TWI283509B - Method in connection with an inverter - Google Patents

Description

麵:1瞧麵 ；|ί, 1 ' 1 1 'V -|Ι·ΙΙΙΙ_ί· ' . ΜΜΜ··Ι·· τ--^-Γ-—··Ι|· ' . . · ·"· Ά·’".乂 _ | ：4mmm c , ：：v^i Ί*:.ηΙ» 10 15 發明背景 本發明係有關一種反相器的相關方法，該反相器包括一個直 流電壓中頻電路，一最佳的開關表和輸出電源開關。 變頻器是一種典型用來控制電動機的裝置。變頻器典型地包 括兩個轉換器，在兩個轉換器之間有一個直流電壓或直流電流中 頻電路。變頻器中的轉換器能以使彼等只能發揮到作為整流器的 作用之方式執行，或以使彼等，於需要時，能夠既用作整流器也 用作反相器之方式執行。整流器的一個例子是二極禮電橋，且既 可用作整流器又可用作反相器的一個轉換器例子是藉助於電晶體 實現的轉換器電橋。反相器典型的用處是控制從變頻器的中頻電 路傳到電動機的功率。利用反相器，電動機控制能夠以使電動機 正確地實現合意的速度或是轉矩指令之方式而可靠地執行。反相 器也用來控制從電源網傳到變頻器中頻電路的功率流量。用於該 目的的反相器通常叫做網路反相器。網路反相器可促成有效地控 制在電源網和變頻器之間相互傳輸的功率。 經濟部智慧钟產局員工消費合作社印製 網路反相器係用來代替變頻器中的二極體整流電掃，特別是 用在要求將電動機的制動能量反相傳輸給電源網路之情況中。網 路反相器的電源電流特性曲線能做成正弦曲線，因此之故網路反 20相器頗適用於必須將變頻器所引起的供電品質降低予以減少的情 況。 現代的咼功率半導體組件和訊號處理機使得利用以直接轉矩 控制（DYC)為基礎的解決之道以高速率動態地控制反相器之實現 成為可能。一種眾所周知的以直接轉矩控制為基礎之網路反相器 • 3· _麗興: :___1_酬_塗 ______ 讎

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公爱）

_ 15 麵i誦 謂’_酸 ； -，； 1 . ' Λ …，ν、、， < 為圖1方框圖解所示者。在圖Ϊ的解決之道中，半導；^，電源開關，橋 的開關指令係經由運用直接轉矩控制單元13根據以磁通匝連數向 量和轉矩的絕對值為基礎之直接轉矩控制原理开多成的。網路反相 器的磁通匝連數向量之計算係經由電壓積分而得到 ψ ~ j^udt ⑴ 並且轉矩對功率的比例係經由功率向量和磁通臣連數向量的 交叉乘積得到 ⑵ ^ =(ί^ν·^ (3) 此處α是對應於網路直射波的電流角頻率，且ρ是網路的 磁通匝連數向量。網路磁通匝連數向量可經由下式估算 ψν=ψ-ΙΛ ’ 此處ζ是網路渡波器的電感 ⑷ 20 傳統上，應用功率向量控制方法的目的為控制裝有分開的PWM 調制器的電動機之使用。裝有一PWM調制器的電動機之>(吏用的功 率向量控制原理為如圖3所示者。功率控制器31，32產生一個電 _ 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 中頻電路電壓控制器11係以測量所得中頻電路電壓和中頻電 10路電壓基準之間的差異為基礎產生基準轉矩，。磁通匝連數絕 e , ref 對基準值问係反作用功率控制器12經由比較估計的反作用功率 ‘和反作用功率基準^/而產生的。在與網路反相器連接中，典 型地係在反相器與網路之間使用一個低通濾波器14。當濾波器是 一種低通濾波器時，反作用功率可經由下式估算

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I __ %，日舰、1 壓向量基準，其意圖爲利用控:射t源開關34θ脈衝調俞ΪΙ33來實 現參比。該方法業經揭示於例如下述出版物中：Harnefors，L., n Analysis, Control and Estimation of Variable-speed drives * Doctoral dissertation, Part I, page 44, Royal 5 Insitute of Technology, Stockholm, Sweden, 1997 ° 一種類似於圖1中的網路反相器之直接轉矩控制法不能有效 地控制轉換器的電流。因此，轉換器的電流可能不是正弦變化者 且包括明顯較低頻諧波成分，例如5次諳波和7次諧波。如果網路 濾波器是一種LCL濾波器而非一L濾波器，則轉換器提供的諧波電 10 流向量分量會特別地強化。 .鱗,猶‘gpf :’親瀬 m,0 請 先 W 讀 背 Φ 之 注 項 再 填 寫 本 頁 發明概述 訂 本發明的一項目地為提出一種方法，經由這種方法可以避免 前面提到的缺點並且能夠比以前使用同樣的措施更精確地控制網 路反相器。該目的可經由本發明方法達到，該方法的特徵為其包 15 括下列數步驟：

界定一套同步正交dq坐標系； 測量反相器輸出的相位電流； 將反相器的相位電流轉換到同步dq坐標系中以得到同步同步 電流向量分量； 2〇 將該同步電流向量分量經由低通濾波器而獲得經低通濾波的 電流向量分量； 在dq.全標系的方向產生一基準電流

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圖3顯示出經由PWM調制器控制住的電動機電流向量控制之原 理圖解(先前技藝）。 [元件符號說明] 1 中頻電壓控制器 3 電流控制器 5 DTC模組 7 坐標系統轉換常數 1〇 濾波器 12 反作用功率控制器 14 低通濾、波器 33 脈衝調制器 2 功率反饋控制器 4 電流控制器 6 坐標系統轉換常數 8, 9 渡波元件 11 中頻電路電壓控制器 13 直接轉矩控制單元 31，32功率控制器 34 電源開關 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁>

發明之詳細說明 10 經濟部智慧財產局員工濟費合作社%製 15 圖2顯示出執行根據本發明方法之方框圖。此一控制結構為一 級聯控制類型，此一控制包括互相嵌套的控制回路。最外層的控 制器為一中頻電壓控制器1和一功率反饋控制器2。中頻電壓控制 器在方向q上產生一基準電流iq,ref，而功率反饋控制器2在d方 向上產生一基準電流id，ref。内部控制器為電流控制器3和4 ,比 等係於一同步正交dq坐標系内作用，並為DTC電壓向量的選擇算 則提供一磁通匝連數絕對基準值问和轉矩基準值te，ref。包括 在圖2中DTC模組5中的最内層回路係由該磁通阻連數絕對值和轉 矩控制的磁滯回路- % 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） iwaer 、發輙_她I ΐ'Ο ^ ‘ V;等货，心,1聯 按照空間向量理論，一三階系統的變g寸:以^ 一旋轉向量來 表不（例如，向量〗），其可以分解為互成正交的兩個分量 (巧，\)。因此上面提到的同步正交dq坐標系可以為一隨著電子性 質％轉且結合到彼坐標系者。典型地，例如，一同步坐標系係結 合到一旋轉磁通匝連數向量。在此一情形下，坐標系的d軸方向 係經定為該磁通匝連數向量的方向，且q軸方向係經定為對該方 向呈90度者。 依據本發明方法，可定出一同步正交dq[坐標系。該同步坐標 系最好係以下述方式選擇出··將坐標系的(1轴與網路反相器的磁 10通匝連數向量p平行。磁通匝連數向量的方向可經由使用例如精 密的電動機模型來定出，此一模型還可以用來連接沒有實體電動 機的網路反相器。此種電動機模型典型地係包括在— DTC演算法 t以便單純地運用此一模型提供磁通臣連數向量的方向。另一確 定磁通匝連數向量方向的方式為經由運用電壓積分模型（1)予以 15計算出。以網路的角速度旋轉之同步坐標系可以結合到取代網路 反相器的磁通匝連數向量之其他變數，例如結合到網路的磁通匝 連數向量或網路的電壓向量。不過，在此種情況下，必需使用加 添的測量。 根據此種方法，可以測得反相器輸出的相位電流。如果假設 20在交流電系統中沒有中性導體的存在，則兩相位電流的測量就足 以測定電流向量。因此，顯示出根據本發明方法的圖2僅指示出 各據相位A和C的電流i a和ic之測量。 根據本發明，將所測得之相位電流iA和ic轉化到同步dq坐標 系。此坐標系的轉換較佳者係以下述方式來實施::將所測得之相 25位變數先用坐標系轉換常數6轉換封一固定的xy坐標系，在此一 冬 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚) 請 先 閲 讀 背 面 之 注 ，n: a·^：'·，1λ 'lit m ，r-i ,¾ 理 ,¾靡

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經濟部智慧財產局員工濟費合作社印製 _:學_S!纖 數在q軸方向上自然沒有分量。西此，在此坐標系中運算時' % 且和〜巧，由此些轉矩可以表示為(8) 所以反相為的轉矩可以經由在q方向上的電流來調整。 5 在低通(L)濾波器的情形下，網路反相器的穩定狀態反作用功 率可以用下式來計算 q = kv.i)a) 此處磁通臣違數向量為 ψν=ψ — Li (9) (10) 10 把方程式（10)代入方程式（9)中，可以得到《 = + 冬斗f)y (11) 在同步坐標系中，此一方程在可以表示為 \ω (12) 當在結合到網路反相器的磁通S連數向量之同步坐標系中進 15 行運鼻時’ ％ = 〇且和〜=γ ’因而可以得到 q :(ΙΛ-

Li \ω (13) 由於網路遽波Is的磁感應係數L通常為很小的，所在方程式 (13)中後一項的意義與前一項比較就小得多。因此，在q方向上 的電流對於反作用功率的影響就很小，且網路反相器的反作用功 20 率可以經由d方向上的電流來調整 — to,- (請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) ·. 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 鑛____ !a.( 經濟部智慧財產局員工消費合作社咿製 _______ _____ 五’μ务明^ ί.;，'r…（‘ 彳 根據本發萌，更產生在dq坐標系中，（I轴方向上的基準電流 iq，ref和d轴方向的基準電流id, ref。d軸方向的基準電流id，ref 較佳者係經由使用一反饋功率控制器2來定出。反饋功率控制器 的作用係為d方向產生一電流基準，並且將該值保持幾乎為常 5 數，經由此一基準，如前面所述，就可得到網路反相器所要求的 功率因數。此處對於反饋功率控制器2沒有明確的動態性能要 求。由於在d方向上保持網路反相器的功率因數為1的基準電流很 接近於0，因此可以一起將反饋功率控制器不考慮而用在d方向上 的一固定電流基準值來代替，或者用一開路方程式計算得一適當 10 的基率值。 根據本發明一較佳具體實例，係經由反饋功率的估計值qest 和反饋功率基準值qref的比較來產生一基準電流id，ref。此一比 較係以將估計值從基準值減去的方式來實施。由減函數的結果所 提供的不同變數作為反饋功率控制器的輸入，而基準電流id， 15 則由控制器的輸出得到。 中頻電路電壓控制器1在(!方向上產生一個電流基準值 iq，ref。中頻電路電壓控制器1為網路反相器中一個最重要的控 制器，且其與q方向上的電流控制器3—起，決定出中頻電路電壓 控制的性能。根據本發明一較佳具體實例，q軸方向上的基準電 20流係經由使用中頻電路的一直流電壓控制值Udc，ref和所測定出 的反相器中頻電路電壓Udc予以產生的。基準電流本身係經由將 所測量到的中頻電路電舰直流電準值中減去並將所得到的 變數差值輸入到中頻電路電壓控制器，從其輸出端就可得到電流 基準值iq，ref，此可以從圖2:方框圖:看出;- 25 正如前面所描述的，所测電流被轉換到:相同坐標系如同所產

_B7/>i 丨丨 \/ ,； ' PCD20.15〇!；α(ά€：- ti/1 Qi lifs 賴&ί_,輪: 夂欄吵丨 :,::瓣___&?: 確激1膚_丨:靜;尸': ιβι 綠_;. 經濟部智慧財產局員工漭費合作社印製 * Ί、’ ：;％,.,,，:.以.〔:::.辦: 生的基準電流一般。，前面提及的諸電流之比較成為i意義 的，並且在各電流的基礎上，可根據本發明進一步實施控制電 路’以控制電路的輸出之形式得到基準轉矩和磁通匝連數的絕對 基準值。在計算不同的變數之前，同步坐標系中電流的實際值id 5和iq必須低通濾波過。在圖2中，低通渡波係利用渡波元件8和9 來實施。 將電流id和iq低通濾波提供經低通濾波後的電流向量分量 id，lpf和iq，lpf·。低通濾波器係移除掉電流的開關-頻率振盪 (switching-frequency oscillation)。開關-頻率振盪對磁通臣 10連數的絕對基準值及基準轉矩的強烈景彡響將阻礙控制方法的目的 性操作。傳統嚴謹的濾波運算法則都可用於電流的低通濾波。 根據本發明，經由比較q方向的基準電流iq，ref與q方向的 電流向量分量iq，lpf可產生一基準轉矩te，ref。較佳者，係以將 .q方向的基準電流和q方向的經低通濾波過的電流向量分量之間的 15 差異係由q方向的電流控制器處理之方式產生基準轉矩，因而可 從電流控制器輸出端得到所要用到的基準轉矩te，ref。換言之， 電流控制器3經由基準轉矩影響反相器的輸出電流，從而減小q方 向的基準電流與q方向的經低通濾波過的電流向量分量之間的差 異。 20 在根據本發明的方法中，係經由將d方向的基準電流以ref與 d方向的經低通濾波過的電流向量分量i岀1 pf進行比較產生供〇1^ 單元所用的磁通匝連數絕對基準值|7|_。較佳者，磁通匝連數 的絕對基準值係經由將d方向的基準電流id, ref減去經低通 瀘波通的電流向量分量id，ip;雨產生的。在此藏法中產生的差異 25 繼績被傳導到d方向的電流控制:器，因:而可從電流控制器輸忠得 • 1ί2，‘ liill

IfSOJSIK^ 丨丨· I · .:Λ「,/Γ-, η (請先閱讀絷面之注意事項再填寫本頁) -----訂i ί .線·丨 表紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐）

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f ¥:9λ> :;ΐ; VI, " — 鱺— 't-丨：，丨 srY,: p^'./,1¾ IS vs I f £ ¾¾丨i il -V ,/ 到要甩到的磁通匝連數的絕對基準值|·^|_。換言之V使用在4方 向的電流向量分量來控制磁通匝連數的大小，且更使用磁通匝連 數的絕對基準值作為變數，在此基礎上，經由使用如所知的jypC 方法和與其相關的最適開關表可以產生反相器的開關指令。上面 5述及的諸控制器卜2，3和4典型地都為利用pi運算法則來操作的 控制器，但要強調者要用到的此種控制運算法則可為要以有目的 方式執行控制之任何一種運算法則。 正如刖面所提及者，係根據本發明使用由最外面的控制回路 產生的磁通匝連數絕對值和轉矩信號來依照£)1^原理形成電源開 10關的開關指令。該DTC單元5包含一電動機模型或一相對應的已知 方式負載。在該模型的基礎上，可由該負載計算出磁通匝連數和 轉矩的值。 118 t-:-,:,s,,:々;,;t 鱉:;‘： i 麵 (請先閱謓t·面之注意事項再填窵本頁) 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社%製 圖2的DTC單元5也包括反相器中所用的電源開關，藉此電源 .開關所產生的電壓直接形成該單元的輸出。如圖2所示者，根據 本發明’可從單元5的輸出測量出兩相位的電流μ和丨匸。 DTC單元更包括最内部的控制回路，其為磁通和轉矩的滯後控 制回路。此等控制係利用從電動機模型所得的實際值和同步功率 控制所產生的基準變數來實施的，根據此等變數，内部控制器組 可以調整該模型產生的變數。 最適開關表係以已知方式使用，其方式為使得在上面所說的 滞後控制所用滯後比的結果之基礎上，得以選擇出在每一特別 控制時刻有關該控制最合目的的開關指令組合，亦即該输出的電 壓向量抗令。隨後’此指令可經由使甩控制該輸出的電源開關之 分開控制:電路來執翁-11]-本紙張尺度迺甩中國國豕標準（CNS)A4.規格（210 X 2.97公笼） _ i 匕靈造編·: i;_ 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 經濟部智慧財產局f Μ消t合作社%製 * ·ν ；^ί[^Λ^ ' · ；>^ί^7/·^·!· ·-：·;.,；!· ·; . . (i. .；.,. ；,；ι；. ... ... ^m^mmmmmmmmmmm φ 藏—明m#㈣嘟,..、w c , ‘，^ i. 根據本發3月’一故彳圭具體会^列:，係將所產生的輸出龠龐予以低 通遽波過。該低通濾波為圖2寸顯示為濾波器10者。濾波器1〇典 型地為具有相位特異性且可以為由一電感組件所組成的L濾波器 類型’由一電感組件和一電容組件形成的LC濾波器，或為例如由 兩個電感組件和一個電容組件形成的LCL濾波器。特別建議者為 使用一濾波器和一反相器相連接者，因為供應到網路的電流所具 曲線形式必須頗準確地類似於正弦曲線之故。 於上文中，本發明方法已相關於反相器予以說明過，不過， 其也可應用於其他交流電流器件，例如應用於裝有一^濾波器的 1〇電動機。 對於一諳於此技者來說顯然地，隨著技術上的進步，本發明 的基本概念可用眾多方式予以實現。本發明和其具體實例因而不 受限於上述實施例，而是可在後附申請專利範圍内變異者。 -14- ‘紙張尺度適甩中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. _:纖_ t善、申請專爾1 、心 丨，'，:丨 .•一種反相器的相關方法，該反相器包括一直流電壓中頻電路，一最 適開關表，和一輸出電源開關，該方法的特徵在於包括下列諸步 驟： 5 界定一同步正交(¾坐標系r 測量反相器輸出的相位電流(i：A，ic); 將反相器的相位電流(iA，ic)轉換到該同步dq坐標系中以得到同， 步同步電流向量分量（id，iy ; 將該同步電流向量分量（id，iq)經由低通濾波而獲得經低通濾波 10的電流向量分量（id，lpf，iq，ipf); 在該dq坐標系的q軸方向產生一基準電流; 在dq坐標系的d軸方向產生一基準電流(id，ref) 經由比較在q轴方向的該基準電流（iq，ref)與在q轴方向的經低通 濾波的電流向量分量（iq，lpf)而產生一基準轉矩(te，ref); 15 經由比較d轴方向的基準電流（id，ref )與d轴方向的經低通濾波的 電流向量分量（id，lpf)產生一磁通阻連數的絕對基準值(问_);及 經由使用最佳開關表(5)，以談基準轉矩(te，ref)和磁通匝連數的 絶對基準值(|·^|〜）為基礎，構成電源開關的開關指令。 2.如申請專利範圍第丨項之方法，其中在該如坐標系的q軸方向上之 20 基準電流(½ ref)的產生包括下列諸步驟:： 形成篇中頻電路的;直流電壓基準值(厕，_》;： I--—Μη ί——- ΓΓ II 1· l·— — ^ II ί · (請·先閲讀俗面之注意事項再填寫本頁) i·. 經濟部替慧財產局員工消费合作社_製 _2·，· ►νβίβΐΐφ：- ιιιιβ» :錢k::‘，:嫩;、 wm "'\\ S../V 'il·^'；'?1/1' ,‘v、 ' —./ 聲 //，w 、PC020150.DOC - t傘8, ( ^ SliSiiSr·""—'," ： '' 意:說： ___ .1:¾ ΙΓ" 5 *比較該中頻電路的直流電壓基準值⑽，^)與電壓⑽）而得到 該同步坐標系q方向上的基準電流(iq，—。 3.如申％專利範圍第2項之方法，其中該^轴方向上的基準電流 (iq，ref )之產生包括下列諸步驟··： 從該直流電壓基準值伽，ref)巾減去該帽電蘭電壓⑽c)產 生一差值變數;及 將所產生的差值變數傳導到一中頻電路控制器（i)，由此可申該中 頻電路電壓控制器的輸出得蝴方向的基準電流(iq，ref)。、 I 閱 讀 背、 面 之 注 l I f f 訂 10 4·如申凊專利範圍第]項之方法，其中在該此坐標系d轴方向上的基 準電流(id，ref)之產生包括下列諸步驟：； 產生一反饋功率基準值(qref); 估算該反相器的反饋功率值(qest);、及 I k I 將該反饋功率基準值與該同步電流坐標系的估計反饋功率值進行 15比較從而得到基準電流(id，ref)。 5·如申請專利範圍第4項之方法，其中在該d軸方向上的該基準電流| (M，ref)之產生包括下列諸步驟：.從該反饋功率基準值(q ref\^——丨 去該反相器的估算反饋功率值(兑est)得封一差值變數;；及 I 將所產生的差值變數傳導到反饋功率控制器由此得到該d方向 | 20 的基準電流(4 ref)。 | ! .. 丨i丨 I 6·如申請專利範圍第^項之方法，其中讓基準轉矩(te，ref)的產生包j I [ . ί II ! ί li- [_ \ j? 本紙張尺度適甩中國國家揉準( CNS ) A4规格（210X297公釐了---- 1283509 PC020150.DOC - 17/18 過:^^基準電邮"）減知方向的該經 的電机向里分1(1¾，bf)而產生該轉矩（te，ref)。 贿6項之方法，其中該基準轉矩(te，㈣）的產生包 ^驟.將該妓向經低通濾波過的基準電流 與勒 $的電流向量分量（iq，lpf)之間的差異傳導到J向的電流控制 ref)。域理，稭此由該電流控制器的輸出得到該基準轉矩⑷， 二明她圍第1項之方法，其中該磁通阻連數的絕對基準值 10 吟'之產生包括下面的步驟··將該在d的方向上基準電流（id， ref Μ去該d方向的經低通滤波過的電流向量分量（^ )即產 生磁通匝連數的絕對基準值问#。 申明專$範圍第8項之方法，其中該磁通輯數的絕對基準值 /產生匕括下面的步驟·將該在d方向上的基準電流（id， 15 f )與該时向上經低通滤波過的電流向量分量（id，lpf)之間的 導到冑流控制器⑷進行處理，藉此由該電流控制器⑷的 輸出得到該磁通!£連數的絕對基準值问㈣。 1〇. ^申請專利範圍任一前項之方法，其中該電源開關的開關指令係 、二執行以產生-輸出電壓且將所產生的該輸出電壓經低通濾、波 過。 " 2〇 11· *申凊專利範圍第丨項之方法，其中將該反相器的相位電流轉換到 α亥同步dq坐標系之過程包括下列諸步驟： yL疋丄心糸疋出所測得之該反相器的電流向量所含相位電流垂 直分量（iX，iy);及

   __ ；§ιΒ§ 1¾¾1 雜_ if .4::¾ \ '".-·； ：r\ri!；'f：t !λ,·ΙΙ；)}ίί}!ΐ*' 卜; I __;蚊 _____ ΙΙ||^^||ΙΙβΙ^|Ι ；!f：vlp|l||fe si藝! 將該穩定坐標系的該電流向量所含該等垂直分量(ix，iy)轉換到該 dq正交坐標系以得到電流向量垂直分量（i d，i q )。 (請^閲请背"面之注意事項再填寫本頁) 經濟部替慧財產局貫工消费合作社_製 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS ) A4規格U10X297公釐)