CN218041204U - 三相有源控制电路及拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种三相有源控制电路及拓扑结构，该三相有源控制电路包括：采样模块，被配置为获取主电路的相电流；第一处理模块，得到主电路相电流在d轴和q轴的电流分量Id和Iq；控制模块，被配置为根据电流分量Id和Iq，得到电流输出值IdOut和IqOut；第二处理模块，包括iPark变换单元，iPark变换单元被配置为根据电流输出值IdOut、IqOut和dq轴的相角信息θ，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ；PWM模块。本实施例提供的三相有源pfc控制电路可减小输入电流谐波，减小三相电抗器体、简化控制器干扰抑制电路、提高控制器功率密度、提高控制器效率。

Description

三相有源控制电路及拓扑结构

技术领域

本申请涉及电源电路技术领域，具体涉及一种三相有源控制电路及拓扑结构。

背景技术

当前商用空调器主要采用无源pfc控制电路或单相有源pfc控制电路，存在功率因素低、电流谐波含量大、对国家电网电污染严重的问题。

实用新型内容

本申请实施例提供一种三相有源控制电路及拓扑结构，能够有效解决上述问题。

一方面，本实施例提供一种三相有源控制电路，包括：采样模块，被配置为获取主电路的相电流；第一处理模块，与采样模块连接，被配置为根据主电路的相电流，得到主电路相电流在d轴和q轴的电流分量Id和Iq；控制模块，与第一处理模块连接，被配置为根据电流分量Id和Iq，得到电流输出值IdOut和IqOut；第二处理模块，包括iPark变换单元，iPark变换单元被配置为根据电流输出值IdOut、IqOut和dq轴的相角信息θ，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ；PWM模块，与iPark变换单元连接，被配置为根据90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ，得到控制信号。

在其中一些实施例中，第一处理模块包括：第一Clark变换单元，与采样模块连接，被配置为根据主电路的相电流，得到90°静止坐标系下的相电流

和Iβ；第一Park变换单元，与第一Clark变换单元连接，配置为根据相电流

和Iβ，得到在d轴和q轴的电流分量Id和Iq。

在其中一些实施例中，控制模块包括：D轴电流环控制器，与第一处理模块连接，被配置为根据电流分量Id，得到电流输出值IdOut；Q轴电流环控制器，与第一处理模块连接，被配置为根据电流分量Iq，得到电流输出值IqOut。

在其中一些实施例中，采样模块还被配置为获取母线电压和参考电压；控制模块还包括直流电压控制器；直流电压控制器与采样模块连接，被配置为根据母线电压和参考电压，得到直流电压输出信号Vout；D轴电流环控制器被配置为根据电流分量Id和直流电压输出信号Vout，得到电流输出值IdOut。

在其中一些实施例中，Q轴电流环控制器被配置为根据电流分量Iq和电流参考指令IqRef，得到直流控制信号，电流参考指令IqRef预设为0。

在其中一些实施例中，控制模块还包括电流前馈解耦控制器，与第一处理模块连接，被配置为通过电流分量Id和Iq，得到前馈量Fd和Fq；iPark变换单元被配置为还根据前馈量Fd和Fq，得到静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

在其中一些实施例中，三相有源控制电路还包括第三处理模块；采样模块还被配置为获取主电路的相电压；第三处理模块包括：第二Clark变换单元，与采样模块连接，被配置为根据主电路的相电压，得到90°静止坐标系下的相电压

和Vβ；第二Park变换单元，与第二Clark变换单元连接，被配置为根据90°静止坐标系下的相电压

Vβ和qd坐标系的相角信息θ，得到qd坐标系下的电压分量Vd和Vq；iPark变换单元被配置为还根据qd坐标系下的电压分量Vd和Vq，得到静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

在其中一些实施例中，第三处理模块还包括锁相环单元，锁相环单元与第二Park变换单元连接，被配置为根据qd坐标系下的电压分量Vq，得到dq坐标系的相角信息θ。

在其中一些实施例中，第二处理模块还包括加法器；加法器分别与控制器和第二Park变换单元连接，被配置为根据电流输出值IdOut、IqOut，以及电压分量Vd和Vq，得到直流控制指令Wd和Wq；iPark变换单元与加法器连接，被配置为根据直流控制指令Wd、Wq和dq轴的相角信息θ，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

另一方面，本实施例提供一种拓扑电路结构，包括主电路和上述实施例中任一项的三相有源控制电路；主电路包括：第一支路，串联有第一并联结构，第一并联结构包括相互并联的第一开关和第二开关；第二支路，串联有第二并联结构，第二并联结构包括相互并联的第三开关和第四开关；第三支路，串联有第三并联结构，第三并联结构包括相互并联的第五开关和第六开关；三相有源控制电路获取第一支路、第二支路和第三支路中至少两支路的相电流和相电压，并控制第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关的通断。

有益效果：

本实施例提供的三相有源pfc控制电路可减小输入电流谐波，减小三相电抗器体、简化控制器干扰抑制电路、提高控制器功率密度、提高控制器效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请一些实施例提供的三相有源pfc控制电路的电路图；

图2是本申请一些实施例提供的拓扑结构的电路图；

图3是无pfc校正方法的输入电压、输入电流、母线电压波形图；

图4是无源pfc校正方法的输入电压、输入电流、母线电压波形图；

图5是本申请有源pfc校正方法的输入电压、输入电流、母线电压波形图；

图6是本申请有源pfc校正方法的PF值测量(功率因素)图；

图7是本申请有源pfc校正方法的THD值测量(总谐波失真)图；

图8是本申请有源pfc校正方法的输入电压和输入电流波形图；

图9是本申请有源pfc校正方法的空间矢量脉宽调制下的ABC三相的调制信号示意图；

附图标记：

10、采样模块；20、第一处理模块；201、第一Clark变换单元；202、第一Park变换单元；30、控制模块；301、D轴电流环控制器；302、Q轴电流环控制器；303、直流电压控制器；304、电流前馈解耦控制器；401、iPark变换单元；402、加法器；50、PWM模块；60、第三处理模块；601、第二Clark变换单元；602、第二Park变换单元；603、锁相环单元。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

“A和/或B”，包括以下三种组合：仅A，仅B，及A和B的组合。

本申请中“适用于”或“被配置为”的使用意味着开放和包容性的语言，其不排除适用于或被配置为执行额外任务或步骤的设备。另外，“基于”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

一方面，本实施例提供一种三相有源pfc控制电路，如图1所示，包括采样模块10、第一处理模块20、控制模块30、第二处理模块和PWM模块50。其中，采样模块10被配置为获取主电路的相电流，获取的相电流为主电路的至少两相相电流，当获取两相相电流时，可以是主电路三相相电流的任意两相，定义为Ia和Ib。第一处理模块20与采样模块10连接，用于接收采样模块10获取的相电流数据，并对相电流数据进行处理，最终输出主电路相电流在d轴和q轴的电流分量Id和Iq；其中dq轴为现有的模型。控制模块30接收第一处理模块20输出的电流分量Id和Iq，以得到电流输出值IdOut和IqOut。第二处理模块包括iPark变换单元401，iPark变换单元401被配置为根据控制模块30输出的电流输出值IdOut和IqOut，以及dq轴的相角信息θ，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ；其中，dq轴的相角信息θ可采用预设值的方式，输入至iPark变换单元401中，以实现得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ的目的。PWM模块50与iPark变换单元连接，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ，最终得到控制信号。iPark变换单元401将旋转坐标系(dq坐标系)下的直流控制信号Wd、Wq转换到90°静止

坐标系下的

Wβ，能够方便后端的PWM模块50进行空间矢量脉宽调制。其中，PWM模块50可采用三相的空间矢量脉宽调制(SVPWM)。

在其中一些实施例中，第一处理模块20包括第一Clark变换单元201和第一Park变换单元202，主要用于实现根据所述主电路的相电流，通过Clark变换和Park变换的方式，得到主电路相电流在d轴和q轴的电流分量Id和Iq。具体而言，第一Clark变换单元201与采样模块10连接，输入采样模块10获取的相电流信息，经过处理，输出90°静止坐标系下的相电流

和Iβ；第一Park变换单元202与第一Clark变换单元201连接，输入第一Clark变换单元201输出的90°静止坐标系下的相电流

和Iβ，以及相角信息θ，通过三角函数计算，再次将90°静止

坐标系的

Iβ，通过Park变换，转换成三相电压矢量同步旋转的dq坐标系，得到两直流分量Id、Iq信息；其中，相角信息θ仍可采用预设值。设置第一Clark变换单元201和第二Clark变换单元601的设置，能够更加方便控制模块30的设计。

在其中一些实施例中，控制模块30包括D轴电流环控制器301和Q轴电流环控制器302，D轴电流环控制器301和Q轴电流环控制器302分别与第一处理模块20连接。其中，D轴电流环控制器301输入第一处理模块20输出的电流分量Id，经过处理得到电流输出值IdOut，用以实现控制整流器的有功分量。其中，D轴电流环控制器和Q轴电流环控制器均采用现有技术。Q轴电流环控制器302输入第一处理模块20输出的电流分量Iq，经过处理得到电流输出值IqOut，用以实现控制整流器的无功分量。

在其中一些实施例中，控制模块30还包括直流电压控制器303。在该实施例中，采样模块10还被配置为获取母线电压Vdc和参考电压VRef，直流电压控制器303与采样模块10连接，以电压环的现有处理方式，输入采样模块10获取的获取母线电压Vdc和参考电压VRef，得到直流电压输出信号Vout。直流电压控制器303的作用主要是，使母线电压稳定在参考电压VRef附近，采用2KHz的计算频率，输出量为Vout。

然后，D轴电流环控制器301在输入电流分量Id的同时，还输入直流电压控制器303的输出量Vout，并以输出量Vout作为D轴电流环控制器301的参考指令IdRef，减去实际的直轴电流分量Id，通过PI控制器，实现D轴电流环无静差的控制，其计算频率可采用10K。在不同的实施例中，D轴电流环控制器301的参考指令IdRef也可采用预设值。

在其中一些实施例中，Q轴电流环控制器302的输入电流分量Iq的同时，还输入一个电流参考指令IqRef，Q轴电流环控制器302根据电流分量Iq和电流参考指令IqRef，得到直流控制信号，电流参考指令IqRef减去实际的直轴电流分量Id，通过PI控制器，实现Q轴电流环无静差的控制，其计算频率可采用10K；电流参考指令可采用预设值，而在采用预设值时，当期望功率因素为1时，其输入参考指令IqRef为0。

在其中一些实施例中，控制模块30还包括电流前馈解耦控制器304，电流前馈解耦控制器304与第一处理模块20连接，以电流前馈解耦的现有技术，输入第一处理模块20得到的电流分量Id和Iq，得到前馈量Fd和Fq。在该实施例中，iPark变换单元401同时根据电流输出值IdOut、IqOut和dq轴的相角信息θ，以及前馈量Fd和Fq，得到静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。电流前馈解耦控制器304根据三相整流器的数学波形，取Id、Iq分量，以及电压矢量角速度ω和pfc电感值L，便可实现三相整流器的电流前馈解耦，并输出前馈量Fd和Fq，能够有效提高三相有源控制电路的控制信号的生成效率。

在其中一些实施例中，三相有源控制电路还包括第三处理模块60，第三处理模块60包括第二Clark变换单元601和第二Park变换单元602，第二Clark变换单元601与采样模块10连接，第二Park变换单元602与第二Clark变换单元601连接。在该实施例中，采样模块10还被配置为获取主电路的相电压，其中，相电压的获取方式与相电流的获取方式相似，获取的相电压为主电路的至少两相相电压，当获取两相相电压时，可以是主电路三相相电压的任意两相，定义为Va和Vb。第二Clark变换单元601可采用与第一Clark变换单元201相同的处理方式，输入主电路的相电压信息，经过处理，输出90°静止坐标系下的相电压

和Vβ；第二Park变换单元602可采用与第一Park变换单元202相同的处理方式，输入第二Clark变换单元601输出90°静止坐标系下的相电压

和Vβ，以及相角信息θ，通过三角函数计算，再次将90°静止

坐标系的

Vβ，通过Park变换，转换成三相电压矢量同步旋转的dq坐标系，得到两直流电压分量Vd、Vq。此时，iPark变换单元401配置为还根据qd坐标系下的电压分量Vd和Vq，以及电流输出值IdOut、IqOut和dq轴的相角信息θ，得到静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

在其中一些实施例中，第三处理模块60还包括锁相环单元603，锁相环单元603与第二Park变换单元601连接，以现有锁相环的处理方式，被配置为根据qd坐标系下的电压分量Vq，得到dq坐标系的相角信息θ，锁相环单元603主要用以对相角信息θ进行处理，得到最真实有效的相角信息θ。具体而言，可采用SRF-PLL的锁相方式，当整流器功率因素为1时，有功功率为1无功功率为0，即Vd矢量与D轴重合，Vq分量为0。取三相电压经坐标变换后的交轴分量Vq作为锁相环的输入，分离Vq的过程同时作为一个鉴相器的功能；经过PI控制器所展现出来的低通滤波特性，即环路滤波器；最后经过积分环节来充当压控振荡器。

在其中一些实施例中，第二处理模块还包括加法器402，加法器402分别与控制器和第二Park变换单元602连接，被配置为根据电流输出值IdOut、IqOut，以及电压分量Vd和Vq，得到直流控制指令Wd和Wq；iPark变换单元401与加法器402连接，被配置为根据直流控制指令Wd、Wq和dq轴的相角信息θ，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

在另外一些实施例中，控制模块30还包括电流前馈解耦控制器304时，电流前馈解耦控制器304也可与加法器402连接，电流前馈模块输出的前馈量Fd和Fq也可输入至加法器402中，用以得到Wd和Wq。当同时采用电流前馈解耦控制器304和第二处理模块时，加法器402分别与控制器、电流前馈解耦控制器304和第二Park变换单元602连接，根据电流输出值IdOut、IqOut、电压分量Vd和Vq，以及前馈量Fd和Fq，得到直流控制指令Wd和Wq。

在其中一些实施例中，采样模块10还被配置为对采集的数据进行滤波和/或标幺处理。在不同的示例中，当输入值不同时，分别进行处理，以得到不同的输出值。具体来说，当该模块输入变量分别为参考电压VRef、母线电压Vdc、a相电压Va、a相电流Ia、b相电压Vb、b相电流Ib。根据DSP离线信号处理的特点，为减少干扰，需在避开IGBT等大功率开关器件动作后，去采样信号。经由设置标幺值，去统一量纲，方便后级计算。得到经处理后的输出量VRef、Vdc、Va、Ia、Vb、Ib。

如图3至图5所示，显示了同负载下A相，无pfc校正方案、无源pfc校正方案、使用本申请三相有源控制电路的输入电压、输入电流、母线电压波形对比图，能够得到本申请三相有源控制电路的功率因素大大提高。如图6所示，本申请三相有源控制电路的功率因素高达99.9％。如图7所示，本申请三相有源控制电路的总谐波失真度1.82％。如图8所示，本申请三相有源控制电路的输入电压与输入电流基本无相位差。如图9所示，本申请三相有源控制电路的三相的空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号互相相差120°相位，且相对SPWM具有更高的电压利用率。

另一方面，本实施例提供一种拓扑电路结构，如图2所示，包括主电路和上述实施例中一项的三相有源控制电路；所述主电路包括：第一支路，串联有第一并联结构，所述第一并联结构包括相互并联的第一开关和第二开关；第二支路，串联有第二并联结构，所述第二并联结构包括相互并联的第三开关和第四开关；第三支路，串联有第三并联结构，所述第三并联结构包括相互并联的第五开关和第六开关；所述三相有源控制电路获取所述第一支路、第二支路和第三支路中至少两支路的相电流和相电压，并控制所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关的通断。

本实施例用以实现减小输入电流谐波，减小三相电抗器体、简化控制器干扰抑制电路、提高控制器功率密度、提高控制器效率的目的。

本实施例还提供一种空调器，包括上述是实施例中的拓扑电路结构。本实施例提供的空调器能够将商用空调器功率因素提升到99％以上，有效提高整机运行效率。

以上对本申请实施例所提供的一种三相有源控制电路及拓扑结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种三相有源控制电路，其特征在于，包括：

采样模块，被配置为获取主电路的相电流；

第一处理模块，与所述采样模块连接，被配置为根据所述主电路的相电流，得到所述主电路相电流在d轴和q轴的电流分量Id和Iq；

控制模块，与所述第一处理模块连接，被配置为根据所述电流分量Id和Iq，得到电流输出值IdOut和IqOut；

第二处理模块，包括iPark变换单元，所述iPark变换单元被配置为根据电流输出值IdOut、IqOut和dq轴的相角信息θ，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ；

PWM模块，与所述iPark变换单元连接，被配置为根据90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ，得到控制信号。

2.根据权利要求1所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述第一处理模块包括：

第一Clark变换单元，与所述采样模块连接，被配置为根据所述主电路的相电流，得到90°静止坐标系下的相电流

和Iβ；

第一Park变换单元，与所述第一Clark变换单元连接，被配置为根据相电流

和Iβ，得到在d轴和q轴的电流分量Id和Iq。

3.根据权利要求1所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述控制模块包括：

D轴电流环控制器，与所述第一处理模块连接，被配置为根据电流分量Id，得到电流输出值IdOut；

Q轴电流环控制器，与所述第一处理模块连接，被配置为根据电流分量Iq，得到电流输出值IqOut。

4.根据权利要求3所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述采样模块还被配置为获取母线电压和参考电压；所述控制模块还包括直流电压控制器；

所述直流电压控制器与所述采样模块连接，被配置为根据所述母线电压和参考电压，得到直流电压输出信号Vout；

所述D轴电流环控制器被配置为根据所述电流分量Id和直流电压输出信号Vout，得到电流输出值IdOut。

5.根据权利要求3所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述Q轴电流环控制器被配置为根据电流分量Iq和电流参考指令IqRef，得到直流控制信号，所述电流参考指令IqRef预设为0。

6.根据权利要求3所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述控制模块还包括电流前馈解耦控制器，与第一处理模块连接，被配置为通过电流分量Id和Iq，得到前馈量Fd和Fq；所述iPark变换单元被配置为还根据前馈量Fd和Fq，得到静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

7.根据权利要求1所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述三相有源控制电路还包括第三处理模块；所述采样模块还被配置为获取主电路的相电压；

所述第三处理模块包括：

第二Clark变换单元，与所述采样模块连接，被配置为根据所述主电路的相电压，得到90°静止坐标系下的相电压

和Vβ；

第二Park变换单元，与所述第二Clark变换单元连接，被配置为根据所述90°静止坐标系下的相电压

Vβ和qd坐标系的相角信息θ，得到qd坐标系下的电压分量Vd和Vq；

所述iPark变换单元被配置为还根据qd坐标系下的电压分量Vd和Vq，得到静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

8.根据权利要求7所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述第三处理模块还包括锁相环单元，所述锁相环单元与所述第二Park变换单元连接，被配置为根据所述qd坐标系下的电压分量Vq，得到dq坐标系的相角信息θ。

9.根据权利要求7所述的三相有源控制电路，其特征在于，所述第二处理模块还包括加法器；

所述加法器分别与所述控制模块和所述第二Park变换单元连接，被配置为根据所述电流输出值IdOut、IqOut，以及电压分量Vd和Vq，得到直流控制指令Wd和Wq；

所述iPark变换单元与所述加法器连接，被配置为根据直流控制指令Wd、Wq和dq轴的相角信息θ，得到90°静止

坐标系下的控制指令

和Wβ。

10.一种拓扑电路结构，其特征在于，包括主电路和权利要求1至9任一项所述的三相有源控制电路；所述主电路包括：

第一支路，串联有第一并联结构，所述第一并联结构包括相互并联的第一开关和第二开关；

第二支路，串联有第二并联结构，所述第二并联结构包括相互并联的第三开关和第四开关；

第三支路，串联有第三并联结构，所述第三并联结构包括相互并联的第五开关和第六开关；

所述三相有源控制电路获取所述第一支路、第二支路和第三支路中至少两支路的相电流和相电压，并控制所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关的通断。

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