CN110661432B - 级联型三相变频器的调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种级联型三相变频器的调制方法，包括：根据每一级中功率单元的开关管状态及输出电平得到多个基本空间电压矢量，根据多个基本空间电压矢量的模长将基本空间电压矢量划分为大矢量、中矢量、小矢量及零矢量；将多个基本空间电压矢量排列成一个矢量空间，将矢量空间划分为多个扇区，其中每个扇区对应一组大矢量、中矢量、小矢量和零矢量；判断参考电压矢量所在的扇区，参考电压矢量通过所在扇区对应的一组矢量合成；计算用以合成参考电压矢量的大矢量、中矢量、小矢量及零矢量的作用时间；分配大矢量、中矢量、小矢量及零矢量的作用顺序；根据作用顺序及作用时间生成三相调制波信号；根据三相调制波信号生成该级中功率单元的开关信号。

Description

级联型三相变频器的调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种级联型三相变频器的调制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，变频器因其高效节能的优点而被广泛应用于各种电力电子***。目前，为满足高压大功率电力电子***的需求，人们逐渐开始使用级联型三相变频器。
级联型变频器最常用的调制方案是单极性倍频调制，其优点是：模块输出电压正半周期内输出0、+1的PWM波，负半周期内输出0、-1的PWM波，而且模块输出电压的频率是功率器件开关频率的两倍。
图1为现有技术中的一种级联型三相变频器的一个级的电路示意图。如图1中所示，级联型三相变频器的每一级1000包括3个功率单元100、200和300，以提供对应的A相、B相和C相的输出电压UA、UB和UC。功率单元100包括由4个开关管Ta1、Ta2、Ta3和Ta4形成的桥臂Sa1和Sa2。功率单元200和功率单元300与功率单元100的结构相同，分别包括由开关管Tb1、Tb2、Tb3和Tb4形成的桥臂Sb1和Sb2，以及由开关管Tc1、Tc2、Tc3和Tc4形成的桥臂Sc1和Sc2。功率单元100还包括直流母线B1、直流母线电容C1和多个二极管，功率单元200还包括直流母线B2、直流母线电容C2和多个二极管，功率单元300还包括直流母线B3、直流母线电容C3和多个二极管，由于其连接关系在图1中所示，不再赘述。
如果直接采用现有技术中的空间矢量调制方式，即运算时只采用8个基本空间电压矢量，则会造成图1中的各开关管在状态切换时几个桥臂同时动作。如果允许有两个或三个桥臂同时动作，则在输出线电压上会出现两个电平同时跳变的情况。
当变频器通过长电缆与电机连接时，由于电缆中分布参数的影响，会在电机端产生电压反射现象，从而在电机端产生最高两倍的过电压。变频器输出电压每次跳变的电平数越多，在电机端产生的过电压就越高，从而会加速电机绝缘的老化，缩短电机使用寿命。如果采用dv/dt滤波器来抑制电机端的过电压，则会增加***体积和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种级联型三相变频器的调制方法，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的上述技术问题。
本发明的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的第一个方面，提供一种级联型三相变频器的调制方法，其中所述级联型三相变频器的每一级包括3个功率单元，以提供对应的A相、B相和C相的输出电压，所述调制方法包括：
步骤1：根据每一级中所述功率单元的开关管状态及输出电平得到多个基本空间电压矢量，并根据所述多个基本空间电压矢量的模长将所述多个基本空间电压矢量划分为大矢量、中矢量、小矢量及零矢量；
步骤2：将所述多个基本空间电压矢量排列成一个矢量空间，并通过所述多个基本空间电压矢量将所述矢量空间划分为多个扇区，其中每一个所述扇区对应一组所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量和所述零矢量；
步骤3：判断参考电压矢量所在的扇区，其中所述参考电压矢量通过其所在扇区对应的一组所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量和所述零矢量合成；
步骤4：在一个开关周期内，计算用以合成所述参考电压矢量的所述大矢量的作用时间、所述中矢量的作用时间、所述小矢量的作用时间及所述零矢量的作用时间；
步骤5：分配所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量及所述零矢量的作用顺序；
步骤6：根据所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量及所述零矢量的作用顺序及作用时间生成三相调制波信号；以及
步骤7：根据所生成的三相调制波信号生成该级中所述功率单元的开关信号。
可选地，其中，在所述步骤1中，每一级中所述功率单元具有64种所述开关管状态，得到27个所述基本空间电压矢量。
可选地，其中，在所述步骤1中，将所述27个基本空间电压矢量划分为6个模长为
Figure BDA0001717878440000031
的大矢量、6个模长为
Figure BDA0001717878440000032
的中矢量、12个模长为
Figure BDA0001717878440000033
的小矢量和3个模长为0的零矢量，其中所述Udc是所述功率单元的直流母线电压。
可选地，其中，在所述步骤2中，所述27个基本空间电压矢量将矢量空间划分为24个扇区，且所述矢量空间由重叠的第一六边形和第二六边形组合而成。
可选地，其中，在所述步骤2中，所述大矢量分别指向所述第一六边形的6个顶点，所述中矢量分别指向所述第一六边形的6个边的中点，所述小矢量分别指向所述第二六边形的6个顶点，其中所述大矢量将所述第一六边形划分为6个大扇区，对应的所述中矢量及所述小矢量将每一所述大扇区划分为4个小扇区。
可选地，其中，在所述步骤4中，在任一所述扇区中，所述参考电压矢量的合成公式为：
Figure BDA0001717878440000034
其中
Figure BDA0001717878440000035
是所述参考电压矢量，
Figure BDA0001717878440000036
是所述零矢量，
Figure BDA0001717878440000037
是所述小矢量，
Figure BDA00017178784400000311
是所述中矢量，
Figure BDA0001717878440000039
是所述大矢量，TS是所述功率单元的开关周期，T0是所述零矢量的作用时间，T1是所述小矢量的作用时间，T2是所述中矢量的作用时间，以及T3是所述大矢量的作用时间，以及
其中所述零矢量的作用时间满足下述公式：
T0＝TS-T1-T2-T3 (2)。
可选地，其中，在所述步骤4中，在任一个所述大扇区中，在所述第二六边形内的两个所述小扇区中，设置约束条件为作用时间T1与作用时间T3相等，在所述第二六边形外的两个所述小扇区中，设置约束条件为作用时间T1与作用时间T0设置为相等，并根据所述参考电压矢量所在的扇区、公式(1)和(2)及所述约束条件，计算得到作用时间T0、T1、T2和T3。
可选地，其中，在所述步骤4中，在任一所述扇区中，设置约束条件为作用时间T1与作用时间T0相等，并根据所述参考电压矢量所在的扇区、公式(1)和(2)及所述约束条件，计算得到作用时间T0、T1、T2和T3。
可选地，其中，在所述步骤4中，在任一所述扇区中，设置约束条件为
Figure BDA00017178784400000310
并根据所述参考电压矢量所在的扇区、公式(1)和(2)及所述约束条件，计算得到作用时间T0、T1、T2和T3，
其中所述Uref_PK是所述参考电压矢量的峰值，以及所述Udc是所述功率单元的直流母线电压。
可选地，其中，在所述步骤5中，在每个采样周期，以所述零矢量作为起始矢量，并且所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量及所述零矢量之间的任意一次切换只产生一个输出桥臂的开关管的状态变化。
采用本发明的级联型三相变频器的调制方法时，***输出的线电压的峰值处不再出现两倍电平跳变的电压，且总谐波失真得到了改善。当***通过长电缆和电机连接时，本发明能够减小电机端因电缆分布参数引起的电机端过电压，从而能够更好地保护电机的绝缘，延长电机的寿命。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为现有技术中的一种级联型三相变频器的一个级的电路示意图；
图2为本发明的一个实施例的一种级联型三相变频器的调制方法的流程图；
图3为本发明的一个矢量空间的示意图；
图4为用于说明判断本发明的一个参考电压矢量所在扇区的示意图；
图5为用于说明合成本发明的一个参考电压矢量的示意图；
图6为用于说明合成本发明的一个参考电压矢量的基本空间电压矢量的作用时间与级联型三相变频器的开关管状态之间的对应关系的示意图；
图7为本发明的一个实施例的三相调制波的波形图；
图8为本发明的另一个实施例的三相调制波的波形图；
图9为本发明的又另一个实施例的三相调制波的波形图；
图10为现有技术中采用马鞍形调制波在单极性倍频载波移相调制时的输出线电压的波形图和频谱图；以及
图11为采用本发明的级联型三相变频器的调制方法时的输出线电压的波形图和频谱图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本发明的各方面。
下面将结合图1至图11详细描述本发明，其中，作为连接导线的线段之间如果存在交叉点，那么交叉点上带有黑点“·”则表示所述交叉点是连接点，交叉点上不带有黑点“·”则表示所述交叉点不是连接点而仅仅是相互穿越。各元件的符号不但代表所述元件自身，还可以表示所述元件的容量的代数符号。
首先参考图2，图2为本发明的一个实施例的一种级联型三相变频器的调制方法的流程图。如图2中所示，本发明的级联型三相变频器的调制方法可以应用于如图1中所示的级联型三相变频器，包括如下步骤1、2、3、4、5、6和7。
在步骤1中，根据每一级1000中功率单元100、200和300的开关管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4、Tb1、Tb2、Tb3、Tb4、Tc1、Tc2、Tc3和Tc4的状态及输出电平得到多个基本空间电压矢量，并根据多个基本空间电压矢量的模长将多个基本空间电压矢量划分为大矢量、中矢量、小矢量及零矢量。
例如，在如图1中所示的级联型三相变频器的任一个功率单元，例如功率单元100中，由开关管Ta1、Ta2、Ta3和Ta4形成的桥臂Sa1和Sa2的状态与输出电平之间的关系如表1所示。
表1
Figure BDA0001717878440000051
Figure BDA0001717878440000061
从如图1中所示的级联型三相变频器的每一级1000中的三个功率单元100、200和300中的六个桥臂Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1和Sc2的开关管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4、Tb1、Tb2、Tb3、Tb4、Tc1、Tc2、Tc3和Tc4的状态及输出电平所得到的基本空间电压矢量分布如表2和图3所示。这些基本空间电压矢量按模长可分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。
作为一个实施例，在步骤1中，每一级1000中的三个功率单元100、200和300一共有64种开关管状态或桥臂状态，即64种开关组合函数，可得到27个基本空间电压矢量。
表2
Figure BDA0001717878440000062
Figure BDA0001717878440000071
作为一个实施例，在步骤1中，将27个基本空间电压矢量划分为6个模长为
Figure BDA0001717878440000072
的大矢量、6个模长为
Figure BDA0001717878440000073
的中矢量、12个模长为
Figure BDA0001717878440000074
的小矢量和3个模长为0的零矢量，如表2中所示。表2中的Udc是功率单元100、200和300的直流母线B1、B2和B3的直流母线电压，三者基本相同。
图3为本发明的一个矢量空间的示意图。参考图3，在本发明步骤2中，将表2中所示的多个基本空间电压矢量排列成一个矢量空间2000，并通过这些基本空间电压矢量将矢量空间2000划分为多个扇区SI、SII、SIII、SIV、SV、SVI、SI1、SI2、SI3、SI4、SII1、SII2、SII3、SII4、SIII1、SIII2、SIII3、SIII4、SIV1、SIV2、SIV3、SIV4、SV1、SV2、SV3、SV4、SVI1、SVI2、SVI3和SVI4，其中每一个扇区对应由一个大矢量、一个中矢量、一个小矢量和一个零矢量构成的组。例如，扇区SI、SI1、SI2、SI3和SI4中的每一个均对应由一个大矢量(1，-1，-1)、一个中矢量(1，0，-1)、一个小矢量(0，-1，-1)和一个零矢量(1，1，1)构成的组。
作为一个实施例，在步骤2中，27个基本空间电压矢量将矢量空间2000划分为24个小扇区SI1、SI2、SI3、SI4、SII1、SII2、SII3、SII4、SIII1、SIII2、SIII3、SIII4、SIV1、SIV2、SIV3、SIV4、SV1、SV2、SV3、SV4、SVI1、SVI2、SVI3和SVI4，且矢量空间2000由重叠的第一六边形，即表2中提及的外正六边形，和第二六边形，即表2中提及的内正六边形，组合而成，如图3中的虚线所示。外正六边形包括所有扇区所占有的面积，内正六边形仅包括小扇区SI1、SI2、SII1、SII2、SIII1、SIII2、SIV1、SIV2、SV1、SV2、SVI1和SVI2所占有的面积。
换句话说，作为一个实施例，在步骤2中，大矢量分别指向外正六边形的6个顶点，中矢量分别指向外正六边形的6个边的中点，小矢量分别指向内正六边形的6个顶点，其中大矢量将外正六边形划分为6个大扇区，对应的中矢量及小矢量将每一大扇区划分为4个小扇区，即第一小扇区、第二小扇区、第三小扇区和第四小扇区，例如第一小扇区为SI1、SII1、SIII1、SIV1、SV1或SVI1，第二小扇区为SI2、SII2、SIII2、SIV2、SV2或SVI2，第三小扇区为SI3、SII3、SIII3、SIV3、SV3或SVI3，以及第四小扇区为SI4、SII4、SIII4、SIV4、SV4或SVI4。
下面参考附图4和5来描述步骤3和4。
根据三相交流电理论，三相交流电的输出电压整体作用等效于一个旋转的电压矢量，这个旋转的电压矢量可以被当作一个控制目标，这里称为参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000081
在步骤3中，判断参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000082
所在的扇区，其中参考电压矢量
Figure BDA00017178784400000811
可通过其所在扇区对应的由一个大矢量
Figure BDA0001717878440000084
一个中矢量
Figure BDA0001717878440000085
一个小矢量
Figure BDA0001717878440000086
和一个零矢量
Figure BDA0001717878440000087
构成的组组合而成。
图4为用于说明判断本发明的一个参考电压矢量所在扇区的示意图。如图4中所示，以大扇区SI为例，
Figure BDA0001717878440000088
是输出的参考电压矢量，即目标电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，旋转角速度为输出正弦电压的角频率，Usα是
Figure BDA0001717878440000089
在α轴的分量，Usβ是
Figure BDA00017178784400000810
在β轴的分量。结合几何分析可知，在αβ直角坐标系中，参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000091
位于大扇区SI中的条件为：
Figure BDA0001717878440000092
同理，可以得到参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000093
位于其它大扇区内的条件的判断公式，如表3所示。
表3
Figure BDA0001717878440000094
在判断出参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000095
所在的大扇区位置后，同样结合几何分析，可以得到参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000096
位于该大扇区内的小扇区内的条件的判断公式。以SI大扇区内的SI1小扇区为例，参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000097
位于SI1小扇区内的条件为：
Figure BDA0001717878440000098
如前所述，Udc是功率单元100、200和300的直流母线B1、B2和B3的直流母线电压。
同理，可以得到参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000099
位于其它小扇区内的条件的判断公式，如表4所示。
表4
Figure BDA0001717878440000101
其中：
Figure BDA0001717878440000111
Ur5＝Usα
Figure BDA0001717878440000112
Figure BDA0001717878440000113
Figure BDA0001717878440000114
Figure BDA0001717878440000115
Figure BDA0001717878440000116
Figure BDA0001717878440000117
Figure BDA0001717878440000118
图5为用于说明合成本发明的一个参考电压矢量的示意图。如图5中所示，例如，位于小扇区SI3中的参考电压矢量
Figure BDA00017178784400001129
可通过其所在扇区SI3对应的由一个大矢量
Figure BDA0001717878440000119
一个中矢量
Figure BDA00017178784400001110
一个小矢量
Figure BDA00017178784400001111
和一个零矢量
Figure BDA00017178784400001112
构成的组组合而成，其中TS是如图1中所示的级联型三相变频器的每一级1000中的三个功率单元100、200和300的一个开关周期，T0是零矢量
Figure BDA00017178784400001113
的作用时间，T1是小矢量
Figure BDA00017178784400001114
的作用时间，T2是中矢量
Figure BDA00017178784400001115
的作用时间，以及T3是大矢量
Figure BDA00017178784400001116
的作用时间。
在步骤4中，在如图1中所示的级联型三相变频器的每一级1000中的三个功率单元100、200和300的一个开关周期TS内，计算用以合成参考电压矢量
Figure BDA00017178784400001117
的大矢量
Figure BDA00017178784400001118
的作用时间T3、中矢量
Figure BDA00017178784400001119
的作用时间T2、小矢量
Figure BDA00017178784400001120
的作用时间T1及零矢量
Figure BDA00017178784400001121
的作用时间T0。
仍参考图4和5，以SI大扇区内的SI3小扇区为例，小矢量
Figure BDA00017178784400001122
(1，0，0)、中矢量
Figure BDA00017178784400001123
(1，0，-1)和大矢量
Figure BDA00017178784400001124
(1，-1，-1)的作用时间分别为T1、T2和T3。根据矢量运算的平行四边形法则，有：
Figure BDA00017178784400001125
如果引入零矢量
Figure BDA00017178784400001126
零矢量
Figure BDA00017178784400001127
的作用时间为T0，那么，作为一个实施例，在步骤4中，在任一扇区中，参考电压矢量
Figure BDA00017178784400001128
的合成公式为：
Figure BDA0001717878440000121
其中
Figure BDA0001717878440000122
是参考电压矢量，
Figure BDA0001717878440000123
是零矢量，
Figure BDA0001717878440000124
是小矢量，
Figure BDA0001717878440000125
是中矢量，
Figure BDA0001717878440000126
是大矢量，TS是如图1中所示的级联型三相变频器的每一级1000中的三个功率单元100、200和300的一个开关周期，T0是零矢量
Figure BDA0001717878440000127
的作用时间，T1是小矢量
Figure BDA0001717878440000128
的作用时间，T2是中矢量
Figure BDA0001717878440000129
的作用时间，以及T3是大矢量
Figure BDA00017178784400001210
的作用时间，其中零矢量
Figure BDA00017178784400001211
的作用时间T0满足下述公式：
T0＝TS-T1-T2-T3 (2)。
将参考电压矢量
Figure BDA00017178784400001212
在αβ直角坐标系下分解，得到：
Figure BDA00017178784400001213
尽管未知的变量有四个，本发明通过增加一个T0、T1、T2、T3和T4的约束条件，从而能够计算出这四个变量。
作为本发明的三个实施例，这里给出了如下三个为基本空间电压矢量分配作用时间的方案。
方案一
作为一个实施例，在步骤4中，在任一个大扇区中，在内正六边形内的两个小扇区中，设置约束条件为小矢量
Figure BDA00017178784400001214
的作用时间T1与大矢量
Figure BDA00017178784400001215
的作用时间T3相等，在外正六边形外的两个小扇区中，设置约束条件为小矢量
Figure BDA00017178784400001216
的作用时间T1与零矢量
Figure BDA00017178784400001217
的作用时间T0设置为相等，并根据参考电压矢量
Figure BDA00017178784400001218
所在的扇区、前述公式(1)和(2)及本实施例的约束条件，来计算得到零矢量
Figure BDA00017178784400001219
的作用时间T0、小矢量
Figure BDA00017178784400001220
的作用时间T1、中矢量
Figure BDA00017178784400001221
的作用时间T2和大矢量
Figure BDA00017178784400001222
的作用时间T3。
也就是说：
Figure BDA00017178784400001223
由于模
Figure BDA00017178784400001224
模
Figure BDA00017178784400001225
模
Figure BDA00017178784400001226
解得零矢量
Figure BDA00017178784400001227
的作用时间T0、小矢量
Figure BDA00017178784400001228
的作用时间T1、中矢量
Figure BDA00017178784400001229
的作用时间T2和大矢量
Figure BDA00017178784400001230
的作用时间T3分别为：
Figure BDA0001717878440000131
方案二
作为一个实施例，在步骤4中，在任一个扇区中，设置约束条件为零矢量
Figure BDA0001717878440000132
的作用时间T0和小矢量
Figure BDA0001717878440000133
的作用时间T1相等，并根据参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000134
所在的扇区、前述公式(1)和(2)及本实施例的约束条件，来计算得到零矢量
Figure BDA0001717878440000135
的作用时间T0、小矢量
Figure BDA0001717878440000136
的作用时间T1、中矢量
Figure BDA0001717878440000137
的作用时间T2和大矢量
Figure BDA0001717878440000138
的作用时间T3。
也就是说：
T1＝(TS-T2-T3)/2
将参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000139
在αβ直角坐标系下分解，得到：
Figure BDA00017178784400001310
解得零矢量
Figure BDA00017178784400001311
的作用时间T0、小矢量
Figure BDA00017178784400001313
的作用时间T1、中矢量
Figure BDA00017178784400001314
的作用时间T2和大矢量
Figure BDA00017178784400001315
的作用时间T3分别为：
Figure BDA00017178784400001316
方案三
作为一个实施例，在步骤4中，在任一个扇区中，设置约束条件为
Figure BDA00017178784400001317
并根据参考电压矢量
Figure BDA00017178784400001318
所在的扇区、前述公式(1)和(2)及本实施例的约束条件，来计算得到零矢量
Figure BDA00017178784400001319
的作用时间T0、小矢量
Figure BDA00017178784400001320
的作用时间T1、中矢量
Figure BDA00017178784400001321
的作用时间T2和大矢量
Figure BDA00017178784400001322
的作用时间T3。
其中Uref_PK是参考电压矢量
Figure BDA00017178784400001323
的峰值，以及Udc是功率单元100、200和300的直流母线B1、B2和B3的直流母线电压。
也就是说：
Figure BDA0001717878440000141
将参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000142
在αβ直角坐标系下分解，得到：
Figure BDA0001717878440000143
解得零矢量
Figure BDA0001717878440000144
的作用时间T0、小矢量
Figure BDA0001717878440000145
的作用时间T1、中矢量
Figure BDA0001717878440000146
的作用时间T2和大矢量
Figure BDA0001717878440000147
的作用时间T3分别为：
Figure BDA0001717878440000148
作为示例，表5给出了根据前述基本空间电压矢量分配作用时间的方案一计算出的所有扇区内基本空间电压矢量的作用时间，只要判断出参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000149
所处的扇区，便可以求出对应的基本空间电压矢量的作用时间。
表5
Figure BDA00017178784400001410
Figure BDA0001717878440000151
类似地，也可以根据前述方案二、三分别计算出的所有扇区内基本空间电压矢量的作用时间，只要判断出参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000152
所处的扇区，便可以求出对应的基本空间电压矢量的作用时间，这里不再赘述。
在步骤5中，分配零矢量
Figure BDA0001717878440000153
小矢量
Figure BDA0001717878440000154
中矢量
Figure BDA0001717878440000155
和大矢量
Figure BDA0001717878440000156
的作用顺序。
作为一个实施例，在步骤5中，在如图1中所示的级联型三相变频器的每一级1000中的三个功率单元100、200和300的每个采样周期中，以零矢量
Figure BDA0001717878440000161
作为起始矢量，并且大矢量
Figure BDA0001717878440000162
中矢量
Figure BDA0001717878440000163
小矢量
Figure BDA0001717878440000164
及零矢量
Figure BDA0001717878440000165
之间的任意一次切换使得输出桥臂Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1和Sc2中仅有一个输出桥臂的开关管的状态变化。
以前述的基本空间电压矢量分配作用时间的方案一为例，每个扇区中的基本空间电压矢量的作用次序如表6所示。
表6
Figure BDA0001717878440000166
Figure BDA0001717878440000171
类似地，也可以根据前述方案二、三分别计算出的所有扇区内基本空间电压矢量的作用次序，这里不再赘述。
在步骤6中，根据大矢量
Figure BDA0001717878440000172
中矢量
Figure BDA0001717878440000173
小矢量
Figure BDA0001717878440000174
及零矢量
Figure BDA0001717878440000175
的作用顺序及作用时间生成三相调制波信号。
计算得到各扇区内基本空间电压矢量的作用时间和矢量作用次序后，将基本空间电压矢量的作用时间分配给对应的桥臂的开关状态。以前述的基本空间电压矢量分配作用时间的方案一和位于大扇区SI中的小扇区SI3中的参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000176
为例，基本空间电压矢量的作用时间与对应的桥臂的开关状态的对应关系如图6所示。图6为用于说明合成本发明的一个参考电压矢量的基本空间电压矢量的作用时间与级联型三相变频器的开关管状态之间的对应关系的示意图。如图6中所示，CMPRA、CMPRB和CMPRC分别是A、B和C相的上下管比较器加载值，S’a1、S’a2、S’b1、S’b2、S’c1和S’c2分别是桥臂Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1和Sc2的开关状态，水平坐标轴表示时间(S)，垂直坐标轴表示电压或电平(V或逻辑值)。三相的桥臂的开关状态对应全部开关管的状态，将基本空间电压矢量的作用时间分配给对应的桥臂的开关状态，也就是将开关管的导通或关断时间分配给对应的开关管，完成对开关管的控制。
以前述的基本空间电压矢量分配作用时间的方案一和位于大扇区SI中的小扇区SI3中的参考电压矢量
Figure BDA0001717878440000181
为例，要保证各基本空间电压矢量的持续时间，A、B和C相的上下管比较器加载值，即导通时间应按照下式计算：
Figure BDA0001717878440000182
以前述的基本空间电压矢量分配作用时间的方案一为例，每个扇区中的各相上下管比较器加载值如表7所示。
表7
Figure BDA0001717878440000183
Figure BDA0001717878440000191
类似地，也可以根据前述方案二、三分别计算出的所有扇区内的各相上下管比较器加载值，这里不再赘述。
图7为本发明的一个实施例的三相调制波的波形图。如图7所示，水平坐标轴是时间(S)，垂直坐标轴是电压(V)，图中的三条曲线示出了采用前述的基本空间电压矢量分配作用时间的方案一而生成的三相调制波的基波信号UA、UB和UC。
图8为本发明的另一个实施例的三相调制波的波形图。如图8所示，水平坐标轴是时间(S)，垂直坐标轴是电压(V)，图中的三条曲线示出了采用前述的基本空间电压矢量分配作用时间的方案二而生成的三相调制波的基波信号UA、UB和UC。
图9为本发明的又另一个实施例的三相调制波的波形图。如图9所示，水平坐标轴是时间(S)，垂直坐标轴是电压(V)，图中的三条曲线示出了采用前述的基本空间电压矢量分配作用时间的方案三而生成的三相调制波的基波信号UA、UB和UC。
在步骤7中，根据如图7、图8或图9所示的所生成的三相调制波信号，即基波信号UA、UB和UC，生成该级1000中功率单元100、200和300的开关信号。不再赘述。
在将本发明应用于6级的级联型三相变频器上时，本发明的技术效果与现有技术的对比如下：
图10为现有技术中采用马鞍形调制波在单极性倍频载波移相调制时的输出线电压的波形图和频谱图。如图10中所示，位于上部的波形图的水平坐标轴是时间(S)，垂直坐标轴是电压(V)，示出了采用传统的马鞍形调制波和单极性倍频载波移相调制时的输出线电压的波形。位于中间的波形图是位于上部的波形图的局部放大图。位于下部的频谱图的水平坐标轴是频率(Hz)，垂直坐标轴是相对幅值，是对位于上部的波形图的FFT变换结果。其总谐波失真(THD)为10.9％。
图11为采用本发明的级联型三相变频器的调制方法时的输出线电压的波形图和频谱图。如图11中所示，位于上部的波形图的水平坐标轴是时间(S)，垂直坐标轴是电压(V)，示出了采用本发明的级联型三相变频器的调制方法时的输出线电压的波形。位于中间的波形图是位于上部的波形图的局部放大图。位于下部的频谱图的水平坐标轴是频率(Hz)，垂直坐标轴是相对幅值，是对位于上部的波形图的FFT变换结果。其总谐波失真为9.5％，可见改善了正弦波的波形。
通过将图10所示的传统调制方案的效果和图11所示的本发明的级联型三相变频器的调制方法的效果进行对比，可以看到，采用本发明的级联型三相变频器的调制方法时，***输出的线电压的峰值处不再出现两倍电平跳变的电压，且总谐波失真得到了改善。当***通过长电缆和电机连接时，本发明能够减小电机端因电缆分布参数引起的电机端过电压，从而能够更好地保护电机的绝缘，延长电机的寿命。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种级联型三相变频器的调制方法，其中所述级联型三相变频器的每一级包括3个功率单元，以提供对应的A相、B相和C相的输出电压，所述调制方法包括：
步骤1：根据每一级中所述3个功率单元的64种开关管状态及输出电平得到27个基本空间电压矢量，并根据所述27个基本空间电压矢量的模长将所述27个基本空间电压矢量划分为大矢量、中矢量、小矢量及零矢量；
步骤2：将所述27个基本空间电压矢量排列成一个矢量空间，并通过所述27个基本空间电压矢量将所述矢量空间划分为多个扇区，其中每一个所述扇区对应一组所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量和所述零矢量；
步骤3：判断所述矢量空间中的每一参考电压矢量所在的扇区，其中所述参考电压矢量均由四种矢量合成，所述四种矢量分别为所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量和所述零矢量，且所述参考电压矢量通过其所在扇区对应的一组所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量和所述零矢量合成；
步骤4：在一个开关周期内，计算用以合成所述参考电压矢量的所述大矢量的作用时间、所述中矢量的作用时间、所述小矢量的作用时间及所述零矢量的作用时间；
步骤5：将所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量及所述零矢量的作用时间分成十三段，并按照所述十三段的作用时间来分配所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量及所述零矢量的作用顺序；
步骤6：根据所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量及所述零矢量的作用顺序及作用时间生成三相调制波信号；以及
步骤7：根据所生成的三相调制波信号生成该级中所述3个功率单元的开关信号。
2.根据权利要求1所述的级联型三相变频器的调制方法，其特征在于，在所述步骤1中， 将所述27个基本空间电压矢量划分为6个模长为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的大矢量、6个模长为
Figure 990723DEST_PATH_IMAGE002
的中矢 量、12个模长为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的小矢量和3个模长为0的零矢量，其中所述U dc 是所述功率单元的直流 母线电压。
3.根据权利要求1所述的级联型三相变频器的调制方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述27个基本空间电压矢量将矢量空间划分为24个扇区，且所述矢量空间由重叠的第一六边形和第二六边形组合而成。
4.根据权利要求3所述的级联型三相变频器的调制方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述大矢量分别指向所述第一六边形的6个顶点，所述中矢量分别指向所述第一六边形的6个边的中点，所述小矢量分别指向所述第二六边形的6个顶点，其中所述大矢量将所述第一六边形划分为6个大扇区，对应的所述中矢量及所述小矢量将每一所述大扇区划分为4个小扇区。
5.根据权利要求4所述的级联型三相变频器的调制方法，其特征在于，在所述步骤4中，在任一所述扇区中，所述参考电压矢量的合成公式为：
Figure 451792DEST_PATH_IMAGE004
（1），
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
是所述参考电压矢量，
Figure 68587DEST_PATH_IMAGE006
是所述零矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
是所述小矢量，
Figure 513475DEST_PATH_IMAGE008
是所述中矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是所述大矢量，T S 是所述功率单元的开关周期，T 0 是所述零矢量的作用时间，T 1 是所述小 矢量的作用时间，T 2 是所述中矢量的作用时间，以及T 3 是所述大矢量的作用时间，以及
其中所述零矢量的作用时间满足下述公式：
Figure 479943DEST_PATH_IMAGE010
（2）。
6.根据权利要求5所述的级联型三相变频器的调制方法，其特征在于，在所述步骤4中，在任一个所述大扇区中，在所述第二六边形内的两个所述小扇区中，设置约束条件1为作用时间T 1 与作用时间T 3 相等，在所述第二六边形外的两个所述小扇区中，设置约束条件2为作用时间T 1 与作用时间T 0 相等，并根据所述参考电压矢量所在的扇区、公式（1）和（2）及所述约束条件1和2，计算得到作用时间T 0 、T 1 、T 2 和T 3 。
7.根据权利要求5所述的级联型三相变频器的调制方法，其特征在于，在所述步骤4中，在任一所述扇区中，设置约束条件为作用时间T 1 与作用时间T 0 相等，并根据所述参考电压矢量所在的扇区、公式（1）和（2）及所述约束条件，计算得到作用时间T 0 、T 1 、T 2 和T 3 。
8.根据权利要求5所述的级联型三相变频器的调制方法，其特征在于，在所述步骤4中， 在任一所述扇区中，设置约束条件为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，并根据所述参考电压矢量所 在的扇区、公式（1）和（2）及所述约束条件，计算得到作用时间T 0 、T 1 、T 2 和T 3 ，
其中所述U ref_PK 是所述参考电压矢量的峰值，以及所述U dc 是所述功率单元的直流母线电压。
9.根据权利要求1所述的级联型三相变频器的调制方法，其中，在所述步骤5中，在每个采样周期，以所述零矢量作为起始矢量，并且所述大矢量、所述中矢量、所述小矢量及所述零矢量之间的任意一次切换只产生一个输出桥臂的开关管的状态变化。
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