CN1187715A - 用于电力变换设备的脉宽调制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力变换设备的脉宽调制方法,通过使具有相电流最大值的相位不开关而减小开关效率的损耗。该方法包括:根据负载电路的电压相位计算相电压命令的第一步;当提供给负载电路的电压和频率低于预定值时相对于相电压命令执行三相脉宽调制的第二步;当提供给负载电路的电压和频率高于预定值时计算具有与电流相位相同相位的新相电压命令的第三步;和执行脉宽调制使得具有在第三步中所获得的新相电压命令中电流最大绝对值的开关操作处于闲置的第四步。

Description

用于电力变换设备 的脉宽调制方法
本发明涉及一种用于电力变换设备的脉宽调制方法，特别是涉及一种用于电力变换设备的改进的脉宽调制方法，其能够通过使在三相中具有最大电流相的开关操作(Swit ching operation)变为闲置而减小开关效率的损耗。
近来，电力变换技术随着功率半导体器件的发展而有所发展，其中功率半导体器件能够进行高速开关操作。上述半导体器件有助于大大降低在变流器或逆变器中所产生的噪声，使得它能够将具有正弦波的电流应用于负载电路。
在功率半导体器件的开关操作过程中，会产生热和噪声，并且在低速开关操作过程中，还会产生高电平噪声，使得因不可能获得正弦波电压和电流，而要进行高速开关操作。当提高开关频率用以进行高速开关操作时，会出现开关效率的损耗，并且设置在电路中的散热板的温度会上升，由于温度的上升，会损坏器件。为了克服上述问题，进行了大量的研究。
图1表示常用电力变换设备的结构，其包括变流器1，它具有六个开关器件QC1-QC6，用以根据第一驱动信号dc1-dc6将交流AC变换为直流；滤波电容器C，用以将由此变换的直流电压进行滤波；逆变器2，其带有六个开关器件QI1-QI6，用以将由此滤波的直流电压变换为交流电压；电机M，其可根据所输入的变换交流电压进行操作；电流控制器3，用以检测由电机M的先前电路提供给电机M的电流，并且将由此检测的电压变换为具有固定坐标的电压Vqe，Vde，控制器4，用以接收输出电压Vqe，Vde，控制接收的输出电压并输出第一和第二开关信号cc1-cc3和ci1-ci3；第一驱动单元5，用以变换第一开关信号cc1-cc3的电平，并且将第一驱动信号dc1-dc6提供给交流器1的六个开关器件QC1-QC6的控制极；和第二驱动单元6，用以变换第二开关信号ci1-ci3的电平，并且将第二驱动信号di1-di6提供给变流器2的六个开关器件QI1-QI6的栅极。
现将对常用功率变换设备的操作进行说明。
当根据电机M的特性通过使用变流器1和逆变器2的预定电压和频率驱动电机M时，电流控制器3会检测应用于电机M的电压、电流、速度等，并且电流控制器3会输出旋转坐标的电压Vqe，Vde。控制器4将根据先前设置的程序相对于输出电压Vqe，Vde和其相位进行脉宽调制，并且输出开关命令，即以电压形式的第一和第二开关信号cc1-cc3和ci1-ci3，并且第一开关信号cc1-cc3的电平通过第一驱动单元5进行变换，然后将其分别提供给变流器1的开关器件QC1-QC6。由此转换开关器件QC1-QC6，并且第二开关信号ci1-ci3的电平通过第二驱动单元6进行变换，然后将其提供给逆变器2的开关器件QI1-QI6。开关器件QI1-QI6的变换，使得接收到可变电压和可变频率功率的电机M可以在预定速度下驱动。
在涉及由电流控制器3接收输出电压Vqe，Vde并产生开关信号以便分别转换变流器和逆变器2的常用脉宽调制方法中，公知有两种方法。亦即，在第一种方法中，将正弦波和三角形波进行比较，由此获得脉宽调制信号，而在第二种方法中，相对应电压进行脉宽调制。现将相对应三相和两相来描述第一种方法。
图2表示基于常用三相脉宽调制方法的电压信号的波形图。参考符号Vas-r，Vbs-r和Vcs-r表示u相、v相、和w相的相电压命令，其每个均具有象由逆变器2施加给电机M的虚线电压的波形一样的相同频率，标号PWM表示控制器4信号的三角形波形，和标号PWM-U，PWM-V和PWM-W是控制器4的第二开关信号ci1-ci3。
电流控制器3基于电压的相位θ接收旋转坐标的输出电压Vqe，Vde，并且将接收到的电压变换为固定坐标的电压，和控制器4相对于每相产生正弦波形的相电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r，并将由此产生的命令值与作为脉宽调制基准的三角形波PWM进行比较。
比较的结果，当每个相电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r的量值高于三角形波PWM时，信号处于高电平状态，当每个相电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r的量值不高于其时，会输出低电平第二开关信号PWM-U，PWM-V和PWM-W，并且第二驱动单元6会放大第二开关信号PWM-U，PWM-V和PWM-W的电平，然后输出驱动信号di1-di6，并且转换逆变器2的开关器件QI1-QI6。
另外，由于三角形波PWM是高频信号，所以由高频开关的开关器件QI1-QI6的开关频率会处于高频。开关频率越高，开关效率的损耗就越大。因此，由于冷却半导体器件和半导体芯片的散热板的温度增加，会使器件损坏。
为了克服上述问题，可以使用两相脉宽调制方法，其可以分为两种方法。第一种方法，可使在三相中具有最大电压相对值相位的开关操作变为闲置，而以第二种方法，则使具有最大电压绝对值的开关操作变为闲置。下面将更为详细地描述第一种方法。
图3表示在两相脉宽调制方法中使具有最大电压相对值的开关操作为闲置的方法的流程图。图3的方法将参照图4进行描述。
首先，将电流控制器3旋转坐标的输出电压Vqe，Vde相反地变换为基于电压相位θ的固定坐标的相位电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs，然后将三个相位电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r中最小的电压，即电压Vcs-r，加上三角形波PWM的峰值PWM-max，由此计算补偿电压V-comp。另外，从相位电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r中减去补偿电压V-comp，由此获得新的相位电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c。
将新的相位电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c与三角形波PWM进行比较，由此计算开关信号PWM-U，PWM-V，PWM-W。在图5中示出了新的相位电压命令vas-c，Vbs-c，Vcs-c的波形。在该图中，“a”表示相位电压命令Vas-c，Vbs-c的行间电压波形，PWM-U表示相位电压命令Vas-c与三角形波PWM比较结果的开关信号。
如其中所示，开关信号PWM-U的开关操作在180°-360°之间的120°角度范围内处于闲置，其中相位电压命令Vas-c的大小为-1。
还有，在两相脉宽调制方法中，用以使具有最大电压绝对值相位的开关操作处于闲置的方法将参照图6加以描述。
将电流控制器3旋转坐标的输出电压Vqe，Vde相反地变换为固定坐标的相位电压命令Vas-c，Vbs-c和Vcs-c，然后搜索三个相位电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r中最大的电压Vmax，并从三角形波的峰值PWM-max中减去电压Vmax，即电压Vabs，由此计算补偿电压V-comp。
接着，如果电压Vmax的代码处于正值时，就将相位电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r加上补偿电压V-vomp，相反，如果其代码处于负值时，则从相位电压命令Vas-r，Vbs-r和Vcs-r中减去补偿电压V-comp，由此计算新的相位电压命令Vas-c，Vbs-c和Vcs-c。在图7中示出了如此计算的相位电压命令Vas-c，Vbs-c和Vcs-c的波形。在该图中，PWM-U表示开关信号PWM-U，其是相位电压命令Vas-c与三角形波PWM的比较结果。
如其中所示，如果开关信号PWM-U的开关操作在接近90°角的60°的角度范围内处于闲置的话，那么相位电压命令Vas-c的大小将大于+1，并且在接近270°角的60°角范围内处于闲置的话，则其大小将小于-1。
如上所述，涉及使相位的开关操作在其根据电压频率在每个间隔范围内具有最大相对值或绝对值的相位处于闲置的常用两相脉宽调制方法的问题在于，与三相脉宽调制方法相比较，其开关效率损耗会降低。
然而，由于开关效率损耗取决于电流的大小，因此当使用具有电感成分的电机时，就不可能获得现有技术中开关效率损耗防止的效果。也就是说，如果功率因数不是1的话，会出现电压和电流的相位差。功率因数越低，开关操作在电流值较低的部分下就越会成为闲置。因此，在功率因数较低的情况下，不可能获得所需的效果。
因此，本发明的目的是提供一种用于电力变换设备的脉宽调制方法，其可克服现有技术中所存在的上述问题。
本发明的另一目的是提供一种用于电力变换设备的改进脉宽调制方法，其通过提供具有最大不转换相电流的相位而能够降低开关效率的损耗。
本发明的另一目的是提供一种用于电力变换设备的改进脉宽调制方法，其能够判断电压的大小和频率的大小，并且可有选择地使用三相和两相脉宽调制方法，以便克服当提供给电机的电压大小或频率较低时，两相脉宽调制方法与三相脉宽调制方法相比，而出现更大的转矩的波动和噪声问题。
为了实现上述目的，按照本发明的第一实施例，提供一种用于电力变换设备的脉宽调制方法，其包括下列步骤：根据提供给负载电路的电压相位计算相电压命令的第一步，相对于在提供给负载电路的电压和频率低于预定值时的相电压命令进行三相脉宽调制的第二步，计算新相电压命令的第三步，其具有与在提供给负载电路的电压和频率等于预定值时的电流相位相同的相位，和进行脉宽调制的第四步，使得具有在第三步中所获得的新相电压命令中的电流最大绝对值的相位开关操作处于闲置。
为了实现上述目的，按照本发明的第二实施例，提供一种用于电力变换设备的脉宽调制方法，其包括下列步骤：根据提供给负载电路的电压相位计算相电压命令的第一步，计算具有与电流相位相同相位的新相电压命令的第二步，和进行脉宽调制的第三步，使得具有在第二步中所获得的新相电压命令中电流最大绝对值的相位开关操作处于闲置。
下面将更清楚地描述本发明的其它优点、目的和特征。
通过下面详细的描述以及参照附图将会更容易地理解本发明，其只是用以说明，并且其不能作为对本发明的限制，其中：
图1是表示执行脉宽调制的常用电力变换设备的电路图；
图2是根据常用三相脉宽调制方法的信号波形图；
图3是一流程图，其表示在常用两相脉宽调制方法中具有电压最大相对值的相位开关操作处于闲置；
图4是在图3方法中的预定间隔内电压信号的波形图；
图5是在图3方法中相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c和开关信号PWM-U的波形图；
图6是常用两相脉宽调制方法的流程图，其中在该方法中，具有电压最大绝对值的相位开关操作处于闲置；
图7是通过图6方法所获得的相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c和转换信号PWM-U的波形图；
图8是按照本发明的脉宽调制方法的流程图；
图9A是在按照本发明的方法中的相电压命令Vas-r，补偿电压V-comp，和新相电压命令Vas-c的波形图；和
图9B是在按照本发明的方法中的新相电压命令Vas-c和电流的波形图。
现在将参照图8和9来说明按照本发明的用于电力变换设备的脉宽调制方法。
与现有技术的步骤ST1同样地，完成基于电压的相位θ将旋转坐标输出电压Vqe，Vde相反地变换为固定坐标的相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c的方法。
然后，判断输出电压Vqe，Vde的电压和频率的大小，并与步骤ST2中的预定值进行比较。预定值为基准值，以便确定是否执行三相脉宽调制，或执行两相脉宽调制。如果电压或频率的大小低于预定值的话，这意味着由于电流的高频成分而执行三相脉宽调制方法。
如果电压或频率的大小低于预定值的话，与三相脉宽调制方法的描述相同，图2所示的相电压命令Vas-r，Vbs-r，Vcs-r会被相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c所代替，并且在步骤ST3中将相电压命令Vas-r，Vbs-r，Vcs-r与三角波PWM进行比较。然后，输出开关信号PWM-U，PWM-V，PWM-W，并且完成脉宽调制。相电压命令Vas-r，Vbs-r，Vcs-r被相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c所代替，使得在按照本发明的两相脉宽调制方法中所计算相电压命令码会与在两相脉宽调制方法中所计算的相电压码相同。
与此相反，如果电压或频率的大小高于预定值的话，将执行两相脉宽调制方法，其涉及使具有电流最大绝对值的相位开关操作处于闲置。
根据输出电压Vqe，Vde，在步骤ST4中计算功率因数θ_pf，其是电压和电流的相差。
[等式1] θ _ pf = a tan Vqe Vde ( _ _ _ _ )
当从电压相位θ中减去功率因数θ-pf时，在步骤ST5中获得电流相位θ-p，并且在步骤ST6中，根据电流相位θ-p将旋转坐标的输出电压Vqe，Vde相反地变换为固定坐标的新相电压命令Vas-p，Vbs-p，Vcs-p。此时，相电压命令Vas-p，  Vbs-p，  Vcs-p与电流的相位相同。
然后，计算在三相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c中具有最大绝对值的最大值Vmax。如果该值Vmax为相电压命令Vas-p的话，则从三角形波峰值PWM-max中减去原相电压命令Vas-r，如果该值Vmax为相电压命令Vbs-p的话，则从三角形波峰值PWM-max中减去原相电压命令Vbs-r，并且如果该值Vmax为相电压命令Vcs-p的话，则从三角形波峰值PWM-max中减去原相电压命令Vcs-r，由此在步骤ST7中计算补偿电压V-comp。如果最大值Vmax为正码值时，可将补偿电压V-comp分别加到相电压命令Vas-r，Vbs-r，Vcs-r中，而与此相反，当最大值Vmax为负码值时，分别从相电压命令Vas-r，Vbs-r，Vcs-r中减去补偿电压V-comp，由此计算新相电压命令Vbs-c，Vbs-c，Vcs-c。
将相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c与三角形波PW进行比较，并且将开关信号PWM-U，PWM-V，PWM-W输出给图1的第一和第二驱动单元5和6。
在图9A中，“a”表示三相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c中的预定相电压命令，并且“b”表示补偿电压V-comp。另外，“c”表示新相电压命令Vas-c，Vbs-c，Vcs-c，其是通过电压“a”和电压“b”计算确定的。假设“a”为Vas-r，“c”为Vas-c。如图9B所示，“c”的开关操作，也就是说，在90°和270°角附近在电源电流的绝对值为最大时相电压命令Vas-c处于闲置，使得相电压命令Vas-c的波形在闲置开关操作中以直线形式表示的。
另外，由于根据电流控制器的输出电压Vqe，Vde所计算的功率因数θ_pf是基于负载也就是电机M的电阻和电感而确定的预定值，所以在操作电力变换设备之前可以判断电机M的特性，散热板的大小等，然后确定功率因数。随后，将功率因数设置到控制器4中，使得在按照本发明的脉宽调制方法中的每个间隔上不需要重复地计算功率因数。
如上所述，在本发明中，可以明显地减少在半导体芯片中所产生的热量，其中在电流的绝对值为最大的间隔内不进行开关操作。另外，由于根据电压和频率执行三相脉宽调制，所以可以减小开关操作的损耗，由此可以减小电力变换设备散热板的大小，并且在系统中可以使用小容量半导体器件，并且可以增大开关频率。
虽然为了说明的目的已经对本发明的优选实施例进行了描述，但本技术领域的普通专业人员将会理解，可以对本发明进行各种改型、添加和替换，但其均不会脱离本发明权利要求书的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于电力变换设备的脉宽调制方法，该电力变换设备能将交流电压、电流和频率提供给负载电路，检测提供给负载电路的电压和频率，并对其进行脉宽调制，该脉宽调制方法包括下列步骤：
第一步，根据提供给负载电路的电压相位计算相电压命令；
第二步，当提供给负载电路的电压和频率低于预定值时，相对于相电压命令执行三相脉宽调制；
第三步，当提供给负载电路的电压和频率等于预定值时，计算具有与电流相位相同相位的新相电压命令；和
第四步，执行脉宽调制使得具有在第三步中所获得的新相电压命令中电流最大绝对值的开关操作处于闲置。
2.根据权利要求1的方法，其中所述第三步包括下列分步骤：
第一分步，当提供给负载电路的电压和频率高于预定值时，根据电压的相位计算功率因数；
第二分步，根据电压的相位和功率因数计算电流的相位；和
第三分步，计算具有与电流相位相同相位的新相电压命令。
3.根据权利要求1的方法，其中所述第三步骤包括下列分步骤：
第一分步，当提供给负载电路的电压和频率为预定水平时，根据先前设置的功率因数和电压相位计算电流相位；和
计算具有与电流相位相同的相位的新相电压命令的第二分步。
4.根据权利要求1的方法，其中所述第四步骤包括下列分步骤：
比较新相电压命令绝对值大小的第一分步；
从三角形波最大值中减去具有最大绝对值相位的相电压命令并计算补偿电压的第二分步；和
在第二分步中具有最大绝对值的相电压命令码处于正值时，加入补偿电压以及在其码为负值时减去补偿电压的第三分步。
5.一种用于电力变换设备的脉宽调制方法，在该电力变换调设备中能将交流电压、电流和频率提供给负载电路，检测提供给负载电路的电压和频率，并对其进行脉宽调制，该方法包括下列步骤：
根据提供给负载电路的电压相位计算相电压命令的第一步；
计算具有与电流相位相同相位的新相电压命令的第二步；和
执行脉宽调制使得在第二步中所获得的新相电压命令中具有电流最大绝对值的相位开关操作处于闲置。
6.根据权利要求5的方法，其中所述第二步包括下列分步：
根据电压的相位计算功率因数的第一分步；
根据功率因数和电压的相位计算电流相位的第二分步；和
计算具有与电流相位相同相位的新相电压命令的第三分步。
7.根据权利要求5的方法，其中所述第二步包括下列分步：
根据先前设置的功率因数和电压的相位计算电流相位的第一分步；和
计算具有与电流相位相同相位的新相电压命令的第二分步。
8.根据权利要求5的方法，其中所述第三步包括下列分步：
比较新相电压命令绝对值大小的第一分步；
从三角形波最大值中减去具有最大绝对值相位的相电压命令并计算补偿电压的第二分步；和
在第二分步中具有最大绝对值的相电压命令码处于正值时，加入补偿电压以及在其码为负值时，减去补偿电压的第三分步。
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