CN101369782B - 一种单元串联式高压变频器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单元串联式高压变频器的控制方法，该方法是混合使用PWM和矩形堆波控制方式以及无扰动切换，适用于单元串联式高压变频器或者类似电力变换装置，其中无扰动切换技术也为其他混合控制方式平滑切换提供了有效参考。其特征在于：高压变频器输出频率较高时，使用矩形堆波控制技术，不仅提高了直流电压利用率，而且在满足谐波含有率小的要求下，使功率器件开关频率大大降低，最大限度地减少了开关损耗。使用负载功率均衡技术，解决了矩形堆波控制技术中单元功率不均衡问题。另外采用无扰动切换，保证两种控制方式切换时输出波形无扰动平滑改变。

Description

一种单元串联式高压变频器的控制方法

技术领域

本发明属于电气自动化控制领域，更具体涉及一种单元串联式高压变频器的控制方法，是串联式高压变频器中混合使用载波移相PWM控制和矩形堆波控制及其无扰动切换方法，适用于任何类似单元串联电力变换装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，高压变频器在国民经济各个领域如电力、冶金，石化，自来水等行业得到广泛的应用，其重要性也随之突出，但高压变频器本身性能仍存在诸多需要改善的地方。高压变频器的优点是改善工况特性，节省电能显著，其输出波形和本身损耗是考察变频器技术性能指标的两个重要方面。而这两个方面主要取决于输出波形的控制方法。在单元串联高压变频器中，现在普遍采用两种控制方式，一是载波移相PWM控制方式，它是在同相单元调制波完全相同，三相调制波依次相差120°的情况下，根据每相所串联的单元数目，同相每个单元的载波相位依次相差某一个角度的调制方法。其优点是高压变频器有良好的输出波形，谐波含量小，各个单元输出功率均衡；缺点是当高压变频器输出电压频率较高时，功率单元的开关频率随之增大，开关损耗加大；开关死区时间也会随着开关频率的增大而增大，使得变频器输出电压严重偏低，影响变频器输出精度。另一种是采用矩形堆波控制方式，它是在一个周期内每个单元输出一定宽度的矩形脉冲波形，利用多个功率单元脉宽不同的矩形波叠加输出，使得输出电压波形与理想正弦波形等效的控制方式。其优点是功率单元的开关频率小，开关损耗低，功率器件的寿命延长，直流电压利用率高，不存在死区时间的影响，软件控制方法简单；缺点是当高压变频器的输出频率较低时，波形畸变严重，谐波含有率高。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种单元串联式高压变频器的控制方法，混合使用载波移相PWM控制和矩形堆波控制，该方法简单实用，不但可以改善电压输出波形，而且降低了变频器的开关损耗，实现了控制方式双向无扰动平滑切换。

所述单元串联式高压变频器主要由移相变压器、功率单元以及控制电路组成，移相变压器的一次侧与电网相连，众多二次绕组(绕组数量与功率单元数量相当，功率单元数量由变频器电压等级决定)与其对应的功率单元相连(常规技术)。

每个功率单元结构完全相同，主要由熔断器，整流二极管，滤波电容，功率开关器件构成。六个整流二极管构成三相全波整流桥，三相交流电源经过熔断器与整流桥的输入端连接。整流桥的输出端与滤波电容组成的电容器组并联。功率开关器件(如IGBT)构成H型逆变桥，逆变桥的输入端与滤波电容器组成的电容器组相连，输出端作为每个功率单元的输出端与其他单元输出端串联，根据功率单元的输出电压等级和变频器所需输出电压等级，变频器每相由一定数量功率单元串联而成(如单个功率单元输出690V，变频器输出3KV，则每相需要串联3个功率单元)，三相采用星形接法，输出直接与电动机相连。单元串联式高压变频器结构现阶段已被广泛采用，技术亦相当成熟。基于如上所述现有的拓扑结构，一种单元串联式高压变频器控制方法如下：

当高压变频器输出频率f<f_ref(f_ref∈[40Hz，50Hz]或不局限于此范围)时，采用载波移相PWM控制技术，当高压变频器输出频率f≥f_ref(f_ref∈[40Hz，50Hz]或不局限于此范围)时，采用矩形堆波控制技术，并实现输出频率变化时控制方式的无扰动双向平滑切换。

载波移相PWM控制是在同相单元调制波完全相同的情况下，将根据每相所串联的单元数目，同相每个单元的载波相位依次相差某一个角度。

对于三相同一位置的三个单元(比如A相第2单元、B相第2单元和C相第2单元，以下简称A2，B2，C2)，其调制波形依次相差120°，载波将根据高压变频器总共单元数，依次相差某一个角度(根据载波频率确定的角度)。

载波移相PWM控制在高压变频器低频输出时不但有完美无谐波的美誉，输出波形好，谐波含有率低，而且开关频率较低，开关损耗较小，各个单元功率输出均衡。

矩形堆波控制技术是在一个周期内每个单元输出一定宽度的矩形脉冲波形，利用多个单元输出脉宽不同的矩形波叠加，使得输出电压波形与理想正弦波形等效的控制方式。一个电压输出周期内，功率单元的开关次数为1。

采用单元输出功率均衡技术，解决矩形堆波控制方式中单元功率不均衡的问题。其原理可简述为：每经过若干周期后，同相内各单元输出的矩形波形实行轮换，保证长时间内各单元的输出功率均衡。当每相有3个单元串联时，不妨以A相为例，假设有三个单元分别为A1，A2，A3，T为输出电压波形的周期，在0～nT时间内(n为任意自然数)，单元A1，A2，A3对应输出为矩形宽度为a，b，c(不妨假设a<b<c)；nT～2nT时间内，单元A1，A2，A3对应输出矩形宽度为b，c，a；2nT～3nT时间内，单元A1，A2，A3对应输出矩形宽度为c，a，b；以此循环轮换输出，保证了长时间内每个功率单元出力基本相等。

高压变频器在高频输出时，采用矩形堆波控制方式，不仅开关损耗低，功率器件的寿命延长，直流电压利用率高，不存在死区时间的影响，控制方法简单，而且电压谐波含有率明显减小，电压波形畸变小，谐波含有率和载波移相PWM控制方式相当。

由于矩形堆波控制方式能够有效的提高直流电压利用率高达10％，在单元直流供电电压不足时，采用矩形堆波控制方式能够确保变频器电压输出正常。从另一个意义上说，当输出电压一定时，采用矩形堆波控制方式能够降低单元直流侧电压等级，同时降低了对单元设备的绝缘要求。

根据变频器工作状态及其电机负载的要求，灵活确定切换频率点f_ref，原则主要有：一、保证电机电流谐波含有率低、电机扰动小。二、保证输出电压大小满足电机负载要求。在此两个原则的情况下，尽量采用矩形堆波控制方式控制，否则采用载波移相PWM控制方式。

本发明含有一种无扰动双向平滑切换方法，当频率由高向低(或由低向高)变化时，确保载波移相PWM控制和矩形堆波控制方式无扰动双向平滑切换。

无扰动切换方式，顾名思义，切换前后变频器输出电压对负载冲击小。变频器刚启动时，频率较低，高压变频器采用载波移相PWM控制方式，随着输出频率的升高，当频率达到频率切换点f_ref时，捕捉变频器输出电压相位过零点，将矩形堆波控制波形相位强制清零输出控制各个功率单元，以免产生冲击电流。同理，当输出频率由高向低变化达到频率切换点f_ref时，捕捉变频器输出电压相位过零点，将载波移相PWM控制波形相位强制清零输出控制各个功率单元。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：高压变频器输出频率较高时，使用矩形堆波控制技术，不仅提高了直流电压利用率，而且在满足谐波含有率小的要求下，使功率器件开关频率大大降低，最大限度地减少了开关损耗。使用负载功率均衡技术，解决了矩形堆波控制技术中单元功率不均衡问题。另外采用无扰动切换技术，保证两种控制方式切换时输出波形无扰动平滑改变。

附图说明

图1功率单元串联式高压变频器结构示意图。

其中：1，2，3，4，5，6，7，8，9—H桥功率单元，10—移相变压器

图2常规H桥功率单元结构示意图。

其中：11A，11B，11C—熔断器，12A，12B，12C，12D，12E，12F—整流二极管，13—滤波电容，14A，14B，14C，14D，14E，14F—功率开关器件如IGBT。

图3矩形堆波控制波形示意图

15，16，17均为一个单元产生的电压波形，18为15，16和17三个单元输出波形叠加而成。

图4两种控制方式无扰动切换程序流程图

图5两种控制方式切换波形示意图

当控制方式切换时，捕捉电压输出相位过零点时刻进行波形控制方式切换，过渡过程扰动小。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

本发明是一种高压变频器中混合使用载波移相PWM控制和矩形堆波控制方式以及无扰动切换技术，其适用于开环或闭环控制的单元串联式高压变频器或者类似电力变换装置。结合高压变频器现阶段普通采用的两类波形控制方式之优点，本发明提出了一种混合使用两类波形控制方式并实现无扰动双向切换的新型方案。

由于单元串联式高压变频器的单元串联数目因变频器电压等级不同而异，本具体实施方式以3单元串联为例说明(本领域技术人员熟知)。

如图1所示，所述单元串联式高压变频器主要由移相变压器10、功率单元1，2，3，4，5，6，7，8，9以及控制回路组成，移相变压器10的一次侧与电网相连，众多二次绕组与其对应的功率单元相连。变频器的输出接电动机(图中的M)。

每个功率单元结构完全相同，如图2所示，主要由熔断器11A，11B，11C，整流二极管12A，12B，12C，12D，12E，12F，滤波电容13，功率开关器件14A，14B，14C，14D，14E，14F构成。六个整流二极管构成三相全波整流桥，移相变压器10的二次侧经过熔断器与整流桥的输入端连接。整流桥的输出端与滤波电容13组成的电容器组并联。功率开关器件(可采用IGBT)构成H型逆变桥，逆变桥的输入端与滤波电容器13组成的电容器组相连，输出端作为功率单元的输出端与其他单元输出端串联。每相有3个单元串联而成，三相采用星形接法，输出直接与电动机相连。单元串联式高压变频器拓扑结构现阶段已被广泛采用，技术亦相当成熟。基于如上所述现有的拓扑结构，本发明提出了一种新的控制方法。

采用载波移相PWM控制：当变频器输出频率较低时，设频率切换点为45Hz(本发明切换点不局限于此)，采用载波移相PWM控制，采用三角波作为载波，正弦或其演变而来的波形如叠加三次谐波的正弦波作为调制波。同相单元调制波形和相位均相同，载波相位依次相差对于不同相中处同一位置的三个单元(比如图1中的功率单元1，4，7)，其调制波形相同，相位依次相差120°，载波相位依次相差

各单元控制信号由对应的调制波与对应的载波相调制得到。根据以上分析可得各单元的波形的相位角如下表(设1单元的载波和调制波相位角均为0°，但其是任意的)。

采用矩形堆波波形控制输出：当高压变频器输出频率大于等于45Hz时，现阶段普遍采用的依然是低频输出时的控制方式即载波移相PWM控制，而本发明结合两者的优缺点，采用矩形堆波控制方式，它原理是一个周期内每个单元输出电压波形是宽度可调节的矩形波形，利用多个单元脉宽不同的矩形波叠加输出，使得最终输出电压波形与理想目标波形等效。图3是采用矩形堆波控制输出方式的波形示意图。观察示意图可知：一个周期内，各功率单元的功率器件开关仅为1次，相比其他调制方式大大降低，开关损耗最大限度的减小，也不存在死区时间问题。此外，为了解决应用中存在每个功率单元出力不均衡，输入谐波抵消效果不理想等问题，每个功率单元的输出波形实行轮换。如图3，设T为输出电压波形的周期，在0～nT时间内(n为任意自然数，下同)，单元1，2，3对应输出为波形15，波形16，波形17；nT～2nT时间内，单元1，2，3对应输出为波形16，波形17，波形15；2nT～3nT时间内，单元1，2，3对应输出为波形17，波形15，波形16。同理可得到另外两相各个单元的轮换方式，以此循环轮换输出，保证长时间内每个功率单元出力基本相等。

当频率由高向低(或由低向高)变化时，为确保载波移相PWM控制和矩形堆波控制方式无扰动双向平滑切换，采用无扰动双向平滑切换方法，流程图如图4，其关键在于切换前须捕捉当前输出电压相位，等待相位过零点实施切换，保证输出电压波形平滑过渡。具体步骤如下：

第一步：程序开始；

第二步：载波移相PWM波形控制输出(19)，采用载波移相PWM技术控制输出波形；

第三步：输出频率判断(20)，实时判断输出频率f_out大小，当输出频率小于f_ref时(f_ref∈[40Hz，50Hz]或不局限于此范围)，采用载波移相PWM控制不变，程序跳回第二步循环；当输出频率大于等于f_ref时，转入下一步；

第四步：输出电压相位过零点判断(21)，判断输出电压相位是否为零，切换是捕捉当前电压输出相位为零时刻，此时切换能够消除高压变频器输出对电机负载的扰动，当相位不为零时，控制方式不变，转入下一步；当相位为零时，转入第六步；

第五步：载波移相PWM控制输出(22)，继续采用载波移相PWM控制输出，波形不变，并返回第四步循环；

第六步：堆波波形相位清零(23)，堆波波形相位强制清零，将所得矩形堆波输出波形相位强制清零，此时输出波形扰动最小；

第七步：矩形堆波波形控制输出(24)，采用矩形堆波控制输出；

第八步：输出频率(25)，实时判断输出频率f_out高低，当高压变频器输出频率大于等于f_ref时，跳回第七步循环；当高压变频器输出频率小于f_ref时，转入第下一步；

第九步：输出电压相位为零(26)，判断输出电压相位是否为零，切换的关键是捕捉当前电压输出相位为零时刻，此时切换能够消除高压变频器输出对电机负载的扰动，当相位不为零时，控制方式不变，转入下一步；当相位为零时，转入第十一步；

第十步：矩形堆波波形控制输出(27)，继续采用矩形堆波控制输出，波形不变，返回第九步循环；

第十一步：PWM控制波形相位清零(28)，将所得载波移相PWM控制输出波形相位强制清零，返回第一步。

本发明结合载波移相PWM控制和矩形堆波控制的优缺点，混合使用两种控制方式，利用彼此性能互补，提高了变频器的控制性能。通过实现两种控制方式的无扰动平滑切换，保证***的安全可靠工作。

Claims (4)

1.一种单元串联式高压变频器的控制方法，它包括下列步骤：

第一步：控制开始；

第二步：载波移相PWM波形控制输出(19)，采用载波移相PWM技术控制输出波形；

第三步：输出频率f_out判断(20)，实时判断输出频率f_out大小，当输出频率f_out小于设置频率f_ref时，f_ref∈[40Hz，50Hz]，仍然采用载波移相PWM控制方式不变，程序跳回第二步循环；当输出频率f_out大于等于设置频率f_ref时，转入下一步；

第四步：输出电压相位过零点判断(21)，捕捉当前电压输出相位为零时刻实施由载波移相PWM控制方式向矩形堆波控制方式的切换，此时切换可以消除高压变频器输出对电机负载的扰动，当相位不为零时，控制方式不变，转入下一步；当相位为零时，转入第六步；

第五步：载波移相PWM控制输出(22)，继续采用载波移相PWM控制输出，波形不变，并返回第四步循环；

第六步：堆波波形相位清零(23)，堆波波形相位强制清零，将所设置的矩形堆波输出波形相位强制清零，此时输出波形扰动最小；

第七步：矩形堆波波形控制输出(24)，采用矩形堆波控制输出；

第八步：输出频率f_out判断(25)，实时判断输出频率f_out高低，当高压变频器输出频率f_out大于等于设置频率f_ref时，跳回第七步循环；当高压变频器输出频率f_out小于设置频率f_ref时，转入下一步；

第九步：输出电压相位过零判断(26)，捕捉当前电压输出相位为零时刻实施由矩形堆波控制方式向载波移相PWM控制方式的切换，此时切换消除高压变频器输出对电机负载的扰动，当相位不为零时，控制方式不变，转入下一步；当相位为零时，转入第十一步；

第十步：矩形堆波波形控制输出(27)，继续采用矩形堆波控制输出，波形不变，返回第九步循环；

第十一步：PWM控制波形相位清零(28)，将载波移相PWM控制输出波形相位强制清零，返回第一步。

2.根据权利要求1所述的一种单元串联式高压变频器的控制方法，其特征在于：高压变频器输出频率大于等于设置频率f_ref时，采用矩形堆波控制输出，一个周期内每个单元输出电压波形是宽度调节的矩形波形，利用各个单元不同脉宽的矩形波叠加输出，使输出电压波形与目标波形等效。

3.根据权利要求1所述的一种单元串联式高压变频器的控制方法，其特征在于：所述的矩形堆波控制输出，采用单元负载功率均衡技术，各个单元出力长时间内相等。

4.根据权利要求3所述的一种单元串联式高压变频器的控制方法，其特征在于：采用单元负载功率，设每相有三个单元串联，三个单元分别为A1，A2，A3，T为输出电压周期，在0～nT时间内，单元A1，A2，A3对应输出的矩形宽度为a，b，c，a＜b＜c；nT～2nT时间内，单元A1，A2，A3对应输出矩形宽度为b，c，a；2nT～3nT时间内，单元A1，A2，A3对应输出矩形宽度为c，a，b；以此循环轮换输出，保证了在采用矩形堆波控制方式工作的时间内每个单元出力相等。

Images