CN115242065A - 一种降低不控整流电压纹波的拓扑及其控制方法 - Google Patents

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贾超
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Abstract

本发明提供一种降低不控整流电压纹波的拓扑及其控制方法，属于变频器技术领域，包括：三相全桥整流模块D、直流电抗L、直流电流传感器CV2、第一电容滤波模块C1、负载R、电容电压检测模块TV1和三相电网电压检测模块TV2；还提供该拓扑的控制方法，降低变频轻载时的输入侧电流谐波，降低对电网的污染，减少一半以上的电容容量，大大减小了变频器的体积。

Description

一种降低不控整流电压纹波的拓扑及其控制方法
技术领域
本发明属于变频器技术领域，具体涉及一种降低不控整流电压纹波的拓扑及其控制方法。
背景技术
变频器在工业控制中得到了非常广泛的应用，其中大部分变频器产品都是输入用不控二极管整流的两象限电压源型变频器。但这种二极管整流方式存的突出弊端为：电网侧产生的谐波电流成分大、且整流后的电压有六倍频的电压波动。在变频器中往往需要的是稳定的直流电压来减少变频器输出电压谐波抑制负载电机的转矩波动等。为了达到直流电压稳定的目的，在变频器内增加直流电感和直流滤波电容构成的滤波器，滤除直流电压波动。但直流电感和直流滤波电容的体积相对较大，成本高，尤其是在大功率变频器中，造价占比明显。而如果采用PWM整流的四象限变频器方案，则输入侧的三个电感加上全功率的可控整流开关器件的体积、成本也都无法达到理想水平。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种降低不控整流电压纹波的拓扑及其控制方法，以解决上述技术问题。
第一方面，本发明提供一种降低不控整流电压纹波的拓扑，包括：三相全桥整流模块D、补偿模块、直流电流传感器CV2、第一电容滤波模块C1、负载R、电容电压检测模块TV1和三相电网电压检测模块TV2；
其中，三相电网电压检测模块TV2和三相全桥整流模块D分别接入电网中，补偿模块与所述三相全桥整流模块D串联，第一电容滤波模块C1与补偿模块连接，负载R与第一电容滤波模块C1连接，电容电压检测模块TV1并联在第一电容滤波模块C1的两端；所述补偿模块包括：电抗器支路和受控支路；所述电抗器支路包括直流电抗L；在所述受控支路的输入端设置电抗器L1，所述受控支路包括至少两个串联的H桥逆变器INV；每个H桥逆变器INV对应连接第二电容滤波模块C2、第二电容滤波模块C2对应连接单相全桥整流回路，单相全桥整流回路连接对应供电的变压器T，在受控支路的输出端设置第一电流传感器CV1和电抗器L1。
第二方面，本发明提供一种降低不控整流电压纹波的拓扑的控制方法，包括：
通过电压检测模块TV1获取滤波模块电容端电压信号，并进行信号处理得到稳定直流电压；
电网检测模块TV2采集三相电网电压信号，通过电网电压信号拟合出三相全桥整流模块D的直流输出电压；
根据所述稳定直流电压和直流输出电压计算补偿模块的电压前馈指令；
通过直流电流传感器CV2获取母线上的总电流信号，并进行信号处理得到稳定直流电流；
根据所述总电流和稳定直流电流计算补偿模块的电流指令；
通过第一电流传感器CV1获取补偿模块的实际电流；
根据补偿模块的电压前馈指令、电流指令和实际电流确定补偿模块的电压指令；
根据补偿模块的电压指令按照载波移相的方法产生所述H桥逆变器INV的驱动信号。
进一步地，所述信号处理的方式为滑动平均滤波。
进一步地，所述根据所述稳定直流电压和直流输出电压计算补偿模块的电压前馈指令；公式为Vset=(Vdc-Vavr)×(l+l1)l，其中Vset为电压前馈指令，Vavr为稳定直流电压，Vdc为直流输出电压，l为直流电抗L的电感值，ll为所述电抗器L1的电感值。
进一步地，根据所述总电流和稳定直流电流计算补偿模块的电流指令的公式为Iset=(Iall-Iavr)，其中，Iset为电流指令，Iall为总电流，Iavr为稳定直流电流。
进一步地，载波移相的角度为180度/N。
本发明的有益效果在于，本发明提供的一种降低不控整流电压纹波的拓扑及其控制方法，在不控整流回路后加入补偿模块后，可以明显的降低变频轻载时的输入侧电流谐波，降低对电网的污染；可以在常规变频器电容容量的基础上减少一半以上的电容容量，大大减小了变频器的体积，结构更加紧凑，有利于提高产品的竞争力。此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明一个实施例的拓扑结构示意图；
图2是本发明一个实施例的拓扑中补偿模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种控制方法相关参数计算示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请实施例提供一种降低不控整流电压纹波的拓扑，包括：三相全桥整流模块D、补偿模块、直流电流传感器CV2、第一电容滤波模块C1、负载R、电容电压检测模块TV1和三相电网电压检测模块TV2。在本拓扑中，除补偿模块外，其余器件构成变频器主功率回路；
其中，三相电网电压检测模块TV2和三相全桥整流模块D分别接入电网中，补偿模块与所述三相全桥整流模块D串联，第一电容滤波模块C1与补偿模块连接，负载R与第一电容滤波模块C1连接，电容电压检测模块TV1并联在第一电容滤波模块C1的两端；如图2所示，所述补偿模块包括：电抗器支路和受控支路；所述电抗器支路包括直流电抗L；在所述受控支路的输入端设置电抗器L1，所述受控支路包括至少两个串联的H桥逆变器INV；每个H桥逆变器INV对应连接第二电容滤波模块C2、第二电容滤波模块C2对应连接单相全桥整流回路，单相全桥整流回路连接对应供电的变压器T，在受控支路的输出端设置第一电流传感器CV1和电抗器L1。
本申请实施例在不控整流后的直流电路上增加一个补偿模块，三相交流输入电源经不控器件整流后，串联补偿模块，再通过第一电容滤波模块C1进行滤波后为逆变器负载供电，补偿模块由两条支路组成，一条为电抗器支路，另外一条包括多个H桥逆变器INV受控支路，其中H桥逆变器INV的数量按照电网的电压等级进行预设，例如，补偿模块需要输出的最大电压为变频器主功率回路的母线电压的12%左右，每个H桥逆变器INV的直流电压的最高电压为1000V，在10kV的变频器主功率回路中只需要2个H桥逆变器INV串联就可以满足要求。因此发明可以根据变频器的电压等级进行扩展，经测试证明本拓扑从0-10kV电压等级的变频器都适用，应用范围广。
在本实施例中补偿模块只补偿流过直流电抗L的电流的交流成分，所以补偿模块的平均功率为零，补偿模块产生的能量只有器件的自身发热损耗，功率十分小。采用本申请提供的拓扑可以有效的降低变频器轻载时输入侧的谐波，减小谐波了对电网的干扰，从而提升了变频器的性能。
受控支路中各个H桥逆变器INV的输出频率为电网频率的6倍，在基波周期内平均输出有功功率基本为0，所以补偿模块的单相全桥整流回路和第二电容滤波模块C2的容量都很小，而逆变部分的功率也只有H桥逆变器INV功率的6%左右，总体体积是不大的。
针对上述拓扑结构，本申请实施例还提供一种降低不控整流电压纹波的拓扑的控制方法，包括：
通过电压检测模块TV1获取第一滤波模块C1的电容端电压信号，对该电压信号进行滑动平均滤波，得到稳定直流。
通过电网检测模块TV2采集三相电网电压信号，通过电网电压信号拟合出三相全桥整流模块D的直流输出电压；具体地，通过电压检测模块TV2采集得到三相电网的交流线电压值Vab、Vbc、Vca；根据得到的三路电压求电压的绝对值得到|Vab|、|Vbc|、|Vca|；将|Vab|、|Vbc|、|Vca|中的最大值作为拟合出的三相全桥整流模块D的直流输出电压。
根据所述稳定直流和直流输出电压计算补偿模块的电压前馈指令，公式为Vset=(Vdc-Vavr)×(l+l1)/l，其中Vset为电压前馈指令，Vavr为稳定直流电压，Vdc为直流输出电压，l为直流电抗L的电感值，ll为所述电抗器L1的电感值。
获取直流电流传感器CV2检测得到母线上的总电流信号Iall，对该总电流信号进行滑动平均滤波，得到直流电流稳定Iavr；根据所述总电流和直流电流稳定数值计算补偿模块的电流指令，公式为Iset=(Iall-Iavr)，其中，Iall为总电流，Iavr为稳定直流电流，Iset为电流指令；通过电流传感器CV1获取补偿模块的实际电流Ifdb。
按照电流闭环的控制方法，根据补偿模块的电压前馈指令、电流指令Iset和实际电流确定补偿模块的电压指令；补偿模块电压指令由两部分组成，一部分为电压前馈指令Vset，另一部分为电流指令Iset与实际电流Ifdb的差值乘比例系数Kp，即（Iset-Ifdb）*Kp。
如图3所示，根据重新确定补偿模块的电压指令按照载波移相的方法产生N个补偿逆变器INV中开关器件的驱动信号，其中载波移相角度为180度/N。具体地，将补偿模块的电压指令作为调制信号，N个补偿逆器变INV有N个单元，获取作为第一单元载波的三角波信号，根据单元个数N将三角波信号依次平移180度/N，这样共得到N个相位不同的三角波信号。把正向和反向的调制信号与分别与N个三角波信号进行比较，得到N个补偿逆变器INV中开关器件的驱动信号pwm1、pwm2、…、pwmn。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内或任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种降低不控整流电压纹波的拓扑，其特征在于，包括：三相全桥整流模块D、补偿模块、直流电流传感器CV2、第一电容滤波模块C1、负载R、电容电压检测模块TV1和三相电网电压检测模块TV2；
其中，三相电网电压检测模块TV2和三相全桥整流模块D分别接入电网中，补偿模块与所述三相全桥整流模块D串联，第一电容滤波模块C1与补偿模块连接，负载R与第一电容滤波模块C1连接，电容电压检测模块TV1并联在第一电容滤波模块C1的两端；所述补偿模块包括：电抗器支路和受控支路；所述电抗器支路包括直流电抗L；在所述受控支路的输入端设置电抗器L1，所述受控支路包括至少两个串联的H桥逆变器INV；每个H桥逆变器INV对应连接第二电容滤波模块C2、第二电容滤波模块C2对应连接单相全桥整流回路，单相全桥整流回路连接对应供电的变压器T，在受控支路的输出端设置第一电流传感器CV1和电抗器L1。
2.一种降低不控整流电压纹波的拓扑的控制方法，其特征在于，包括：
通过电压检测模块TV1获取滤波模块电容端电压信号，并进行信号处理得到稳定直流电压；
电网检测模块TV2采集三相电网电压信号，通过电网电压信号拟合出三相全桥整流模块D的直流输出电压；
根据所述稳定直流电压和直流输出电压计算补偿模块的电压前馈指令；
通过直流电流传感器CV2获取母线上的总电流信号，并进行信号处理得到稳定直流电流；
根据所述总电流和稳定直流电流计算补偿模块的电流指令；
通过第一电流传感器CV1获取补偿模块的实际电流；
根据补偿模块的电压前馈指令、电流指令和实际电流重新确定补偿模块的电压指令；
根据重新确定补偿模块的电压指令按照载波移相的方法产生所述H桥逆变器INV的驱动信号。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述信号处理的方式为滑动平均滤波。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据所述稳定直流电压和直流输出电压计算补偿模块的电压指令的公式为Vset=(Vdc-Vavr)×(l+l1)l，其中Vset为电压指令，Vavr为稳定直流电压，Vdc为直流输出电压，l为直流电抗L的电感值，ll为所述电抗器L1的电感值。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据所述总电流和稳定直流电流计算补偿模块的电流指令的公式为Iset=(Iall-Iavr)，其中，Iset为电流指令，Iall为总电流，Iavr为稳定直流电流。
6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，载波移相的角度为180度/N。
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