹波的输入电流，降低第一电容的容值，并有效减小输入滤波器的体积，降低成本的同时，可稳定输出三相正弦电压，控制更加精确，且更加简单。

Description

一种三相逆变电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电源系统，特别是一种三相逆变电路及其控制方法。
背景技术
三相逆变电路被广泛应用于电机驱动、不间断电源等装置中。由于三相逆变电路的输入电流是断续的，给装置带来了较大的电磁干扰。为了抑制该电磁干扰，常使用的方法是加大输入电解电容的容值或输入侧采用LC滤波器等无源滤波方式，以降低输入电源的电流纹波，从而降低装置的干扰。但上述两种方法在增加器件成本的同时也增加了装置的体积，不利于装置小型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种三相逆变电路及其控制方法，用以解决现有技术增加成本且增加装置体积的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种三相逆变电路，其特征在于，该三相逆变电路直流侧正输入端和/或负输入端串联有开关管；所述开关管的控制极连接控制模块。将所述开关管串联至三相逆变电路的前端，所述开关管与三相逆变电路输入侧的电容可构成一个类似于包含可变电阻的有源RC滤波器，通过控制可实现低输入电流纹波，同时降低三相逆变电路输入侧的电容的容值。
进一步地，所述开关管为三极管。所述三级管工作在线性区域时，发射极输出电流与集电极驱动电流成倍数关系，可通过控制驱动电流从而改变所述三级管的导通电阻，由此即可实现发射极输出电流的恒定输出。
进一步地，所述开关管串联在所述三相逆变电路的负输入端。使得电路结构更简洁，控制方法更简单。
进一步地，所述三相逆变电路的交流侧接有LC滤波器；所述LC滤波器包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电容采用三角形接法。
一种三相逆变电路的控制方法，经采样得到该三相逆变电路的单相电压，经软件调用生成电压的正弦参考值；所述单相电压与所述正弦参考值经过第一次PI调节，得到的输出电流作为所述开关管的驱动电流。由此可通过所述第一PI调节器控制所述开关管的的输入电流，在所述三相逆变电路输入侧的电容值较小的情况下，即可实现低输入电流纹波。
进一步地，经采样和计算得到所述三相逆变电路的输入电流；所述三相逆变电路的输入电流以及所述开关管接入电路的两极之间的电压经过第二次PI调节后，进行SPWM调节。由此可通过所述第二次PI调节与所述SPWM调节来实现所述三相逆变电路的稳定正弦波电压输出。
进一步地，所述第二次PI调节的比例系数大于所述第一次PI调节的比例系数。因此，所述第二次PI调节穿越频率更大，从而使得所述第二次PI调节的响应速度快于所述第一次PI调节，可实现稳定调节。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过在三相逆变器输入侧串联一个所述开关管，经过第一PI调节器，第二PI调节器和SPWM调制器的控制，实现了低纹波的输入电流，降低所述三相逆变电路输入侧的电容容值，有效减小输入滤波器的体积，控制成本的同时，可稳定输出三相正弦电压，控制更加精确，且更加简单。
附图说明
图1是本发明的三相逆变装置控制系统示意图。
图2是本发明的三相逆变装置控制方法示意图。
图3是未采用本发明的输入电流曲线图。
图4是未采用本发明的A相输出电压波形。
图5是采用发明的输入电流曲线。
图6是采用本发明的A相输出电压波形。
图7是三极管的输出特性曲线图。
其中，S1，S2，S3，S4，S5，S6为IGBT功率开关管，VD1，VD2，VD3，VD4，VD5，VD6为二极管，L1，L2，L3为输出滤波电感，C1，C2，C3为输出滤波电容，Cdc为第一电容，PI1为第一PI调节器，PI2为第二PI调节器，Idc为输入电流，D为三极管，P为三相逆变电路的正输入端，N为三相逆变电路的负输入端，Ia，Ib，Ic分别为三个单相逆变电路的输出电流，Va，Vb，Vc分别为三个单相逆变电路的输出电压，Vdc为输入电压，VCE为三极管集电极和发射极两端的电压，Vsin为正弦参考值，Po为三相逆变电路的瞬时输出功率，IB为三极管的驱动电流，ICE为三极管导通电流，r1和r2为三极管的等效阻抗。
具体实施方式
本实施例中，所述开关管为三极管D，所述控制级为所述三极管D的基极。三相逆变电路输入侧的电容为第一电容Cdc。
如图1所示，本实施例的三相逆变电路包括三相桥式逆变电路，第一电容Cdc，三极管D，采样模块和中央控制器。所述采样模块包括电流采样模块和电压采样模块。所述三相桥式逆变电路由三个单相逆变电路和LC滤波器组成。所述每个单相逆变电路由IGBT功率管和反并联在功率管IGBT的EC级之间的二极管构成。所述LC滤波器含滤波电感和滤波电容，所述滤波电容采用三角形接法。所述三极管D串联在所述三相逆变电路的直流输入侧，其发射极E接所述三相逆变电路输入端的N点，其集电极D接第一电容Cdc的负极，其基极B连接所述中央控制器。
如图2所示，所述中央控制器包括第一PI调节器PI1，第二PI调节器PI2和SPWM调制器，本实施例选取的中央控制器为TMS320F28335核心板。
如图2所示，本实施例的三相逆变电路的控制方法为：
所述电压采样模块得到三相输出的A相输出电压Va，所述三相逆变电路输出的单相电压Va与正弦参考值Vsin的误差输入至所述第一PI调节器PI1，即为第一次PI调节，所述第一PI调节器PI1的输出电流IB用于三极管的驱动。
如图7所示，所述三极管D驱动电流IB越大，则所述第一电容Cdc的容值越大。图7为所述三极管D的输出特性曲线，其中，纵坐标为三极管导通电流ICE＝βIB，横坐标为所述三极管集电极C和发射极E两端的电压VCE，r1和r2分别为VCE一定时，不同驱动电流IB作用下曲线1和曲线2的CE两端等效阻抗。曲线2的驱动电流大于曲线1，则r2大于r1。而极管的CE两端等效阻抗ZCE与第一电容Cdc构成一个有源滤波器，假设截止频率为f，则Cdc＝4π2f2ZCE。因此所述驱动电流IB与所述第一电容Cdc的容值大小成正向相关性，所述驱动电流IB越大，所述第一电容Cdc的容值越大。通过控制所述三极管的驱动电流IB，可实现所述第一电容为较小容值的情况下低电流纹波输入。
所述电流采样模块和所述电压采样模块对所述三相逆变器的输出电流Ia，Ib，Ic和输出电压Va、Vb、Vc经过采样和计算得到瞬时输出功率Po，所述三相输出功率Po除以输入电压Vdc，得到输入电流Idc。所述电压采样模块得到所述三极管集电极C和发射极E两端的电压VCE。所述三极管集电极C和发射极E两端电压VCE用做反馈值，所述输入电流Idc作为给定值，两者的误差经过第二PI调节器PI2调节，即为第二次PI调节，将所述第二PI调节器PI2的输出接入所述SPWM调制器，进而控制所述三相逆变电路输出稳定的正弦电压。
上述方案使得所述三相逆变电路实现稳定正弦电压的输出，同时实现所述第一电容为较小容值的情况下低电流纹波输入。
本实施例在仿真软件PSIM中搭建了仿真模型进行验证。
仿真模型参数设计如下：
所述滤波电感L1＝L2＝L3＝350μH，所述滤波电容C1＝C2＝C3＝10μF，仿真时间0.1s，仿真步长1e-7s，Vdc＝200V，Va＝150sin(314t)，Vb＝150sin(314t+π/3)，Vc＝150sin(314t+2π/3)，Po＝3375W，开关频率fs＝20kHz，所述正弦电压参考值Vsin取值为1。
图3和图4对应未采用本发明的仿真，仅通过所述第二PI调节器PI2与所述SPWM调制器控制输出稳定三相交流电压，具体步骤为：将所述单相输出电压Va和所述正弦电压参考值Vsin的误差，输入到所述第二PI调节器PI2，所述第二PI调节器PI2的输出直接进入到所述SPWM调制器中，从而控制三相逆变器稳定输出三相交流电压。其中，所述第二PI调节器PI2的系数取值为kP＝0.01，kI＝1e-5，所述第一电容容值Cdc＝200μF。
图5和图6对应采用本发明的仿真，所述第一PI调节器PI1的系数取值为kP＝0.01，kI＝1e-5；所述第二PI调节器PI2的系数取值为kP＝0.3，kI＝1e-4，所述第一电容容值Cdc＝20μF。
由图3和图4可以看出，未采用本发明的仿真可以输出稳定三相交流电压，所述第一电容Cdc容值较大的情况下，输入电流纹波为12A。从图5和图6的可以看出，采用本发明的仿真不仅没可以输出稳定三相交流电压，且在所述第一电容Cdc容值较小的情况下，输入电流的纹波仅为0.16A。可以得出，未采用本发明的仿真，是采用了本发明的输入电流纹波的75倍。因此采用了本发明的仿真结果为，本发明不仅能够实现稳定三相交流电压的输出，同时实现所述第一电容为较小容值的情况下降低电流纹波输入。

Claims (7)

1.一种三相逆变电路，其特征在于，该三相逆变电路直流侧正输入端和/或负输入端串联有开关管；所述开关管的控制极连接控制模块。
2.根据权利要求1所述的三相逆变电路，其特征在于，所述开关管为三极管。
3.根据权利要求1所述的三相逆变电路，其特征在于，所述开关管串联在所述三相逆变电路的负输入端。
4.根据权利要求1所述的三相逆变电路，其特征在于，所述三相逆变电路的交流侧接有LC滤波器；所述LC滤波器包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电容采用三角形接法。
5.一种三相逆变电路的控制方法，其特征在于，采样得到三相逆变电路的单相电压；将所述单相电压与正弦参考值的误差进行第一次PI调节，得到的输出电流作为所述开关管的驱动电流。
6.根据权利要求5所述的三相逆变电路的控制方法，其特征在于，获取三相逆变电路的输入电流；以所述三相逆变电路的三相输入电流为给定值，以所述开关管两个串联端之间的电压为反馈值，对所述给定值与所述反馈值的误差进行第二次PI调节，对第二次PI调节的输出进行SPWM调节，控制所述开关管的电压输出。
7.根据权利要求6所述的三相逆变电路的控制方法，其特征在于，所述第二次PI调节的比例系数大于所述第一次PI调节的比例系数。
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