CN115242110A - 一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，包括电感L1和L2，二极管D1和D2，IGBT开关器件S1和S2，以及电容C1；所述电感L1的一端连接直流电网的正极端，所述电感L1的另一端经开关器件S1连接电感L2的一端，所述电感L2的另一端连接电流源逆变器，所述二极管D1的一端连接于电感L1和开关器件S1之间，所述二极管D1的另一端同时连接开关器件S2的一端和电容C1的一端，所述开关器件S2的另一端连接于开关器件S1和电感L2之间，同时连接二极管D2的一端，所述电容C1的另一端同时连接直流电网的负极端、D2的另一端和电流源逆变器。该前级电路不仅能够生成电流源逆变器侧的电流，还可以控制直流电网侧电流的大小，且具有较低功耗。

Description

一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路
技术领域
本发明属于电流源逆变器领域，具体涉及一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路。
背景技术
用于电机驱动的电流源逆变器（CSI）具有电压电流谐波小，大功率时效率高，升压驱动等优点，在大功率驱动场合是一种可能采用的逆变器结构。
电流源逆变器可以把直流电流调制为交流电流，它能够控制交流侧电流大小，但不能控制直流侧电流。因此电流源逆变器驱动系统经常为两级结构，逆变器本身为一级，逆变器与电网之间接入的直流电流生成电路为一级，即前级电路。当连接交流电网时，前级电路可采用电流源型整流器（CSR），而连接直流电网时，则可采用DC/DC电路。例如连接直流电网时，一种常见方式就是用Buck电路产生所需的直流电流，如图2所示，但这会在直流侧产生较大的脉动电流，如果采用级联的Buck电路结构，又会带来较大的器件功率损耗。上述问题限制了电流源逆变器在普通直流电网中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，该前级电路不仅能够生成电流源逆变器侧的电流，还可以控制直流电网侧电流的大小，且具有较低功耗。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，包括电感L1和L2，二极管D1和D2，IGBT开关器件S1和S2，以及电容C1；所述电感L1的一端连接直流电网的正极端，所述电感L1的另一端经开关器件S1连接电感L2的一端，所述电感L2的另一端连接电流源逆变器，所述二极管D1的一端连接于电感L1和开关器件S1之间，所述二极管D1的另一端同时连接开关器件S2的一端和电容C1的一端，所述开关器件S2的另一端连接于开关器件S1和电感L2之间，同时连接二极管D2的一端，所述电容C1的另一端同时连接直流电网的负极端、D2的另一端和电流源逆变器。
进一步地，所述前级电路可同时对直流侧与电流源侧电流进行控制，产生所需要的电流。
进一步地，电容C1电压高于直流电网电压。
进一步地，当开关器件S1导通时，电感L1电流i 1通过开关器件S1流向电感L2，此时电感L2电流i 6=i 2+i 4，其中i 4来自i 3或i 5，取决于开关器件S2是否导通；
当开关器件S1关闭时，电感L1电流i 1给电容C1充电，引起电容C1电压升高；此时电感L2电流i 6全部来自i 4，根据开关器件S2导通状态，i 4来自i 3或i 5；
电容C1起缓冲和能量存储的作用，当电容电压超过设定值（设定值应高于直流电网电压）时，开关器件S2打开，此时电容C1放电，经电感L2流向负载；
当开关器件S1导通且开关器件S2关断时，直流电网电压经过电感L1，由于i 1=i 2 <i 6，故二极管D2导通，开关器件S1与电感L2之间连接点电压近似为直流电网负极端电压，故电感L1电流i 1增大；
当开关器件S1截止时，二极管D1导通，或者开关器件S1导通而开关器件S2也导通时，电感L1一端接直流电网，另一端接电容C1正极；由于电容C1电压高于直流电网电压，此时电感L1电流减小。
进一步地，所述开关器件S1的控制过程为：假设应送往电流源逆变器的直流电流为I MRef，实际运行中该电流为i 6，将I MRef和i 6送入第一减法器中做差，差值送入第一PI控制器，得到直流电网侧应输入电流I GRef；将I GRef作为参考电流值与实际输入电流值i 1在第二减法器中做差，差值送入第二PI控制器，得到控制量u ctrl1；以此进行调制，即与第一载波发生器产生的载波，通过第一比较器进行比较，即得到开关器件S1的驱动信号G 1。
进一步地，所述开关器件S2的控制过程为：假设电容C1的参考电压为U CRef，电容C1的实际工作电压为U C1，将二者送入第三减法器中做差，差值送入第三PI控制器，得到控制量u ctrl2；以此进行调制，即与第二载波发生器产生的载波，通过第二比较器进行比较，即得到开关器件S2的驱动信号G 2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中能量从直流电网到驱动负载，一部分通过二极管D1和开关器件S2，而另一部分仅通过开关器件S1，特别是当电机转速较高时，送往负载的电流i 6接近直流侧电流i 1，大部分能量只通过开关器件S1到达负载，从而有利于减少器件的损耗。同时电流i 1和i 6均为连续而非脉冲电流，前者有利于减少对电网的冲击，从而无需额外的大容量电容等进行滤波，后者则满足了CSI电路的需要。
附图说明
图1是本发明实施例的前级电路图。
图2是本发明实施例中可产生直流电流的常规的前级电路图。
图3是本发明实施例中电流源逆变器结构图。
图4是本发明实施例中开关器件S1的控制电路图。
图5是本发明实施例中开关器件S2的控制电路图。
图6是本发明实施例中前级电路中多个支路的电流波形图。
图7是本发明实施例中采用该前级电路后电流源逆变器的电机驱动相关参数波形图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
常规的电流源逆变器（CSI）如图3所示，通过各相开关器件的控制，在导通时间内把直流电流接入不同电路，即对电流进行调制，通过电容滤波后，电机可获得正弦驱动电流。
如图1所示，本实施例提供了一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，串联于常规CSI与直流电网之间，包括电感L1和L2，二极管D1和D2，IGBT开关器件S1和S2，以及电容C1；所述电感L1的一端连接直流电网的正极端，所述电感L1的另一端经开关器件S1连接电感L2的一端，所述电感L2的另一端连接电流源逆变器，所述二极管D1的一端连接于电感L1和开关器件S1之间，所述二极管D1的另一端同时连接开关器件S2的一端和电容C1的一端，所述开关器件S2的另一端连接于开关器件S1和电感L2之间，同时连接二极管D2的一端，所述电容C1的另一端同时连接直流电网的负极端、D2的另一端和电流源逆变器。
上述电机驱动用电流源逆变器的前级电路可同时对直流侧与电流源侧电流进行控制，产生所需要的电流。其工作原理为：
（1）当开关器件S1导通时，电感L1电流i 1通过开关器件S1流向电感L2，此时电感L2电流i 6=i 2+i 4，其中i 4可能来自i 3，也可能来自i 5，取决于开关器件S2是否导通。
（2）当开关器件S1关闭时，电感L1电流i 1给电容C1充电，引起电容C1电压升高；此时电感L2电流i 6全部来自i 4，根据开关器件S2导通状态，i 4可能来自i 3，也可能来自i 5。
（3）电容C1起缓冲和能量存储的作用，当电容电压超过设定值（设定值应高于直流电网电压）时，开关器件S2打开，此时电容C1放电，经电感L2流向负载。
（4）当开关器件S1导通且开关器件S2关断时，直流电网电压经过电感L1，由于i 1=i 2< i 6，故二极管D2导通，开关器件S1与电感L2之间连接点电压近似为直流电网负极端电压，故电感L1电流i 1增大。
（5）当开关器件S1截止时，二极管D1导通，或者开关器件S1导通而开关器件S2也导通时，电感L1一端接直流电网，另一端接电容C1正极；由于电容C1电压高于直流电网电压，此时电感L1电流减小。
从上述分析可知，（1）若S1导通，直流电网电压将通过电感直接作用于CSI电路，当驱动电机转速低时，反电动势小，无法平衡直流电网电压 ，将引起电流持续增大。当S1关断时，直流电网侧通过电感L1连接电容C1，由于C1电压高于直流电网电压U g1，会使i 1电流减小。因此通过控制S1开关可控制直流电网侧电流i 1。（2）电容C1起能量缓冲或者变流的作用，吸收部分i 1电流，并转换为i 3电流，最终输出到CSI电路的电流i 6来自电网侧电流i 2和来自能量缓冲电路i 4。基于电容C1的缓冲电路无法控制其输出电流，而是取决于输入电流i 1，电流i 1越大，输入能量越多，经过缓冲电路变流后，输出电流i 4也越大。（3）从能量平衡角度考虑，假设CSI输出负载电流不变，当驱动电机转速低时，反电动势低，负载耗能较小，电流i 6远大于电流i 1，此时S1在开关周期内大部分时间处于关断状态，因此大部分能量通过电容C1缓冲变流后送到i 6；当电机转速升高，反电动势增大，负载耗能增大，电流i 6逐渐逼近i 1，此时S1在开关周期内大部分时间处于导通状态，大部分电流直接由直流电网通过S1流向负载。
所述前级电路中开关器件S1的控制方法如图4所示。假设应送往电流源逆变器的直流电流为I MRef（其值与电机控制算法有关，不属于本发明范围），此即为驱动电机控制算法中所需要的CSI直流电流参考值，实际运行中该电流为i 6，将I MRef和i 6送入减法器1中做差，差值送入PI控制器1，得到直流电网侧应输入电流I GRef；将I GRef作为参考电流值与实际输入电流值i 1在减法器2中做差，差值送入PI控制器2，得到控制量u ctrl1；以此进行调制，即与载波发生器1产生的载波，通过比较器1进行比较，即得到开关器件S1的驱动信号G 1。
开关器件S2的控制方法如图5所示。假设电容C1的参考电压为U CRef（高于直流母线电压），电容C1的实际工作电压为U C1，将二者送入减法器3中做差，差值送入PI控制器3，得到控制量u ctrl2；以此进行调制，即与载波发生器2产生的载波，通过比较器2进行比较，即得到开关器件S2的驱动信号G 2。
采用本发明的前级电路的控制效果如图6所示，可以看到尽管i 2和i 4均存在脉冲电流，但直流电网侧电流i 1和CSI侧电流i 6较为平稳，仅包含开关谐波。采用该型CSI逆变器驱动电机效果如图7所示，可以看到电机可以获得平稳的正弦电流及实现调速运行。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，其特征在于，包括电感L1和L2，二极管D1和D2，IGBT开关器件S1和S2，以及电容C1；所述电感L1的一端连接直流电网的正极端，所述电感L1的另一端经开关器件S1连接电感L2的一端，所述电感L2的另一端连接电流源逆变器，所述二极管D1的一端连接于电感L1和开关器件S1之间，所述二极管D1的另一端同时连接开关器件S2的一端和电容C1的一端，所述开关器件S2的另一端连接于开关器件S1和电感L2之间，同时连接二极管D2的一端，所述电容C1的另一端同时连接直流电网的负极端、D2的另一端和电流源逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，其特征在于，所述前级电路可同时对直流侧与电流源侧电流进行控制，产生所需要的电流。
3.根据权利要求1所述的一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，其特征在于，电容C1电压高于直流电网电压。
4.根据权利要求1所述的一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，其特征在于，当开关器件S1导通时，电感L1电流i 1通过开关器件S1流向电感L2，此时电感L2电流i 6=i 2+i 4，其中i 4来自i 3或i 5，取决于开关器件S2是否导通；
当开关器件S1关闭时，电感L1电流i 1给电容C1充电，引起电容C1电压升高；此时电感L2电流i 6全部来自i 4，根据开关器件S2导通状态，i 4来自i 3或i 5；
电容C1起缓冲和能量存储的作用，当电容电压超过设定值时，开关器件S2打开，此时电容C1放电，经电感L2流向负载；
当开关器件S1导通且开关器件S2关断时，直流电网电压经过电感L1，由于i 1=i 2 < i 6，故二极管D2导通，开关器件S1与电感L2之间连接点电压近似为直流电网负极端电压，故电感L1电流i 1增大；
当开关器件S1截止时，二极管D1导通，或者开关器件S1导通而开关器件S2也导通时，电感L1一端接直流电网，另一端接电容C1正极；由于电容C1电压高于直流电网电压，此时电感L1电流减小。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，其特征在于，所述开关器件S1的控制过程为：假设应送往电流源逆变器的直流电流为I MRef，实际运行中该电流为i 6，将I MRef和i 6送入第一减法器中做差，差值送入第一PI控制器，得到直流电网侧应输入电流I GRef；将I GRef作为参考电流值与实际输入电流值i 1在第二减法器中做差，差值送入第二PI控制器，得到控制量u ctrl1；以此进行调制，即与第一载波发生器产生的载波，通过第一比较器进行比较，即得到开关器件S1的驱动信号G 1。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种电机驱动用电流源逆变器的前级电路，其特征在于，所述开关器件S2的控制过程为：假设电容C1的参考电压为U CRef，电容C1的实际工作电压为U C1，将二者送入第三减法器中做差，差值送入第三PI控制器，得到控制量u ctrl2；以此进行调制，即与第二载波发生器产生的载波，通过第二比较器进行比较，即得到开关器件S2的驱动信号G 2。
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