CN1379539A - 纹波幅度调制补偿方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种纹波幅度调制补偿方法和装置,首先实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD;根据采样到的CVD和额定直流母线电压值Us计算校正系数K=Us/CVD;用计算出的校正系数K在脉宽调制运算前与脉宽调制运算因子相乘进行校正补偿,或用计算出的校正系数K在脉宽调制运算后与求取的脉冲宽度值相乘进行校正补偿。这种补偿方法和装置,在每个载波周期,实时采样母线纹波,据此对脉宽调制进行实时校正,从而解决纹波幅度调制导致的正弦脉冲宽度调制或空间矢量宽度调制失真问题,使输出电流失真度下降,输出电流振荡减小,同时输出电流下降,变频器输出驱动性能提高,还可通过降低母线滤波电容容量,降低成本和体积。

Description

纹波幅度调制补偿方法和装置

技术领域

本发明涉及电力控制技术，更具体地说，涉及一种用于在电力电子设备中校正由于直流母线电压的纹波对逆变器输出PWM脉冲进行幅度调制导致的脉冲宽度调制失真的方法和装置，更具体地说，涉及一种对纹波幅度调制进行补偿的方法和装置。

背景技术

在V/F控制的变频器中，采用正弦脉宽调制或空间矢量脉宽调制来实现三相电压、电流输出，均忽略了直流母线电压纹波的影响，对于正弦脉宽调制，任一载波周期内的脉宽调制算法公式为：

        t＝T^*M^*SIN(a)        (1)其中：

t：调制脉冲宽度时间；

T：载波周期；

M：调制比

(a)：当前载波时的角度

对于空间矢量脉宽调制，扇区内任一载波周期内的脉宽调制计算公式为：

     t1＝T^*M^*SIN(60-a)      (2)

      t2＝T^*M^*SIN(a)         (3)其中：

t1：空间矢量1的作用时间；

t2：空间矢量2的作用时间；

T：载波周期；

M：调制比；

(a)：当前载波时扇区内的角度

上述算法公式中，M为调制比，是系统根据输出电压输出频率的线形对应关系提供的调制深度指令，在系统设定的输出电压输出频率不变时M保持不变。M不具有实时的意义。M的物理意义是设定输出电压的幅值与额定直流母线电压的比，M＝Um/Us。当进行脉宽调制运算时，脉宽调制算法只根据系统的输出电压的设置Um一个因素计算输出脉冲的宽度，当母线电压波动时，脉冲宽度得不到纠正，输出偏离计算值，出现波动。在直流母线电压恒定的条件下，按照上述算法公式控制变频器的逆变器进行脉宽调制，输出频率、电压可控的三相交流电压。但当直流母线电压变化时，仍然按照上述算法进行脉宽调制时，变化的直流母线电压会带来输出失真。上述直流母线电压的变化包括输入电压的波动引起的直流母线电压平均值的改变，该种变化是宏观上的变化，在逆变器进行脉宽调制时，在某个时间段内各个载波周期基本可以认为直流母线电压是相同的，只是不同时间段的直流母线电压的高低不同，该种变化导致变频器输出电压波动，目前大多采用AVR(自动电压提升)方式保证变频器输出稳定；上述直流母线电压的变化还包括直流母线电容充放电引起的纹波变化，该种变化导致在每个纹波周期内的各个载波周期，直流母线电压都是不同的，纹波变化改变了每个载波周期进行的脉宽调制的结果，产生纹波幅度调制效应，使输出与理论值发生误差，导致变频器输出脉宽调制失真，输出波形畸变，现有变频器没有针对纹波幅度调制进行补偿的技术，而纹波变化是始终存在的，只是大小不同而已。实际上，这种控制方式，在三相整流时，在直流母线滤波电容很大、直流母线纹波较小情况下，对输出影响不大，但在单相整流时，由于整流器向直流母线滤波电容充电的频率降低了3倍，导致直流母线电压纹波增大，对输出PWM波产生严重的纹波幅度调制效应，使正弦脉冲宽度调制或空间矢量脉冲宽度调制严重失真，输出电压、电流波形畸变，能耗增大，输出电流振荡，使变频器驱动性能下降，给变频器在单相电源领域内的应用，特别是家用电器、设备领域的应用带来了不利影响。

现有变频器及基于变频器的逆变器和不间断电源等均没有采取针对直流母线纹波幅度调制效应的校正技术。如果不考虑其PWM中断中脉宽调制以外的其它功能，则现有技术中的PWM中断处理流程可简单描述如图1所示，即直接进行脉宽调制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何对直流母线电压纹波对脉冲宽度调制形成的失真进行补偿，具体就是在脉宽调制过程中，提出一种可针对直流母线纹波、尽可能减少直流母线纹波的幅度调制效应对变频器中PWM输出影响的调制补偿方法和装置。

按照本发明提供的纹波幅度调制补偿方法，包括以下步骤：实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD；根据采样到的CVD和额定直流母线电压值Us计算校正系数K＝Us/CVD；用计算出的校正系数K在脉宽调制运算前与脉宽调制运算因子相乘进行校正补偿，或用计算出的校正系数K在脉宽调制运算后与求取的脉冲宽度值相乘进行校正补偿。

在上述按照本发明提供的方法中，所述实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD，是在PWM中断服务程序中对直流母线电压进行采样，采样频率大于3KHz。

在上述按照本发明提供的方法中，所述实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD，所用的采样频率大于被采样信号的20倍。

在上述按照本发明提供的方法中，所述实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD包括以下步骤：对采样到的CVD进行噪声抑制。

在上述按照本发明提供的方法中，用计算出的校正系数在脉宽调制运算前与脉宽调制运算因子相乘进行校正补偿：

1)对于正弦脉宽调制满足

t＝M^*T^*SIN(a)^*K

＝(Um/Us)^*T^*SIN(a)^*Us/CVD

＝(Um/CVD)^*T^*SIN(a)

其中，t为调制脉冲宽度时间，T为载波周期，(a)为当前载波时的角度，M为调制比且M＝Um/Us，Um是设定输出电压的幅值。

2)对于空间矢量调制满足

t1＝M^*T^*SIN(60°-a)^*K

＝(Um/Us)^*T^*SIN(60°-a)^*Us/CVD

＝(Um/CVD)^*T^*SIN(60°-a)

t2＝M^*T^*SIN(a)^*K

＝(Um/Us)^*T^*SIN(a)^*Us/CVD

＝(Um/CVD)^*T^*SIN(a)

其中，t1为空间矢量1的作用时间，t2为空间矢量2的作用时间，T为载波周期，(a)为当前载波时扇区内的角度，M为调制比且M＝Um/Us，Um是设定输出电压的幅值。

按照上述补偿算法，当对脉宽调制算法施加了补偿后，脉宽调制算法的调制比变为Um/CVD，物理意义是设定输出电压的幅值与当前实时采样的直流母线电压CVD的比。这样，脉宽调制算法就是根据系统的输出电压的设置和直流母线的变化两个因素实时计算输出脉冲的宽度，使输出电压稳定，不受母线电压波动，特别是母线电压纹波带来的波动的影响。

在上述按照本发明提供的方法中，用计算出的校正系数K在脉宽调制运算后与求取的脉冲宽度值相乘进行校正补偿，满足：t＝t′^*K，以及t′＝M^*T^*SIN(a)，其中，t′为脉宽调制运算后校正补偿前的脉冲宽度值，T为载波周期，(a)为当前载波时的角度，M为调制比。

按照本发明提供一种纹波幅度调制补偿装置，包括：母线电压采样单元，根据母线电压采样单元输出的直流母线电压瞬时值CVD计算校正系数K的校正系数计算单元，以及根据来自所述校正系数计算单元给出的校正系数对PWM进行校正的校正单元。

在上述按照本发明提供的纹波幅度调制补偿装置中，所述母线电压采样单元包括一个对采样到的带纹波信号进行噪声抑制的降噪单元。

在上述按照本发明提供的纹波幅度调制补偿装置中，所述校正系数计算单元是计算额定直流母线电压值Us与所述降噪单元输出的CVD之比Us/CVD的计算装置。

在上述按照本发明提供的纹波幅度调制补偿装置中，所述校正单元是乘法器，所述乘法器的一个输入为来自所述校正系数计算单元的校正系数K，另一个输入为校正前的脉宽调制因子调制比，而所述乘法器输出的校正输出为校正后的脉宽调制因子，所述脉宽调制因子可以是载波周期、调制比、正弦值、调制比与载波周期与正弦值乘积。

实施按照本发明提供的纹波幅度调制补偿方法和装置，针对现有变频器硬件母线电压采样电路进行修改，通过减小滤波时间常数，使之包含母线纹波信号，通过软件实时采样母线纹波，在进行正弦脉宽调制或空间矢量脉宽调制时，根据当前母线纹波的大小，或者在脉宽调制运算前，对脉宽调制因子进行实时校正，在脉宽调制运算时，补偿了母线纹波对输出PWM波产生的幅度调制效应，或者在脉宽调制运算后，对脉冲宽度值进行校正，纠正了母线纹波幅度调制导致的正弦脉冲宽度调制或空间矢量宽度调制失真问题，使输出电流失真度大大下降，输出电流振荡大大减小，同时输出电流下降，变频器输出驱动性能提高。从而解决了单相变频器电流振荡问题，同时可降低母线滤波电容的容量，降低了成本和体积。

附图说明

图1是现有技术PWM处理过程示意图；

图2是按照本发明方法第一实施例的PWM处理流程图；

图3是按照本发明方法第二实施例的PWM处理流程图；

图4是按照本发明方法第三实施例的PWM处理流程图；

图5是按照本发明方法第四实施例的PWM处理流程图；

图6是现有技术变频器输出电流波形示意图；

图7是利用本发明方法和装置实现的变频器的输出电流波形示意图。

具体实施方式

本发明针对直流母线电压变化，将直流母线变化量CVD引入到脉宽调制算法公式中，也就是将调制比M表示成当前载波周期时的实时采样的直流母线电压CVD的函数，要求直流母线电压的采样速率大于被采样信号频率的20倍，实际系统的采样频率应大于3000Hz，以保证采样形成的CVD信号能够反映直流母线纹波的波动。据此，可将上述(1)、(2)、(3)公式改写为以下包含母线电压变化补偿因子的实时脉宽调制算法公式：正弦脉宽调制实时脉宽调制算法公式

t＝T^*SIN(a)^*Um/CVD

  ＝T^*SIN(a)^*[Um/Us]^*Us/CVD

  ＝T^*SIN(a)^*M^*Us/CVD

  ＝T^*M^*SIN(a)^*Us/CVD          (4)

其中：

t：调制脉冲宽度时间；

T：载波周期；

M：调制比，M＝Um/Us，未考虑直流母线纹波，按压频曲线求取；

(a)：当前载波时的角度；

Um：设定输出电压的幅值；

CVD：当前载波周期实时采样到的直流母线电压瞬时值；

Us：额定输入电压下直流母线的电压值；

空间矢量脉宽调制实时脉宽调制算法公式如下：

t1＝T^*SIN(60-a)^*Um/CVD

   ＝T^*SIN(60-a)^*[Um/Us]^*Us/CVD

   ＝T^*SIN(60-a)^*M^*Us/CVD

   ＝T^*M^*SIN(60-a)^*Us/CVD             (5)

t2＝T^*SIN(a)^*Um/CVD

   ＝T^*SIN(a)^*[Um/Us]^*Us/CVD

   ＝T^*SIN(a)^*M^*Us/CVD

  ＝T^*M^*SIN(a)^*Us/CVD             (6)

其中：

t1：空间矢量1的作用时间；

t2：空间矢量2的作用时间；

T：载波周期；

M：调制比，M＝Um/Us，未考虑直流母线纹波，按压频曲线求取；

(a)：当前载波时扇区内的角度；

Um：设定输出电压的幅值；

CVD：当前载波周期实时采样到的直流母线电压瞬时值；

Us：额定输入电压下直流母线的电压值；

公式4、5、6中含有的公共项Us/CVD称校正系数。可见，对原有公式1、2、3乘校正系数，就实现了对直流母线纹波波动的补偿。

M、T、M^*T均称为脉宽调制因子。

在图2示出的第一实施例中，包括采样母线电压CVD、噪声抑制、校正调制比、脉宽调制等4个环节。在进2PWM中断程序时，首先在框201中采样母线电压，采样速度大于3KHz，具体就是将经过转换的直流母线电压信号模拟量，用A/D转换为数据后，读入到处理器中，要求A/D转换精度在8位以上。由于要求采样信号实时反映纹波信号，因此要求该信号电路延时不大于100μS。该母线电压采样电路应能够实时反映母线纹波信号，然后，在框202中对采样信号进行简易滤波处理，抑制噪声；在框203中，用处理后母线电压值重新求取调制比，就完成了对母线纹波的补偿，补偿后的调制比供脉宽调制算法运算(框204)使用，由于调制比在每个载波已经进行了实时纹波补偿，使得输出的PWM波形可以克服纹波幅度调制的影响。图2是通过对脉宽调制因子的调制比M进行校正，来实现补偿。

图3示出通过校正载波周期来实现纹波补偿的第二实施例的流程图。与图2实施例不同的是，是以载波周期T作为需要校正的脉宽调制因子，实现补偿。

图4示出通过校正调制比^*载波周期来实现纹波补偿的第三实施例的流程图。其中，以M^*T即以调制比^*载波周期作为脉宽调制因子进行补偿。

图5示出分别校正三相输出的脉冲的占空比来实现纹波补偿的第四实施例的流程图。与前三个实施例相比，实现方式有不同。在脉宽调制时，输出的脉冲宽度数据未经过纹波幅度补偿，而是在该数据送往脉宽调制脉冲发生器前，再根据当前的纹波值再校正。

前述实施例中，CVD均指含有纹波信号的直流母线电压实时采样值；电压额定值是指变频器额定输入情况下的直流母线电压值；四个实施例中的校正系数均表示为“额定直流母线电压值/CVD”，具体实施时可能会有变通，但本发明的关键点是认识到纹波的幅度调制效应并根据纹波的变化调整脉冲宽度调制器输出的脉冲的宽度从而补偿纹波带来的幅度调制。

若主程序循环时间很短，例如，小于1mS，也可以直接在主程序中而不是在PWM中断程序中对调制比、载波周期或调制比与载波周期的乘积进行校正以实现纹波补偿功能。

在变频器满载的条件下，图6示出现有技术变频器输出电流波形图，图7示出利用本发明方法和装置实现的变频器的输出电流波形图。从中可见，通过实施本发明提供的方法和装置，可有效减小逆变器输出波形的振荡，具体体现在电流失真度大大降低。采用功率分析仪PM3300进行对比分析，验证了在同样硬件环境下，采用本发明后，与本发明样本相比和与硬件环境较好的比较样本相比均取得了良好的控制效果，电流失真度明显下降，输出电流降低，而负载转矩是相同的。

毫无疑问，本发明的方法和装置，不仅可用于变频器中，还可以应用于基于变频器的逆变器、不间断电源(UPS)系统以及需要对母线纹波需要对母线纹波产生脉宽调制失真进行补偿的任何环节。本说明书示出的例子，仅为本发明原理的示例性表述而不构成任何限定，本领域技术人员根据本发明的示例性表述及教导而对本发明实施方面的任何变形，均为本发明保护范围。

Claims (10)

1、一种纹波幅度调制补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD；根据采样到的CVD和额定直流母线电压值Us计算校正系数K＝Us/CVD；用计算出的校正系数K在脉宽调制运算前与脉宽调制运算因子相乘进行校正补偿，或用计算出的校正系数K在脉宽调制运算后与求取的脉冲宽度值相乘进行校正补偿。

2、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD，是在PWM中断服务程序中对直流母线电压进行采样，采样频率大于3KHz。

3、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD，所用的采样频率大于被采样信号的20倍。

4、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述实时采样带有纹波信号的直流母线电压瞬时值CVD包括以下步骤：对采样到的CVD进行噪声抑制。

5、根据权利要求1所述方法，用计算出的校正系数在脉宽调制运算前与脉宽调制运算因子相乘进行校正补偿，其特征在于：

1)对于正弦脉宽调制满足

t＝M^*T^*SIN(a)^*K

＝(Um/Us)^*T^*SIN(a)^*Us/CVD

＝(Um/CVD)^*T^*SIN(a)

其中，t为调制脉冲宽度时间，T为载波周期，(a)为当前载波时的角度，M为调制比且M＝Um/Us，Um是设定输出电压的幅值。2)对于空间矢量调制满足：

t1＝M^*T^*SIN(60°-a)^*K

＝(Um/Us)^*T^*SIN(60°-a)^*Us/CVD

＝(Um/CVD)^*T^*SIN(60°-a)

t2＝M^*T^*SIN(a)^*K

＝(Um/Us)^*T^*SIN(a)^*Us/CVD

＝(Um/CVD)^*T^*SIN(a)

其中，t1为空间矢量1的作用时间，t2为空间矢量2的作用时间，T为载波周期，(a)为当前载波时扇区内的角度，M为调制比且M＝Um/Us，Um是设定输出电压的幅值。

6、根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述用计算出的校正系数K在脉宽调制运算后与求取的脉冲宽度值相乘进行校正补偿过程中，满足：t＝t′^*K以及t′＝M^*T^*SIN(a)，其中，t′为脉宽调制运算后校正补偿前的脉冲宽度值，T为载波周期，(a)为当前载波时的角度，M为调制比。

7、一种纹波幅度调制补偿装置，其特征在于，包括：母线电压采样单元，根据母线电压采样单元输出的直流母线电压瞬时值CVD计算校正系数K的校正系数计算单元，以及根据来自所述校正系数计算单元给出的校正系数对PWM进行校正的校正单元。

8、根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述母线电压采样单元包括一个对采样到的带纹波信号进行噪声抑制的降噪单元。

9、根据权利要求7或8所述装置，其特征在于，所述校正系数计算单元是计算额定直流母线电压值Us与所述降噪单元输出的CVD之比Us/CVD的计算装置。

10、根据权利要求9所述装置，其特征在于，所述校正单元是乘法器，所述乘法器的一个输入为来自所述校正系数计算单元的校正系数K，另一个输入为校正前的脉宽调制因子调制比，而所述乘法器输出的校正输出为校正后的脉宽调制因子，所述脉宽调制因子可以是载波周期、调制比、正弦值、调制比与载波周期与正弦值乘积。

Images