CN106549582B - 一种降低开关次数的波形连续变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低开关次数的波形连续变换方法，应用于电力变换***中的三相三电平逆变器，具体为交—直—交结构，包括以下步骤：根据所述三相三电平逆变器的控制方式和预设参数，确定***的实际输出频率值F，计算ω＝2πF，并获取所述三相三电平逆变器的直流母线电压Ud和输出线电压峰值Ulp；将所述直流母线电压Ud与输出线电压峰值Ulp进行比较，根据比较结果确定三相输出相电压的算法，得到输出相电压调制波；将得到的输出相电压调制波通过PWM变换后得到逆变桥各电力电子器件的开关动作输出；本发明可以使逆变桥输出线电压保持为正弦波的前提下，使电力电子器件的开关次数减少1/3，从而大大降低了开关损耗，且不会造成输出线电压的畸变，减小输出谐波。

Description

一种降低开关次数的波形连续变换方法
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，特别是指一种降低开关次数的波形连续变换方法。
背景技术
随着电力电子器件开关速度的提高，变频器的开关频率也越来越高，由此电力电子器件的开关损耗便成为变频器功率损耗中的主要因素，开关频率越高即开关次数越多，开关损耗越大。减少电力电子器件的开关次数，可以直接减小电力电子器件的开关损耗，同时也降低了因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏的概率，更重要的是可以提高变频器的工作效率，进一步提高***的可靠性。
变频中电力电子器件的开关次数取决于其采用的电力变换技术。所谓波形连续变换技术是一种连续调节相电压输出波形的技术，通过相电压输出波形进行相应变形而保持线电压输出波形为正弦波不变，因而可保证最优的设备利用率和逼真的波形输出。
当前的各种高低压变频调速装置大都采用交-直-交电压型技术方案，图1 所示是一种现有技术中的三相交-直-交电压源低压变频器电路原理图，先将输入侧的三相工频交流电压信号经过三相桥式整流电路变换成为脉动直流，该脉动直流再经过三相桥式逆变电路逆变成为所需电压和频率的三相交流电压信号加到电动机负载上，控制电机按照预定的速度运行。
在该方案的逆变环节，为减少输出谐波，当前的技术方案均采用脉冲宽度调制(PWM)技术，将需要输出的正弦波(通常称为调制波)通过与三角波 (通常称为载波)进行比较后产生相应的PWM波，并通过逆变桥各个功率开关器件的开关动作来实现相应的PWM波的输出。
最直接的PWM的算法中，调制波是采用的标准正弦波，这种算法通常称为正弦PWM(SPWM)，通过调整算法中标准正弦波的幅值和频率即可调节相应的输出电压波形，输出电压波形(PWM波)中的基波成分与调制波是相同的。
SPWM技术不是很适合低压变频使用，因为其电压利用率比较低，其输出电压最大只能达到输入电压的0.866倍。
在不考虑功率器件等的压降的理想情况下，假设输入三相交流电的线电压为380V，则整流后得到的直流电压最大可以达到采用SPWM时，逆变桥输出的相电压的最大峰值(Uφp)不能超过直流电压的一半，即则输出线电压的最大值为：对应的输出线电压有效值为333V，比输入电压要低。
为使变频器的最大输出电压能与输入电压相等，研究人员采用了对调制波进行各种各样的变换的方法，就是对调制波进行一些变形处理(加入各种形式的谐波成分)，在调制波幅值不超过Ud/2的前提下，使调制波的基波幅值超过 Ud/2，从而提高输出电压的幅值。这些办法中最常用的就是空间电压矢量法 (SVPWM)，其输出电压幅值可以比SPWM提高15％，使变频器的最大输出电压可以与输入电压相等。
采用SVPWM算法，全程(不论输出任何频率和幅值时)采用的均是叠加了谐波的调制波，由于三相的相电压中叠加的均是相同的三倍次的谐波，在输出的三路线电压中，这些谐波相互抵消，逆变器的输出相电压尽管不是标准的正弦波，但其线电压却是正弦。而三相交流电机一般是采用三相三线供电方式，故其供电电压仍是正弦，相电压的相应变换不影响电机的正常工作。SVPWM的特点是算法比较简单，计算工作量小，在控制计算芯片功能不强的年代，SVPWM 算法得到了广泛应用。近些年来，研究人员在不断研究各种新型的PWM算法，比较典型的是专利文献号为CN98117197C的专利文献中所提到的波形连续变换技术。
上述专利文献中所提到的波形连续变换技术中，在输出电压的幅值的各个不同的点上，加入了相应不同的三次谐波信号。该算法在保持了SVPWM算法中的最大输出电压可以与输入电压相等的优点的同时，在变换过程中，可以大大减少功率开关器件的开关次数，在某些工作点中，可使开关次数最多减少1/3。
上述专利文献中所提到的波形连续变换技术中尽管可以使开关次数最多减少1/3，但仅只是在某些工作点上才有此效果，其大部分工作点上，开关次数的减少是少于1/3的，例如在其工作点3时，开关次数没有任何减少。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种低开关次数的波形连续变换方法，能够实现在变换的全部过程中，均可以使功率器件的开关频率比传统的PWM算法减少1/3，减少功率器件的开关损耗，提高装置工作效率。
基于上述目的本发明提供的降低开关次数的波形连续变换方法，应用于电力变换***中的三相三电平逆变器，具体为交—直—交结构，包括以下步骤：
a.根据所述三相三电平逆变器的控制方式和预设参数，确定***的实际输出频率值F，计算ω＝2πF，并获取所述三相三电平逆变器的直流母线电压 Ud和输出线电压峰值Ulp；
b.将所述直流母线电压Ud与输出线电压峰值Ulp进行比较；
当时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
当并使中间变量β、输出线电压峰值Ulp与直流母线电压Ud间满足：时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
当并使中间变量α、输出线电压峰值Ulp与直流母线电压Ud间满足：时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
c.将得到的输出相电压调制波通过PWM变换后得到逆变桥各电力电子器件的开关动作输出。
在一些实施方式中，所述获取输出线电压峰值Ulp包括：
当采用开环控制方式时，使用人工方式设定变频器的输出频率后，通过矢量控制算法或标量控制算法得到所述输出线电压峰值Ulp；
当采用闭环控制方式时，将被控制量的给定值与检测到的实际输出量的实测值相减，得到偏差量，再经过闭环控制运算器运算得到工作频率后，通过矢量控制算法或标量控制算法得到所述输出线电压的峰值Ulp。
在一些实施方式中，所述被控制量包括：风量、水压、电机转速。
从上面所述可以看出，本发明提供的降低开关次数的波形连续变换方法，对不同幅值的相电压进行连续变换，通过将相电压先变“高”，之后再同时将顶部和底部拉宽的方法，使得变换后的相电压在PWM调制时，在任意时刻都有整个波形周期的1/3的时间内(一个波的周期为360度，则其1/3为120度)其输出的PWM波的占空比为0％或者100％，从而可以使电力电子器件的开关频率比传统的SPWM调制方式减少1/3。本发明可以使逆变桥输出线电压保持为正弦波的前提下，使电力电子器件的开关次数减少1/3，从而大大降低了开关损耗，且不会造成输出线电压的畸变，减小输出谐波。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为现有技术中的三相交-直-交电压源低压变频器电路原理图；
图2为本发明实施例的降低开关次数的波形连续变换方法的流程图；
图3为现有技术中的三电平式交-直-交电压源变频器电路原理图；
图4为采用本发明实施例的算法当时的u相输出相电压调制波波形图示意图；
图5为采用本发明实施例的算法当时的u相输出相电压调制波波形图示意图；
图6为采用本发明实施例的算法当时的u相输出相电压调制波波形图示意图；
图7为采用本发明实施例的算法当Ulp从0逐渐增大到Ud的过程中，u 相输出相电压的调制波的波形连续变化的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种降低开关次数的波形连续变换方法。参考图2，为本发明实施例的降低开关次数的波形连续变换方法的流程图。
所述降低开关次数的波形连续变换方法，包括以下步骤：
步骤201、根据所述三相三电平逆变器的控制方式和预设参数，确定***的实际输出频率值F，计算ω＝2πF，并获取所述三相三电平逆变器的直流母线电压Ud和输出线电压峰值Ulp。
本实施例中，采用如图3所示的电路原理图的拓朴结构，输入的A、B、 C三相交流电经过三相桥式整流电路得到脉动直流电，再经过电容滤波后，可以得到直流母线电压，其峰值记为Ud。
根据使用的控制方式不同，获得输出线电压峰值Ulp的方式有所区别，具体的：
当采用开环控制方式时，由控制***的人机界面或通讯网络设定工作频率(即变频器的输出频率)后，通过矢量控制算法或通过标量控制算法(根据压频曲线)可以得到输出线电压的峰值Ulp。
当采用闭环控制方式时，将被控制量(如风量、水压、电机转速等)的给定值与检测到的实际输出量的实测值相减，得到偏差量，再经过闭环控制运算器(采用PID等控制算法)运算得到工作频率(即变频器的输出频率)后，通过矢量控制算法或通过标量控制算法(根据压频曲线)可以得到输出线电压的峰值Ulp。
步骤202、将所述直流母线电压Ud与输出线电压峰值Ulp进行比较，根据比较结果确定三相输出相电压的算法，得到输出相电压调制波。
在本实施例所述的方法中，输出线电压的峰值Ulp的调节范围为0～Ud，整个调节范围可以区分为不同的三个工作区间，即： 具体的：
当时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
当并使中间变量β、输出线电压峰值Ulp与直流母线电压Ud间满足：时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
当并使中间变量α、输出线电压峰值Ulp与直流母线电压Ud间满足：时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
在实际使用中，分别采用应用于上述三个区间的三种输出相电压的算法时的u相输出相电压调制波波形图示意图参见图4、图5、图6所示。相应的，图7为采用本发明实施例的算法当Ulp从0逐渐增大到Ud的过程中，u相输出相电压的调制波的波形连续变化的过程示意图。
步骤203、将得到的输出相电压调制波通过PWM变换后得到逆变桥各电力电子器件的开关动作输出。
将通过前述步骤运算得到的u、v、w三相输出相电压的调制波与三角载波相比较，即可以得到u、v、w三相电压的脉宽调制波函数。
在采用双极性调制时，采用图1所示电路结构，该脉宽调制波函数中，当函数值为时，控制图1所示的电路中相应相的上管(例如u相中的V1) 导通，下管(例如u相中的V4)关断；当函数值为时，控制图1所示的电路中相应相的下管(例如u相中的V4)导通，上管(例如u相中的V1)关断，即可以在变频器输出侧得到u、v、w三相变频变压的交流电。
在采用单极性调制时，采用图3所示电路结构，该脉宽调制波函数中，当函数值为时，控制图3所示电路中相应相的上面两个开关管(例如u相的V11、V12)导通，下面两个开关管(例如u相的V13、V14)关断；当函数值为时，控制图3所示电路中相应相的下面两个开关管(例如u相的V13、 V14)导通，上面两个开关管(例如u相的V11、V12)关断；当函数值为0时，控制图3中相应相的中间两个开关管(例如u相的V12、V13)导通，上下两个开关管(例如u相的V11、V14)关断，即可以在变频器输出侧得到变频变压的交流电。
由本实施例中的上述三相输出相电压的算法公式或者图4、图5、图6 可以看到，各相的调制波函数中，输出电压等于0、的相位在一个周期(2π)中，均为而由步骤203可知，在这三种状态下，图3所示电路中的相应电力电子器件一直保持原来的状态不变，即不用进行开关动作，故采用此算法，可以在保证输出线电压正弦波形不变的前提下，可使***开关频率减少1/3。
基于本发明实施例所述，本发明的降低开关次数的波形连续变换方法具有如下有益效果：
1、在输出电压的全部范围(电压幅值从0％到100％)内，都可以将逆变桥的电力电子器件的开关次数减少1/3，开关损耗小；
2、逆变电路输出线电压比传统的SPWM方法提高15％，电压利用率高；
3、在不同输出电压的阶段采用不同的调制算法，在输出线电压幅值较低时，通过提高相电压的幅值使输出窄脉冲数量减少，***输出线电压畸变大大减小；
4、相电压调制波的波形是连续变化的，不会造成因调制波突变引起的***振荡。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种降低开关次数的波形连续变换方法，应用于电力变换***中的三相三电平逆变器，具体为交—直—交结构，其特征在于，包括以下步骤：
a.根据所述三相三电平逆变器的控制方式和预设参数，确定***的实际输出频率值F，计算ω＝2πF，并获取所述三相三电平逆变器的直流母线电压Ud和输出线电压峰值Ulp；
b.将所述直流母线电压Ud与输出线电压峰值Ulp进行比较；
当时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
当并使中间变量β、输出线电压峰值Ulp与直流母线电压Ud间满足：时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
当并使中间变量α、输出线电压峰值Ulp与直流母线电压Ud间满足：时，u、v、w三相输出相电压的算法设置为：
c.将得到的输出相电压调制波通过PWM变换后得到逆变桥各电力电子器件的开关动作输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取输出线电压峰值Ulp包括：
当采用开环控制方式时，使用人工方式设定变频器的输出频率后，通过矢量控制算法或标量控制算法得到所述输出线电压峰值Ulp；
当采用闭环控制方式时，将被控制量的给定值与检测到的实际输出量的实测值相减，得到偏差量，再经过闭环控制运算器运算得到工作频率后，通过矢量控制算法或标量控制算法得到所述输出线电压的峰值Ulp。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述被控制量包括：风量、水压、电机转速。
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