CN104993710B

CN104993710B - 一种三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法

Info

Publication number: CN104993710B
Application number: CN201510407620.1A
Authority: CN
Inventors: 赵金; 周德洪; 李云华
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-12-29
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: CN104993710A

Abstract

本发明提供了一种三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法，其步骤是：A、通过电流传感器、电压传感器和编码器分别测出整流侧三相电流电网电压、直流母线电压和电机的定子侧电流、转子转速；B、在整流侧采用电压定向控制，在逆变侧采用转子磁链定向控制，分别计算出整流和逆变侧的三相电压给定值；C、将整流的三相电压调制波比较，将逆变侧电压调制波比较，分别计算出它们的零序信号；D、将整流和逆变侧各自的零序分量注入到其三相电压调制波中；E、将整流侧共享桥臂调制波加到逆变侧三相调制波中，将逆变侧共享桥臂调制波加到整流侧三相调制波中，得到五桥臂的调制信号。本发明适用于任何整流可控的三相五桥臂拓扑下变频调速***。

Description

一种三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法

技术领域

本发明属于中大功率下的变频调速技术领域，更具体地，涉及一种三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法。

背景技术

近年来，在以功率半导体器件和PWM控制技术不断发展的今天，AC-DC-AC变换器可以很方便的从三相交流电网中获取能量，并对交流侧电压和频率进行良好的控制，这使得其在风能等中大功率下的变频调速***中得到了广泛的应用。

在中大功率变频调速***中，***普遍采用PWM整流和PWM逆变的双PWM控制。该方法有功率因数可调，对电网产生的谐波也小，电源利用率高等优点，但是由于功率开关管比较多，增加了因功率管损坏而无法正常运行的风险。这种拓扑结构一共有6个桥臂，12个功率管。当拓扑中有一个桥臂的功率管损坏时，整个***将无法正常运行，这对于***的安全有着重大的潜在性危险。此外，传统的方案中由于没有对调制信号优化，使得直流母线电压的利用率有所限制，从而降低了***的输出功率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法，通过对桥臂故障进行实时检测，在故障后重构***拓扑结构，将整流(逆变)侧故障桥臂的对应相接到逆变(整流)***的某一正常相，对整流侧采用电压定向控制控制方法，产生三相调制波，逆变侧采用转子磁场定向控制的控制方法，产生三相调制波，通过零序信号注入的方式，实现五桥臂下变频调速有效控制。本发明不仅实现了整流和逆变的独立控制，同时，提高了直流母线电压的利用率和***带负载能力。本发明适用于任何整流可控的三相六桥臂拓扑下变频调速***。

本发明提供一种三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法，包括以下步骤：

步骤1分别测出电网侧的相电流、电网线电压和母线电压，并测出电机定子侧的相电流和电机转速；

步骤2根据所述母线电压、所述电网侧的相电流以及给定电压和给定电流，通过电压矢量定向控制计算整流侧三相电压的给定值；还根据所述电机转速、所述定子侧的相电流以及给定转速和给定电流，通过转子磁链定向控制计算逆变侧三相电压的给定值；

步骤3通过所计算的三相电压给定值分别计算出整流侧和逆变侧的给定电压的零序分量V_no＝-0.5×(V_min+V_max)、V_NO＝-0.5×(V_MIN+V_MAX),其中，V_max和V_min是整流侧在某一次采样周期里三相电压的给定值中的最大值和最小值；V_MAX和V_MIN是逆变侧在某一次采样周期里三相电压的给定值中的最大值和最小值；

步骤4将所述整流侧的零序分量V_no分别加入到其三相电压调制波中，并将所述逆变侧获得的零序分量V_NO分别注入到其三相电压调制波中，计算出容错拓扑下的五相电压的给定值；

步骤5根据所述容错拓扑下的五相电压的给定值及载波信号，利用正弦脉宽调制方法计算出五桥臂各自的调制信号，并据此对功率管施加开关信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明实现五桥臂拓扑下整流侧和逆变侧的独立控制，提高了母线电压的利用率和***的带负载能力，此外，当正常拓扑下的一个桥臂出现故障而导致***无法正常运行时，可以通过调整***到该拓扑下，然后利用本套控制方案，实现***的正常运行，避免***因为该硬件故障而停止运行。

附图说明

图1为本发明适用的三相AC-DC-AC功率变换器的五桥臂拓扑下的变频调速控制***的结构示意图；

图2为本发明的***框图；

图3为本发明PWM模块结构框图；

图4为本发明三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明为了实现有效地功率变换控制策略，根据传感器采集的电压和电流以及电机转速，利用电压定向控制计算出整流电压的给定值；然后利用转子磁链定向控制，计算出逆变侧电机的给定值；然后根据计算出的电压给定值，分别算出其各自的零序分量，并由零序分量与计算的电压给定值相加，得到新的6个电压给定值；然后计算出容错拓扑下的5桥臂的各自的电压给定值；最后利用正弦脉宽调制策略计算出相应的调制信号，并计算出开关信号。

图1所示为本发明适用的三相AC-DC-AC功率变换器的五桥臂拓扑下的变频调速控制***的结构示意图。其中e_a、e_b、e_c分别为电网三相电压，i_a、i_b是电网侧相电流，u_d、u_q分别是整流侧的d、q轴电压，V_a、V_b、V_c是整流侧三相电压的调制波，加*号表示为给定值，V_no是整流侧三相电压调制波的零序分量，ω是电机的转速，i_sa、i_sb是电机定子侧的电流，u_sd、u_sq分别是逆变侧的q、d轴电压，V_A、V_B、V_C是逆变侧三相电压的调制波，V_NO是逆变侧三相电压调制波的零序分量。V_A1、V_B1、V_C1、V_D1、V_E1是最终得到的五桥臂的调制波。图1所示为在整流侧采用电压定向控制，得到三相电压调制波；在逆变侧采用转子磁链定向控制，得到三相电压调制波，通过计算分别得到整流侧和逆变侧三相电压调制波的零序分量，最后通过计算得到五相调制波。当***正常拓扑下整流侧某一桥臂发生故障时，可将该桥臂改接到逆变侧对应的桥臂中，对于逆变侧桥臂发生故障也同样处理，让整流侧和逆变侧某一相共享一个桥臂。

图2所示为本发明的***框图。整流侧采用电压矢量定向控制计算出三相电压调制波V_a*、V_b*、V_c*，逆变侧采用转子磁链定向控制计算出逆变侧三相电压调制波V_A*、V_B*、V_C*。然后PWM模块根据所得到的六个电压调制波计算出整流侧和逆变侧各自的零序分量，再据此计算出容错拓扑下的五相调制波，具体步骤见图3。其中U是直流母线电压，i_d、i_q分别为dq轴电流，θ₁是锁相环定向的角度，u_α、u_β是α和β轴的电压，u_ab、u_ac分别是ab和ac相电压的线电压，i_sd、i_sq是逆变侧dq轴电流，θ₂是转子磁链定向的角度。

图3所示为本发明PWM模块结构框图。利用传统的电压矢量定向控制得到三相电压给定值，然后通过将整流侧三相电压调制波进行比较计算出其零序分量V_no，利用成熟的转子磁链定向控制技术得到三相电压给定值，然后将逆变侧三相电压调制波进行比较得到其零序分量V_NO。再将V_no加到到整流侧三相电压调制波中得到三相调制波V_a2、V_b2、V_c2；将V_NO加到到逆变侧三相电压的调制波中得到三相调制波V_A2、V_B2、V_C2。然后将整流侧共享桥臂(在本发明实施例中为C相)的调制波V_c2加到到逆变侧三相调制波中，将逆变侧共享桥臂的调制波V_C2加到整流侧三相调制波中，得到五相电压给定值V_A1*、V_B1*、V_C1*、V_D1*、V_E1*，并与载波信号比较得到最终的调制信号mA、mB、mC、mD、mE。

图4为本发明三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤1通过整流侧的电流传感器、电压传感器分别测出电网侧相电流i_a、i_b、电网线电压e_a、e_b和母线电压U；通过逆变侧的电流传感器、编码器分别测出电机定子侧相电流i_sa、i_sb、电机的转速ω。

步骤2将所测的母线电压U、相电流i_a、i_b结合给定电压U*和给定电流i_q*，通过电压矢量定向控制计算整流侧三相电压的给定值V_a*、V_b*、V_c*；将所测的电机转速ω、相电流i_sa、i_sb结合给定转速ω*和给定电流i_sd*，通过转子磁链定向控制计算逆变侧三相电压的给定值V_A*、V_B*、V_C*。

步骤3通过所计算的三相电压给定值分别计算出整流侧和逆变侧的给定电压的零序分量V_no＝-0.5×(V_min+V_max)、V_NO＝-0.5×(V_MIN+V_MAX),其中，V_max和V_min是整流侧在某一次采样周期里调制波V_a*、V_b*、V_c*三者中的最大值和最小值；V_MAX和V_MIN是逆变侧在某一次采样周期里调制波V_A*、V_B*、V_C*三者中的最大值和最小值。

步骤4根据所计算出的整流侧和逆变侧的零序分量，再结合之前得到的相电压给定值V_a*、V_b*、V_c*、V_A*、V_B*、V_C*，，具体包括以下子步骤：

(4-1)将零序分量注入到初始的三相电压给定值中。将计算出的整流侧电压零序分量V_no分别加到整流侧三相电压的给定值V_a*、V_b*、V_c*中，得到其计算出容错拓扑下的五相电压的给定值提高了整流侧母线电压利用率的三相电压给定值V_a2、V_b2、V_c2；将计算出的逆变侧电压零序分量V_NO分别加到逆变侧三相电压的给定值V_A*、V_B*、V_C*中，得到其提高了逆变侧母线电压利用率的三相电压给定值V_A2、V_B2、V_C2；

(4-2)将上一步得到的相电压给定值变换，最终得到容错拓扑下的五相电压给定值。将整流侧共享桥臂的电压给定值V_c2加到整流侧三相电压调制波中，将逆变侧共享峭桥臂的电压给定值V_C2加到逆变侧三相电压调制波中，得到容错拓扑下每个桥臂的电压给定值V_A1*、V_B1*、V_C1*、V_D1*、V_E1*。

步骤5根据上述算出的5个电压给定值及载波信号，利用正弦脉宽调制方法计算出五桥臂各自的调制信号mA、mB、mC、mD、mE，并据此对功率管施加开关信号，以实现容错拓扑下的整流逆变协同控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三相五桥臂功率变换器的变频调速控制方法，其特征在于，该方法通过对桥臂故障进行实时检测，在故障后重构***拓扑结构，将整流/逆变侧故障桥臂的对应相接到逆变/整流***的某一正常相，对整流侧采用电压定向控制控制方法，产生三相调制波，逆变侧采用转子磁场定向控制的控制方法，产生三相调制波，通过零序信号注入的方式，实现五桥臂下变频调速有效控制；其具体实现步骤包括：

步骤1通过整流侧的电流传感器、电压传感器分别测出电网侧相电流i_a、i_b、电网线电压e_a、e_b和母线电压U；通过逆变侧的电流传感器、编码器分别测出电机定子侧相电流i_sa、i_sb、电机的转速ω；

步骤2将所测的母线电压U、相电流i_a、i_b结合给定电压U*和给定电流i_q*，通过电压矢量定向控制计算整流侧三相电压的给定值V_a*、V_b*、V_c*；将所测的电机转速ω、相电流i_sa、i_sb结合给定转速ω*和给定电流i_sd*，通过转子磁链定向控制计算逆变侧三相电压的给定值V_A*、V_B*、V_C*；

步骤3通过所计算的三相电压给定值分别计算出整流侧和逆变侧的给定电压的零序分量V_no＝-0.5×(V_min+V_max)、V_NO＝-0.5×(V_MIN+V_MAX),其中，V_max和V_min是整流侧在某一次采样周期里调制波V_a*、V_b*、V_c*三者中的最大值和最小值；V_MAX和V_MIN是逆变侧在某一次采样周期里调制波V_A*、V_B*、V_C*三者中的最大值和最小值；

步骤4根据所计算出的整流侧和逆变侧的零序分量，再结合之前得到的相电压给定值V_a*、V_b*、V_c*、V_A*、V_B*、V_C*，计算出容错拓扑下的五相电压的给定值；具体包括以下子步骤：

(4-1)将零序分量注入到初始的三相电压给定值中；将计算出的整流侧电压零序分量V_no分别加到整流侧三相电压的给定值V_a*、V_b*、V_c*中，得到其计算出容错拓扑下的五相电压的给定值提高了整流侧母线电压利用率的三相电压给定值V_a2、V_b2、V_c2；将计算出的逆变侧电压零序分量V_NO分别加到逆变侧三相电压的给定值V_A*、V_B*、V_C*中，得到提高了逆变侧母线电压利用率的三相电压给定值V_A2、V_B2、V_C2；

(4-2)将上一步得到的相电压给定值变换，最终得到容错拓扑下的五相电压给定值；将整流侧共享桥臂的电压给定值V_c2加到整流侧三相电压调制波中，将逆变侧共享桥臂的电压给定值V_C2加到逆变侧三相电压调制波中，得到容错拓扑下每个桥臂的电压给定值V_A1*、V_B1*、V_C1*、V_D1*、V_E1*；

步骤5根据得到的5个电压给定值及载波信号，利用正弦脉宽调制方法计算出五桥臂各自的调制信号mA、mB、mC、mD、mE，并据此对功率管施加开关信号，以实现容错拓扑下的整流逆变协同控制。