CN110557042B - 逆变器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种逆变器的控制装置。本发明一实施例的装置包括：逆变器部，具有配置为规定拓扑结构的多个开关元件，接收直流端电压并通过所述开关元件的开关来生成三相交流输出电压；电压指令输出部，当初始电压指令在电压限制线内部时，向所述逆变器部的开关元件提供与所述初始电压指令对应的脉冲宽度调制PWM控制信号；调制指数修正部，当所述初始电压指令在电压限制线外部时，对所述初始电压指令的调制指数进行修正；以及过调制电压指令生成部，通过将被已修正的调制指数修正的初始电压指令(修正电压指令)限制在所述电压限制线，来生成过调制的电压指令(过调制电压指令)。

Description

逆变器的控制装置
技术领域
本发明涉及逆变器的控制装置。
背景技术
通常，逆变器是将直流(DC)变换为交流(AC)的逆变换装置。其中，在工业中使用的逆变器被定义为是改变从商用电源接收到的电力的电压和频率并向电动机供给，从而将电动机速度控制为高效利用的一系列的装置，由于可以控制交流电压的大小和频率，从而需要可变速运转的***中广为使用。
在应用逆变器的电动机驱动***中，当逆变器的输入电源由事故等原因而减小时，逆变器输出电流的大小会根据逆变器的电压合成性能的不同而不同。在相同负荷前提下，输出电流的大小随着输出电压的大小变大而变小，由此可减小***损失并防止发生故障(fault)电流现象。因此，人们正在不断的研发能够增加逆变器的输出电压的过调制技术，以对应被减小的输入电压。
逆变器的过调制技术大致可划分为动态过调制方式和静态过调制方式。其中，动态过调制方式主要应用于用于瞬时控制的矢量控制，相反，静态过调制方式主要在如感应电动机的V/f控制技术的正常状态运转中使用。
以往的静态过调制，存在当逆变器的输出电压增加时调制指数在规定大小以上的区间无法确保线性(linearity)的问题。线性是指合成与电压指令相同的输出电压的性质，在不能确保线性的情况下，会有在过调制区域内产生低于电压指令的输出电压的问题，因此存在负荷的驱动被限制的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供逆变器的控制装置，使在过调制区间内的逆变器的输出电压最大化，以扩张线性。
为了解决如上所述的技术课题，本发明一实施例的逆变器的控制装置包括：逆变器部，具有配置为规定拓扑结构的多个开关元件，接收直流端电压并通过所述开关元件的开关来产生三相交流输出电压；电压指令输出部，当初始电压指令在电压限制线内时，向所述逆变器部的开关元件提供与所述初始电压指令对应的脉冲宽度调制(PWM：Pulse WidthModulation)控制信号；调制指数修正部，当所述初始电压指令在电压限制线之外时，对所述初始电压指令的调制指数进行修正；以及过调制电压指令生成部，通过将被所修正的调制指数修正的初始电压指令(修正电压指令)限制在所述电压限制线来生成过调制的电压指令(过调制电压指令)，在所述初始电压指令在电压限制线之外的情况下，所述电压指令输出部可向所述逆变器部的开关元件提供与所述过调制电压指令对应的PWM控制信号。
在本发明一实施例中，所述调制指数修正部可对所述初始电压指令的调制指数进行修正，以使根据所述过调制电压指令输出的所述逆变器部的输出电压的调制指数与所述过调制电压指令的调制指数线性。
在本发明一实施例中，所述修正电压指令可由下式来决定。
Figure BDA0002000969960000021
(m为被修正的初始电压指令的调制指数，Vdc为直流端电压)
在本发明一实施例中，所述过调制电压指令生成部可对脱离电压限制线的所述修正电压指令以保持所述逆变器部的PWM开关状态的方式生成过调制电压指令。
在本发明一实施例中，若所述修正电压指令中最大值与中间值之差大于中间值与最小值之差，则所述过调制电压指令生成部将所述修正电压指令的最大值决定为正直流端电压，若所述修正电压指令中最大值与中间值之差小于或等于中间值与最小值之差，则所述过调制电压指令生成部将所述修正电压指令的最小值决定为负直流端电压并生成所述过调制电压指令。
在本发明一实施例中，所述调制指数修正部可按下表对所述初始电压指令的调制指数进行修正。
Figure BDA0002000969960000022
Figure BDA0002000969960000031
在本发明一实施例中，所述电压限制线可以是所述逆变器部根据逆变器的输入电源的大小而能够输出的最大电压的极限。
在本发明一实施例中，所述电压限制线可以是六边形。
根据如上所述的发明，基于开关状态保持过调制，来修正初始电压指令的调制指数，并生成对与所修正的调制指数对应的修正电压指令进行过调制的过调制电压指令，由此具有能够确保逆变器输出电压线性的效果。
附图说明
图1是用于说明用于以往的过调制控制的逆变器***的控制装置的图。
图2和图3是用于说明逆变器电压限制线与电压指令的关系的一个示例图。
图4是用于说明将脱离电压限制线的电压指令修正为在电压限制线上的一个示例图。
图5和图6是表示在最小距离过调制技术中对电压指令调制指数的逆变器输出电压调制指数的一个示例图。
图7是用于说明开关状态保持过调制技术的一个示例图。
图8和图9是表示在开关状态保持过调制技术中对电压指令调制指数的逆变器输出电压调制指数的一个示例图。
图10和图11是用于说明基于本发明一实施例来生成过调制电压指令的一个示例图。
图12是用于说明本发明一实施例的逆变器的控制装置的架构图。
图13是用于说明通过本发明一实施例的逆变器的控制装置来确认输出电压调制指数的性能的一个示例图。
具体实施方式
为了充分理解本发明的结构和效果，将参考附图描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于下面描述的实施例，而是可以以各种形式实施，并且可以进行各种改变。然而，本实施例的描述旨在提供本发明的完整公开，并且向本发明所属领域的普通技术人员充分公开本发明的范围。在附图中，为了便于说明，构成要素的尺寸被放大，并且构成要素的比例可以被夸大或减小。
术语“第一”，“第二”等可以用于描述各种构成要素，但是这些构成要素不应受限于上述术语。上述术语仅可用于区分一个构成要素与另一个构成要素。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，“第一构成要素”可以被命名为“第二构成要素”，并且类似地，“第二构成要素”也可以被命名为“第一构成要素”。此外，除非上下文另有明确规定，否则单数的表达包括多个表示。除非另外定义，否则本发明的实施例中使用的术语可以被解释为本领域技术人员公知的。
图1是用于说明用于以往的过调制控制的逆变器***的控制装置的图。
通常，逆变器1包括整流部11、平滑部12以及逆变器部13。整流部11从电源部2接收三相交流电源并对其进行整流，平滑部12使整流部11整流的直流电压平滑并将其存储为直流链路电压。
逆变器部13可根据PWM控制信号将存储于平滑部12的直流链路电压输出为具有规定电压和频率的交流电压，并将其提供给电动机3。逆变器部13可由三相支路构成，各个支路可通过2个开关元件串联连接来构成。在逆变器部13中，各个相的开关元件可构成为多种拓扑结构。
此时，对逆变器部13施加电压指令以驱动电动机3。此时，可输出的最大电压的大小被输入电源2的大小限制，若初始电压指令生成部110生成的电压指令大于该限制(电压限制线)，则逆变器1会在过调制区间进行动作。若不发生过调制，则初始电压指令生成部110的初始电压指令成为最终电压指令，但是在发生过调制的状况下，过调制电压指令生成部100的电压指令成为最终电压指令。
因此，最终电压指令生成部120根据是否进行过调制来选择初始电压指令或过调制电压指令，并最终生成与最终电压指令对应的脉冲宽度调制PWM控制信号向逆变器部13传送。
若将初始电压指令生成部110的三相电压指令定义为Vas*、Vbs*、Vcs*则静止坐标系电压指令Vdss*、Vqss*可由下面坐标变换式来定义。
公式1
Figure BDA0002000969960000051
如图2和图3所示，示出了在由这种静止坐标系电压构成的平面上逆变器1根据Vdss*、Vqss*以及直流链路电压Vdc而能够输出的最大电压的限制区域。图2和图3是用于说明逆变器电压限制线与电压指令的关系的一个示例图。
图2示出了相对于电压指令，逆变器1的直流端电压的大小充分大，从而电压指令在电压限制线的内部的情形，图3示出了直流端电压因输入电源2的减小而减小，进而电压限制线的大小也减小，或者因电压指令的增加而存在于限制线外部，由此导致产生过调制区间的情形。
这种过调制产生条件通常可由逆变器的调制指数m来表示，调制指数可按如下定义，当应用逆变器能够合成最大电压的六步骤运转时调制指数的最大值为1。
公式2
Figure BDA0002000969960000061
根据图2、图3所示的图和公式2的定义，可以确认在过调制区域开始的瞬间是在电压指令的大小为
Figure BDA0002000969960000062
的时刻，此时的调制指数为0.9067。因此，在m为大于0.9067的区域会发生如图3所示的过调制现象。
作为在工业上广为使用的过调制技术，有电压使用率最高的最小距离过调制技术。根据该技术，以使脱离电压限制线的初始电压指令V*和存在于电压限制线上的过调制之后的电压指令Vnew*的差异最小化的方式修正电压指令。
图4是用于说明将脱离电压限制线的电压指令修正为在电压限制线上的一个示例图。若将图4的内容用公式表示，则电压指令之间的差异如公式3表示，此时若应用公式4的三相平衡条件和公式5的过调制条件，则可导出公式6。
公式3
Figure BDA0002000969960000063
公式4
Figure BDA0002000969960000064
公式5
Figure BDA0002000969960000071
公式6
Figure BDA0002000969960000072
若将公式6的静止坐标系电压指令重新表示为三相电压指令，则如公式7，公式7的bound函数可用公式8来定义。
公式7
Figure BDA0002000969960000073
Figure BDA0002000969960000074
Figure BDA0002000969960000075
公式8
Figure BDA0002000969960000076
如图5和图6所示，示出了以这种最小距离过调制为基准对电压指令的调制指数的输出电压的调制指数。图5和图6是表示在最小距离过调制技术中对电压指令调制指数的逆变器输出电压调制指数的一个示例图，图6是将图5的A区域放大的图。
在图5和图6中，4A是表示线性的基准线，4B表示最小距离过调制的性能。参照图6，可以看到当电压指令调制指数约大于0.9067时线性消失。
作为另一过调制技术可确认开关状态保持过调制技术。该技术是对脱离电压限制线的初始电压指令V*采用最大限度地保持逆变器的脉冲宽度调制PWM开关状态的方式。
图7是用于说明开关状态保持过调制技术的一个示例图，示出了基于开关状态保持过调制的电压指令的轨道。如图所示，可以看出与上述最小距离过调制的电压指令的形态不同。
如果，三相电压指令中最大值与中间值之差大于中间值与最小值的差异，则可将最大值决定为正直流端电压，由此可最大限度地保持开关状态。
在相反的情况下，可将三相电压指令中最小值决定为负直流端电压来保持开关状态。
若用公式表示这种过程，则具体如公式9和公式10。
公式9
Figure BDA0002000969960000081
公式10
Figure BDA0002000969960000082
Figure BDA0002000969960000083
Figure BDA0002000969960000084
在公式9和公式10中定义的Vshift是为了PWM开关而添加的值，表示以各个相为基准修正指令并进行过调制。
图8和图9是表示在开关状态保持过调制技术中对电压指令调制指数的逆变器输出电压调制指数的一个示例图，图9是将图8的B区域放大的图。
在图8和图9中，6A表示线性的基准线，6B表示开关状态保持过调制的性能，可以看出与图4的最小距离过调制相似地，在约0.9067之后线性消失。
如此，根据以往方式的过调制，存在当电压指令的调制指数在0.9067以上的区间时难以确保线性的问题。这是因为，由于在电压指令脱离电压限制线的情况下以瞬时地对其差异进行补偿的方式对电压指令进行补偿，因此若以一个周期时间单位进行判断，电压指令与输出电压的差异只能始终存在。即，能够使逆变器1输出为最大的调制指数不能够成为1，从而存在不能确保线性的问题。
本发明是为了解决如上所述的以往过调制方式的问题而提出的，是通过在过调制区间使逆变器输出电压最大化，来扩张对电压指令的输出电压的线性的逆变器的控制装置。本发明的逆变器的控制装置与瞬时地修正电压指令的以往方式不同地，考虑一个周期时间单位并通过对开关状态保持过调制方式进行变形来生成过调制电压指令。
图10和图11是用于说明基于本发明一实施例来生成过调制电压指令的一个示例图，图10表示在最小距离过调制中的电压指令轨道，图11表示在开关状态保持过调制中的电压指令轨道。在图10和图11中，实线表示电压限制线，虚线表示电压指令。
参照图10，可以看出在最小距离过调制的情况下，即便电压指令的调制指数无限增加，电压指令也会沿电压限制六边形线发生变动，因此不可能进行能够输出逆变器的最高电压的6-步骤运转。逆变器的6-步骤运转是指控制为在三相逆变器输出的一个周期中存在6个均等的开关区间，当6-步骤运转时逆变器输出最高电压。
参照图7和图11，当进行开关状态保持过调制时，在过调制状态下生成非连续电压指令，最终可将电压指令修正为电压限制线六边形的六个顶点，从而可进行六步骤运转。
因此，本发明一实施例的逆变器的控制装置是利用开关状态保持过调制的特性，对以往开关状态保持过调制进行变形，以使在过调制区间确保线性的装置。
图12是用于说明本发明一实施例的逆变器的控制装置的架构图。
如图所示，本发明一实施例的控制装置用于控制逆变器1，可包括调制指数修正部10、过调制电压指令生成部20以及电压指令输出部30。
逆变器1内的整流部11从电源部2接收三相交流电源并对其进行整流，逆变器1内的平滑部12使整流部11整流的直流电压平滑并存储为直流链路电压。
逆变器1内的逆变器部13可根据PWM控制信号将存储于平滑部12的直流链路电压输出为具有规定电压和频率的交流电压，并将其提供给电动机3。逆变器部13可由三相支路构成，各个支路可通过两个开关元件串联连接来构成。在逆变器部13中各个相的开关元件可构成为多种拓扑结构。
此时，可对逆变器部13施加电压指令以驱动电动机3。此时可输出的最高电压的大小被输入电源2的大小限制，电压指令输出部30可在从上位控制部(未图示)接收电压指令且电压指令在电压限制线内部的情况下(即，调制指数为0.9067以下的情况)，向逆变器1输出与电压指令对应的脉冲宽度调制PWM控制信号。逆变器1内的逆变器部13可根据从电压指令输出部30接收到的PWM控制信号进行开关，并向电动机3输出交流电压。
当从上位控制部(未图示)提供的电压指令在电压限制线外部的情况下(即，调制指数为0.9067以下的情形)，逆变器1会在过调制区间进行动作。
例如，假设初始电压指令的调制指数为0.95的情形。调制指数可通过
Figure BDA0002000969960000101
来求出，即可利用初始电压指令的大小和逆变器1的直流端电压的大小求出。
参照图9，由于此时的开关状态保持过调制性能表示为输出电压调制指数为0.935，从而比电压指令的调制指数小约0.015程度。即，由于输出电压的调制指数不同于电压指令的调制指数，从而不能确保线性。若假设施加调制指数为0.989的电压指令来替代实际调制指数为0.95的电压指，则逆变器1的输出电压的调制指数变为0.95，从而可确保与电压指令的调制指数的线性。
即，在电压指令的调制指数为0.95并且逆变器所输出的输出电压调制指数也为0.95的情况下会确保线性，为此，根据本发明一实施例，可用0.989替代0.95来修正电压指令的调制指数，并向逆变器提供。由此，输出电压的调制指数变为0.95，从而成为与实际电压指令的调制指数相同。
即，本发明一实施例的调制指数修正部10可输出对最初电压指令的调制指数进行修正的假想的修正的电压指令调制指数。此时，为了对调制指数进行修正，调制指数修正部10可以以表的形式存储相对于输入的最初电压指令使输出电压的调制指数输出为线性的修正调制指数。下面表1是修正调制指数的一个例子。
表1
Figure BDA0002000969960000102
Figure BDA0002000969960000111
上述表1选定了31个点，但是本发明不限定于此，可以适当地选择上下限之间的值。
若初始电压指令的调制指数被调制指数修正部10修正，则可通过公式2来修正电压指令的大小。
过调制电压指令生成部20可利用修正的电压指令的大小来生成过调制的电压指令，使得被修正的电压指令被限制在电压限制线。即，若修正电压指令中最大值与中间值之差大于中间值与最小值之差，则将最大值决定为正直流端电压，由此可最大限度地保持开关状态。在相反的情况下，可通过将修正电压指令的最小值决定为负直流端电压来保持开关状态。
需要说明的是，本发明的过调制电压指令生成部20所生成的过调制电压指令不限定于通过开关状态保持过调制来过调制电压指令的方式，也可以通过最小距离过调制来对电压指令进行过调制并输出。
如上所述，在从上位控制部(未图示)接收到的初始电压指令在电压限制线内部的情况下(即，调制指数为0.9067以下的情形)，电压指令输出部30可向逆变器1输出与该初始电压指令对应的脉冲宽度调制PWM控制信号。逆变器1可根据从电压指令输出部30接收到的PWM控制信号进行逆变器部13的开关，并向电动机3输出交流电压。
另外，在从上位控制部(未图示)接收到的初始电压指令在电压限制线外部的情况下(即，调制指数为0.9067以上的情形)，过调制电压指令生成部20可通过利用被调制指数修正部10修正的调制指数对修正的电压指令(修正电压指令)进行过调制，由此来生成过调制电压指令，电压指令输出部30可向逆变器部13输出与过调制电压指令对应的脉冲宽度调制PWM控制信号。逆变器部13可根据从电压指令输出部30接收到的PWM控制信号进行开关，并向电动机3输出交流电压。
图13是用于说明通过本发明一实施例的逆变器的控制装置来确认输出电压调制指数的性能的一个示例图。
在图13中，9A表示线性基准线，9B表示根据以往的开关状态保持过调制的、相对于电压指令调制指数的输出电压的调制指数，9C表示根据本发明一实施例的、相对于电压指令调制指数的输出电压的调制指数。在附图中可以看出，9A和9C在同一轨迹上并重叠。
如图所示，可以看出根据本发明一实施例输出的电压的调制指数变为与线性基准线相同，因此确保了逆变器的输出电压的线性。
应理解，以上所说明的根据本发明的实施例仅仅是示例性的，本领域技术人员可以由此实施各种变形和等同范围内的实施例。因此，本发明真正的技术保护范围应由所附的权利要求书确定。

Claims (8)

1.一种逆变器的控制装置，在过调制区间对所述逆变器的输出进行控制，其中，所述控制装置包括：
逆变器部，包括多个开关元件，接收直流端电压并通过所述开关元件的开关来生成三相交流的输出电压；
电压指令输出部，在初始电压指令处在电压限制线内部的情况下，向所述逆变器部的开关元件提供与所述初始电压指令对应的脉冲宽度调制控制信号；
调制指数修正部，在所述初始电压指令处在电压限制线外部的情况下，参照预先设定的修正调制指数表对所述初始电压指令的调制指数进行修正，以输出假想的修正的电压指令调制指数；以及
过调制电压指令生成部，通过将根据所修正的调制指数来修正的初始电压指令限制为所述电压限制线，生成过调制的电压指令，
在所述初始电压指令处在电压限制线外部的情况下，所述电压指令输出部向所述逆变器部的开关元件提供与所述过调制的电压指令对应的脉冲宽度调制控制信号。
2.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
所述调制指数修正部对所述初始电压指令的调制指数进行修正，以使根据所述过调制的电压指令输出的所述逆变器部的输出电压的调制指数与所述过调制的电压指令的调制指数呈线性。
3.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
所述修正的初始电压指令由下面的公式1决定，
公式1
Figure FDA0003082154810000011
其中，m是被修正的初始电压指令的调制指数，Vdc是直流端电压，V*是所述初始电压指令。
4.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
所述过调制电压指令生成部对脱离电压限制线的所述修正的初始电压指令，以保持所述逆变器部的脉冲宽度调制开关状态的方式生成过调制的电压指令。
5.根据权利要求4所述的逆变器的控制装置，其中，
若所述修正的初始电压指令中最大值与中间值之差大于中间值与最小值之差，则所述过调制电压指令生成部将所述修正的初始电压指令的最大值决定为正直流端电压，若所述修正的初始电压指令中最大值与中间值之差小于或等于中间值与最小值之差，则所述过调制电压指令生成部将所述修正的初始电压指令的最小值决定为负直流端电压，来生成所述过调制的电压指令。
6.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
所述调制指数修正部按照表1对所述初始电压指令的调制指数进行修正，
表1
Figure FDA0003082154810000021
Figure FDA0003082154810000031
7.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
所述电压限制线是所述逆变器部根据逆变器的输入电源的大小而能够输出的最大电压的极限。
8.根据权利要求7所述的逆变器的控制装置，其中，
所述电压限制线为六边形。
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