CN100454754C - 采用pwm脉宽调制同步切换的电压型变频调速***及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速***及其方法，属于电力电子与交流传动领域。此***包括：控制***、主回路和调速对象三部分。控制***硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式。主回路采用二极管整流和由IPM组成的三电平中点箝位式逆变拓扑结构。调速对象为一台3Kw的四极异步电机，额定电压380V。本发明的优点在于：采用本发明由于增加了一个载波比平滑切换器，实现了载波比的渐变，消除了电流冲击问题的根源，彻底解决了电流冲击的问题。该载波比平滑切换器具有结构简单、调整参数少、容易实现。

Description

采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速***及其方法
技术领域
本发明属于电力电子与交流传动技术领域，特别是提供了一种采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速***及其方法。
背景技术
电压型变频调速***一般由控制***、主回路和调速对象三部分组成。控制***一般是以DSP数字信号处理芯片为核心的数字控制***；主回路一般是由电力电子开关器件组成的功率传递通路；调速对象一般是由各种电机组成的机电***。电压型变频调速***的构成如图1所示。
在控制***中可以采用多种调制方法(比如正弦电压脉宽调制法、空间矢量调制方法、特定谐波消除法等)来控制主回路开关器件的动作，从而调节调速对象的运动行为。在各种调制方法中均存在一个载波比P的概念。比如在正弦电压脉宽调制法中，载波比P等于载波频率fc与调制频率fr之比，即P＝fc/fr。根据P与载波频率fc和调制频率fr的关系，可以有三种调制方式，即同步调制、异步调制和分段同步调制。
同步调制是指载波信号和调制信号保持同步关系的调制方式。同步调制方式中调制频率fr变化时，载波频率fc随之变化，P保持为常数。这种方式下，当变流器在高频运行半周期内脉冲个数合适时，在低频运行时，半周期内脉冲数就显少，达不到低频运行消除更多高次谐波的要求。
异步调制是指载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式。异步调制方式中调制频率fr变化时，载波频率fc保持不变，P为变数。这种方式下，在输出频率降低时，输出电压半周期内的脉冲数增加，能减少脉动转矩，改善运行性能。但是，另一方面P为变数，经常不是整数，致使三相输出电压不对称，引起交流电机运行不稳定。
分段同步调制综合同步调制和异步调制两者的优点，将输出频率分为几段，各段内P为常数(低频时亦可设置异步方式工作段)，各段之间P变化，随输出频率降低P增大，这样就满足了低频时改善运行性能的要求。图2为传统的分段同步方法载波比切换示意图。
传统的同步切换方法在载波比切换时采用载波比直接切换的方法，这会造成在切换时输出电压的紊乱，导致电机运行状态不稳定，容易出现电流冲击现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速***及其方法，主要是加入了一个载波比平滑切换器。载波比平滑切换器可以自动的调节调速***整个输出频率范围内的载波比，彻底解决载波比切换过程中电流冲击的问题。
本发明的***包括：控制***、主回路和调速对象三部分。控制***硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式。控制***硬件亦可换成由其它类似DSP数字信号处理芯片如TMS320LF2407A等构成的控制板，软件亦可采用正弦电压脉宽调制、特定谐波消除法等其它调制方式。主回路包括整流部分和逆变部分。整流部分采用二极管桥式整流，逆变部分采用由IPM构成的三电平中点箝位式拓扑结构。整流部分亦可换成可控整流或者PWM整流等，而逆变部分亦可采用两电平或者其它多电平拓扑结构，开关器件亦不局限于IPM器件。调速对象为一台3Kw的四极绕线式异步电机，额定电压380V。调速对象不局限于异步电机，亦可为同步电机。
图3为采用传统同步切换方法***的控制***开环运行时的结构图。图4为采用新型同步切换方法***的控制***开环运行时的结构图。两***都是根据给定输出频率f得到当前载波比P，由载波比P得到当前电压空间矢量电角度θ的积分步长Δθ，然后通过积分得到当前电压空间矢量的电角度θ。结合电压空间矢量模长给定|Vref|和电压空间矢量电角度θ，通过空间矢量调制算法SVPWM可以得出12个开关器件的动作状态。比较两控制***开环运行图可发现，新型同步切换算法与传统同步切换算法的不同在于，新型同步切换算法没有把载波比切换后的载波比给定P*直接作为当前的载波比输出，而是增加了一个载波比平滑切换器。载波比平滑切换器利用变频器载波比给定P*和***上个采样周期的载波比P做差，然后输入一个PI调节器，调节器输出作为当前的载波比P输出。此环节消除了传统同步切换方法在载波比切换时载波比突变的弊端，实现了载波比的逐渐过渡，消除了电流冲击问题的根源，彻底解决了电流冲击的问题。
优点在于：采用传统的PWM脉宽调制同步切换方法的电压型变频调速***在载波比切换时存在电流冲击现象，而采用新型PWM脉宽调制同步切换方法的电压型变频调速***由于增加了一个载波比平滑切换器，实现了载波比的渐变，消除了电流冲击问题的根源，彻底解决了电流冲击的问题。该载波比平滑切换器具有结构简单、调整参数少、容易实现等优点。
附图说明
图1为电压型变频调速***的构成。其中，控制***1、主回路2、调速对象3。
图2为传统同步切换方法下载波频率fc与调制频率fr的关系。
图3为采用传统同步切换方法的控制***开环运行的结构图。
图4为采用本发明同步切换方法的控制***开环运行的结构图。
图5为本发明同步切换方法下载波频率fc与调制频率fr的关系。
图6为采用传统同步切换方法的载波比切换时的电流冲击现象。3通道为传统同步切换方式下载波比切换时定子电流冲击电流波形
图7为采用本发明同步切换方法的载波比切换时的电流波形。电机整个启动过程中定子电流波形，下部波形为载波比切换时定子电流波形放大图。
具体实施方式
图1、图4、图5、图7为本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明包括：控制***、主回路和调速对象三部分。控制***硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式。主回路采用二极管整流和由IPM组成的三电平中点箝位式逆变拓扑结构。调速对象为一台3Kw的四极异步电机，额定电压380V。
图4为采用新型同步切换方法***的控制***开环运行的结构图。根据给定输出频率f得到当前载波比给定P*，利用变频器载波比给定P*和上个采样周期的载波比P做差，然后输入一个PI调节器，调节器输出作为当前的载波比输出P。由当前载波比P得到当前电压空间矢量电角度θ的积分步长Δθ，然后通过积分得到当前电压空间矢量的电角度θ。结合电压空间矢量模长给定|Vref|和电压空间矢量电角度θ，通过空间矢量调制算法SVPWM可以得出12个开关器件的动作状态。
图5为采用新型同步切换方法下载波频率fc与调制频率fr的关系。
图6为采用传统同步切换方法的***在载波比切换时的定子电流冲击现象。实验条件为整流测母线电压560V，电机转子绕组直接短路，电机带直流发电机为负载，负载电阻5.8欧姆，发电机为它励式，励磁电压150V，切换前后载波比为36和6，切换时调制波频率fr为30Hz。可以看出切换后最大电流冲击约为切换前最大电流的2.5倍。
图7为采用本发明同步切换方法的***在载波比切换时的定子电流波形，实验条件同上，可以看到切换后最大电流与切换前最大电流基本相等。可见采用同步切换方法的***的确可以彻底解决载波比切换过程中电机电流冲击的问题。

Claims (1)

1、一种应用于电压型变频调速***的同步切换PWM脉宽调制方法，所述***包括：控制***、主回路和调速对象三部分；控制***硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式；主回路包括整流部分和逆变部分，整流部分采用二极管桥式整流，逆变部分采用由IPM构成的三电平中点箝位式拓扑结构；调速对象为一台3kW的四极绕线式异步电机，额定电压380V；其特征在于：所述方法中包括利用载波比平滑切换器计算的步骤，所述载波比平滑切换器的输入为当前载波比给定P*，所述P*是根据给定输出频率f得到的，所述载波比平滑切换器利用所述P*和上个采样周期的载波比P做差，然后将差值输入一个PI调节器，PI调节器的输出即为所述载波比平滑切换器的输出，所述输出为当前载波比；所述方法还包括以下步骤：由当前载波比得到当前电压空间矢量电角度θ的积分步长Δθ，然后通过积分得到当前电压空间矢量的电角度θ，结合电压空间矢量模长给定|Vref|和电压空间矢量的电角度θ，通过空间矢量调制算法SVPWM得出所述逆变部分的12个开关器件的动作状态。
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