CN109787532A

CN109787532A - 一种三相变结构逆变器及其控制方法

Info

Publication number: CN109787532A
Application number: CN201910093335.5A
Authority: CN
Inventors: 蒋栋; 李安; 李大伟; 刘自程
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109787532B

Abstract

本发明公开了一种三相变结构逆变器及其控制方法，包括四个桥臂和四个双向晶闸，所述第一桥臂的输出节点连接A相绕组的正端；所述第二桥臂的输出节点连接A相绕组的负端；所述第三桥臂的输出节点连接C相绕组的正端；所述第四桥臂的输出节点连接C相绕组的负端；所述B相绕组的正端通过第一晶闸管连接到第三桥臂，负端通过第二晶闸管连接到第二桥臂；或所述B相绕组的正端还通过第三晶闸管连接到第二桥臂，负端通过第四晶闸管连接到第三桥臂。本发明使三相交流电机在大转矩的工况下，降低了电机驱动器的功率损耗；在高速的工况下，提高了电机驱动器的直流电压利用率，扩展了电机高速运行区间。

Description

一种三相变结构逆变器及其控制方法

技术领域

本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种三相变结构逆变器及其控制方法。

背景技术

在交流传动领域中，三相半桥逆变拓扑是目前应用最为广泛的驱动器拓扑结构。该拓扑结构包含三个桥臂，因此驱动器成本低，功率密度高。但该拓扑结构可以提供的直流电压利用率低，而电机的反电动势与速度成正比。在高速工况下，电机的反电动势高，需要高直流电压利用率，因此该拓扑限制了电机在高速工况下的性能。

三相全桥逆变拓扑具有三相半桥逆变拓扑一倍的直流电压利用率。可以看到该拓扑结构包含六个桥臂，且每个桥臂均要流通相电流。因此采用该拓扑会导致驱动器成本和体积大大增加，电机驱动器工作时的功率损耗也大大增加。这些缺点是限制三相全桥逆变器拓扑难以在工业届推广应用的最重要的原因。

专利CN201810051626.3公开了一种开绕组电机驱动器拓扑及其调制方法。该拓扑具有和三相全桥逆变拓扑相同的直流电压利用率，且减少了两个桥臂，因此相比三相全桥逆变拓扑，该拓扑的成本体积以及运行时的功率损耗均大大降低。但应用于传统的三相交流电机中时，该拓扑中的桥臂2和桥臂3需要流通1.717倍的相电流。相比三相半桥拓扑，该拓扑在运行时的功率损耗还是存在较大的增加。而电机在大转矩工况下，需要驱动器拓扑提供大的电流输出能力。因此，该缺陷限制了电机在大转矩情况下的运行性能。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三相变结构逆变器及其控制方法，旨在解决现有技术电机驱动器功率损耗大、直流电压利用率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种三相变结构逆变器，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第一双向晶闸管T1、第二双向晶闸管T2、第三双向晶闸管T3和第四双向晶闸管T4；

所述各桥臂的上节点连接直流母线电压，下节点连接电源地；

所述第一桥臂的输出节点连接A相绕组的正端；所述第二桥臂的输出节点连接A相绕组的负端；

所述第三桥臂的输出节点连接C相绕组的正端；所述第四桥臂的输出节点连接C相绕组的负端；

所述第一晶闸管连接在第三桥臂的输出节点与B相绕组的正端间；

所述第二晶闸管连接在第二桥臂的输出节点与B相绕组的负端间；

所述第三晶闸管连接在第二桥臂的输出节点与B相绕组的正端间；

所述第四晶闸管连接在第三桥臂的输出节点与B相绕组的负端间；

所述第一双向晶闸管、第二双向晶闸管用于将B相绕组逆向接入逆变器，通过改变逆变器相电压，降低电机转子的转速，实现电机第一模式的运行；

所述第三双向晶闸管、第四双向晶闸管用于将B相绕组顺向接入逆变器，通过改变逆变器相电压，增加电机转子的转速，实现电机第二模式的运行；

所述第一双向晶闸管与第二双向晶闸管在电机第一模式下导通，在第二模式下关断；

所述第三双向晶闸管与第四双向晶闸管在电机第二模式下导通，在第一模式下关断；

所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂用于控制电机的相电压和相电流。

优选地，所述桥臂均包括一个上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件，所述上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点，用于控制电机的相电压和相电流；功率开关器件为电流全控型开关，包括MOSFET、带反并联二极管的IGBT。

另一方面，基于上述的一种三相变结构逆变器，本发明提供了一种三相变结构逆变器的控制方法，包括：

(1)当逆变器的目标工作模式与实际工作模式不一致时，将同时撤除实际工作模式下导通的两个双向晶闸管上的驱动信号，使对应两双向晶闸管过零关断；

(2)在目标工作模式下对应的两个双向晶闸管上同时施加驱动信号导通，并切换电压调制模式，使逆变器在目标工作模式下运行。

所述实际工作模式与目标工作模式的切换包括第一模式向第二模式的切换、第二模式向第一模式的切换。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明相比于三相半桥拓扑，所提出的三相变结构逆变器可以在不弱磁的情况下扩展一倍的转速范围，另外该逆变器具有全部的电流控制自由度，并具有更好的容错性能。

(2)本发明提出的三相变结构逆变器模式切换只改变了B相绕组的连接方式，相应控制方法利用了B相过零点进行模式切换，使切换过程短暂迅速，在切换过程中不对电机的转速转矩造成影响，从而避免了对用户的影响。

(3)本发明采用三相变结构逆变器驱动传统交流电机时，电机驱动器成本、体积以及功率损耗与三相半桥拓扑相近，但驱动器性能要远好于三相半桥拓扑结构，具有工业应用的前景。

附图说明

图1是三相交流电机的三相对称交流电流；

图2是本发明提供的低速模式下三相变结构逆变器结构；

图3是本发明提供的高速模式下的三相变结构逆变器结构；

图4是采用三相半桥拓扑时的电机转速转矩关系图；

图5是采用本发明提供的三相变结构逆变器时的电机转速转矩关系图。

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。

本发明提供了一种三相变结构逆变器，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第一双向晶闸管T1、第二双向晶闸管T2、第三双向晶闸管T3和第四双向晶闸管T4；

所述第一双向晶闸管、第二双向晶闸管用于将B相绕组逆向接入逆变器，通过改变逆变器相电压降低电机转子的转速，实现电机第一模式的运行；

所述第三双向晶闸管、第四双向晶闸管用于将B相绕组顺向接入逆变器，通过改变逆变器相电压增加电机转子的转速，实现电机第二模式的运行；

优选地，所述桥臂均包括一个上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件，所述上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，用于控制电机的相电压和相电流；功率开关器件为电流全控型开关，包括MOSFET、带反并联二极管的IGBT。

优选地，由于所述第二模式下输出的最大相电压大于第一模式下能输出的最大相电压，因此电机的转速在第二模式下的转速是高于第一模式下的转速的。因此本发明中，将第一模式称为电机低速模式，第二模式称为电机高速模式；换句话，所述三相变结构逆变器包含两种模式，即电机低速模式和电机高速模式。

优选地，当第一双向晶闸管和第二双向晶闸管导通，第三双向晶闸管和第四双向晶闸管关闭时，为电机低速模式下的逆变器结构；当第三双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第二双向晶闸管关断时，为电机高速模式下的逆变器结构。

优选地，低速模式下的逆变器结构可以提供大电流但不能提供高直流电压利用率，因此适用于电机在低速大转矩工况下运行；

高速模式下的逆变器结构可以提供高直流电压利用率但不能提供大电流，因此，使用电机在高速工况下运行时，转矩需要降额运行。

具体地，逆变器工作在低速模式下时，第一双向晶闸管T1和第二双向晶闸管T2始终给驱动信号而导通，第三双向晶闸管T3和第四双向晶闸管T4始终不给驱动信号而关断，此时控制方案采用低速模式对应的电机控制方法；

逆变器工作在高速模式下时，第三双向晶闸管T3和第四双向晶闸管T4始终给驱动信号而导通，第一双向晶闸管T1和第二双向晶闸管T2始终不给驱动信号而关断，此时控制方案采用高速模式对应的电机控制方法。

当从三相变结构逆变器从低速模式切换为高速模式时，

d1:撤除双向晶闸管T1和T2的驱动信号，等待双向晶闸管电流自然过零关断，此时控制器仍采用低速模式对应的电机控制方法；

d2:检测B相电流，当B相电流等于零时，第一双向晶闸管T1和第二双向晶闸管T2已经自然过零关断；

d3:将第三双向晶闸管T3和第四双向晶闸管T4施加驱动信号导通，并将控制方案切换为高速模式对应的电机控制方法。

此时，三相变结构逆变器被切换为高速模式。

当从三相变结构逆变器从高速模式切换为低速模式时，

d1:撤除双向晶闸管T3和T4的驱动信号，等待双向晶闸管电流自然过零关断，此时控制器仍采用高速模式对应的电机控制方法；

d2:检测B相电流，当B相电流等于零时，第三双向晶闸管T3和第四双向晶闸管T4已经自然过零关断；

d3:将第一双向晶闸管T1和第二双向晶闸管T2施加驱动信号导通，并将控制方案切换为低速模式对应的电机控制方法。

此时，三相变结构逆变器被切换为低速模式。

如图1所示为典型三相交流电机的三相对称交流电流波形，该电流波形对应的三相电流表达式如下：

其中，i_a，i_b，i_c分别为A相，B相和C相的相电流；I_ac为相电流的有效值，θ_e为电角度，与转子角度有关。

三相对称交流电流在不同的逆变器拓扑结构中会对逆变器中的桥臂功率器件造成不同的电流应力。如图2所示，根据低速模式中相绕组与桥臂的连接方式，可以得到流入桥臂的电流如下，

从上述公式可知，第一桥臂和第四桥臂分别流通A相和C相电流，而第二桥臂流通A相和B相电流的和，第三桥臂流通B相和C相电流的和。但由于相电流间存在相位差，根据上述公式可知，第二桥臂和第三桥臂流通电流的有效值和相电流的有效值相同，因此各桥臂的电流应力是相同的，大小均为相电流的有效值。因此，电机运行的电流损耗较小，可以运行在低速大转矩工况下。但经过分析，该低速模式下的拓扑结构只具有与三相半桥拓扑结构相同的直流电压利用率，因此在需要高直流电压利用率的高速工况下，无法应用。

如图3所示，根据高速模式中相绕组与桥臂的连接方式，可以得出流入桥臂的电流如下：

从上述公式可以看出，第一桥臂和第四桥臂分别流通A相和C相电流，而桥臂2流通A相和B相电流的差，桥臂3流通B相和C相电流的差。从上述公式可以看出，第二桥臂和第三桥臂流通电流的有效值是相电流有效值的1.717倍，因此，电机运行的电流损耗是较大的，因此电机在高速工况下，转矩需要降额输出。但是相比于三相半桥结构或低速模式下的拓扑结构，该高速模式下的拓扑结构可以输出两倍的直流电压利用率，从而扩展了电机高速运行的区间，减少了弱磁控制。

图4和图5分别为三相电机在三相半桥拓扑和三相变结构拓扑驱动下的转速转矩关系图，可以看到三相电机在低速模式下的运行区间与在三相半桥拓扑中的运行区间是相同的，但在三相变结构拓扑中，增加了一个高速模式，使电机扩展了一倍的转速区间，大大提升了电机的运行能力。

三相变结构拓扑另一个重要的优势在于切换过程平滑迅速。在切换过程中，电流和转矩均不会产生波动或暂态过程，从而不会对用户产生影响。该平滑的切换过程一方面得益于该拓扑结构切换时，只用切换一相绕组的连接方式，且在该拓扑结构下，三相绕组的控制相互不影响，从而可以等待绕组中的相电流过零时进行平滑切换；另一方面，还得益于对双向晶闸管的控制特性的利用。由于双向晶闸管开通可控而关断不可控，关断时需要电流自然过零关断，因此可以在任意时刻撤除双向晶闸管的驱动信号而不用改变控制方法，再等待相电流自然过零即可关断。

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

1.一种三相变结构逆变器，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管和第四双向晶闸管；

所述第一双向晶闸管与第二双向晶闸管在电机第一模式下保持导通，在第二模式下保持关断；

所述第三双向晶闸管与第四双向晶闸管在电机第二模式下保持导通，在第一模式下保持关断；

2.如权利要求1所述的三相变结构逆变器，其特征在于，所述各桥臂均包括一个上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件，所述上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，用于控制电机的相电压和相电流。

3.如权利要求2所述的三相变结构逆变器，其特征在于，功率开关器件为电流全控型开关。

4.如权利要求3所述的三相变结构逆变器，其特征在于，所述电流全控型开关包括MOSFET、带反并联二极管的IGBT。

5.基于权利要求1所述的一种三相变结构逆变器的控制方法，其特征在于，包括：

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述实际工作模式与目标工作模式的切换包括第一模式向第二模式的切换、第二模式向第一模式的切换。