一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器及其控制方法，將普通變頻器逆變橋并聯(lián)的大電容換成小電容并與小電容串聯(lián)一個有續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下并聯(lián)的電容沒有對整流輸出的直流電有濾波作用。當(dāng)負(fù)載中有電感并且向直流母線端有續(xù)流電流時，會造成直流母線電壓的升高即造成泵升電壓，當(dāng)泵升電壓達(dá)到設(shè)置的閾值電壓時微控制器會發(fā)出觸發(fā)脈沖觸發(fā)功率開關(guān)管V7的導(dǎo)通使電容C1接入電路形成電感的續(xù)流回路。本發(fā)明的拓?fù)湫问綔p小了變頻器的體積降低了成本，并且通過選擇基于正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)的控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式實(shí)現(xiàn)變頻器的高性能。
【專利說明】一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器及其控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及交直交變頻器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻 器及其控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 目前普通帶續(xù)流電容的交直交變頻器主要功能先是將輸入的三相交流電經(jīng)過變 頻器的三相整流橋轉(zhuǎn)換為直流電，然后整流出來的直流電經(jīng)過變頻器三相逆變橋轉(zhuǎn)換為交 流電。如圖1為普通變頻器的電路拓?fù)湫问?，在工頻三相電通過三相整流橋后輸出具有波動 的直流電壓經(jīng)過大電容C的濾波后變成沒有波動的穩(wěn)定的直流電。此時沒有波動的直流電 輸入三相逆變橋的輸入端，通過微控制器的控制觸發(fā)圖1中的功率開關(guān)器件。如圖1，由六個 二極管構(gòu)成的三相不可控整流電路。整流電路上橋臂的三個二極管共陰極連接，下橋臂的 三個二極管共陽極連接。在整流橋的輸出端并聯(lián)一個大電容C，經(jīng)過電容C濾波的直流電輸 入三相逆變橋的輸入端，三相逆變橋由六個并聯(lián)續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件構(gòu)成?？刂迫?相逆變橋的功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)使逆變橋的交流側(cè)輸出PWM波形的交流電。從上述分析 可知在普通變頻器的三相逆變橋的輸入端通常并聯(lián)一個大電容，大電容對三相整流橋輸出 的直流電有很好的濾波作用，可以消除整流橋輸出直流電的紋波穩(wěn)定直流輸入電壓。在直 流母線并聯(lián)電容便于感性負(fù)載電感的續(xù)流，吸收負(fù)載端回饋的無功功率，因此直流側(cè)電容 也起到緩沖無功能量的作用。大電容往往要求有更高的耐壓值所以對材料的生產(chǎn)工藝有更 高的要求因此大電容的價格較高體積也很大。因此由于大電容的存在使普通變頻器的體積 較大成本更高。變頻器中的其他器件相對于電解電容更不容易損壞，因此變頻器的壽命主 要由電解電容決定，大的電容更容易損壞從而影響了變頻器的壽命。
[0003] 普通變頻器為了保證其穩(wěn)定性和高性能需在直流側(cè)并聯(lián)大電容，但與此同時增加 了變頻器體積和成本。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器 及其控制方法，該交直交變頻器是在變頻器的三相逆變橋的輸入側(cè)并聯(lián)一個小電容，并與 電容串聯(lián)一個有并聯(lián)二極管的功率開關(guān)器件。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)普通變頻器的高性 能而且減小了變頻器的體積降低了成本增加了變頻器的壽命。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)內(nèi)容：
[0006] 一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器，包括三相整流橋、電容C1、三相逆變橋和微 控制器;所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進(jìn)線端通過直流母線連接，所述的電容 C1并聯(lián)在直流母線上，電容支路上設(shè)置有與電容C1串聯(lián)的帶有反并聯(lián)二極管V7的功率開關(guān) 器件D7;三相整流橋的進(jìn)線端、三相逆變橋的出線端分別與電網(wǎng)和負(fù)載連接形成主回路;所 述的微控制器與功率開關(guān)器件D7及三相逆變橋的功率開關(guān)器件均連接。
[0007] 三相逆變橋由六個并聯(lián)續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件構(gòu)成六個橋臂，其中開關(guān)器件 VI與開關(guān)器件V4構(gòu)成上下橋臂，開關(guān)器件V3、開關(guān)器件V6構(gòu)成上下橋臂，第五開關(guān)器件V5、 第二開關(guān)器件V2構(gòu)成上下橋臂。
[0008] 直流母線側(cè)設(shè)置有電壓傳感器，電壓傳感器檢測直流母線的電壓信息并反饋到微 控制器中。
[0009] 所述的電容C1的容值為100~1000UF。
[0010] -種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器的控制方法，包括以下步驟：
[0011]主回路結(jié)構(gòu)中三相交流電先通過三相整流橋，整流輸出的直流電輸入三相逆變橋 的直流側(cè)，微控制器控制三相逆變橋的功率開關(guān)器件的開關(guān)時間和順序使變頻器處于不同 的工作方式給負(fù)載供電，同時通過控制與電容C1串聯(lián)的功率開關(guān)管D7的關(guān)斷來控制并聯(lián)電 容C1是否接入電路中；微控制器的控制策略包括基于正弦波脈寬調(diào)制的控制方式和直接轉(zhuǎn) 矩控制方式。
[0012] 當(dāng)處于正弦波脈寬調(diào)制的控制方式時，三相逆變橋的上下橋臂交替導(dǎo)通，在橋臂 切換時負(fù)載中的電感會有續(xù)流電流產(chǎn)生，續(xù)流電流流向直流母線導(dǎo)致直流母線產(chǎn)生栗升電 壓；當(dāng)栗升電壓達(dá)到閾值電壓時，微控制器控制功率開關(guān)器件V7導(dǎo)通使電容C1接入電路中， 此時電感的續(xù)流電流流向電容C1;當(dāng)續(xù)流完成后，當(dāng)電容C1兩端電壓大于直流母線的電壓 時，電容C1中儲存的能量會通過二極管VD7回饋到負(fù)載中。
[0013] 正弦波脈寬調(diào)制的控制方式是指以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為 調(diào)制波，以頻率比期望高的等腰三角形作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點(diǎn)確 定逆變器功率開關(guān)器件的通斷時刻，控制逆變橋功率開關(guān)開通使逆變輸出獲得幅值相等、 寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。
[0014] 當(dāng)處于直接轉(zhuǎn)矩控制方式時，三相整流橋的直流輸出側(cè)接入逆變橋的輸入側(cè)，時 刻檢測交流電機(jī)的定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩，并將檢測的結(jié)果與期望值進(jìn)行比較，微控制器通 過比較的結(jié)果選取相應(yīng)的電壓空間矢量進(jìn)而開通三相逆變橋?qū)?yīng)的功率開關(guān)器件，減小定 子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩與期望值的差距;在直接轉(zhuǎn)矩控制有電感的負(fù)載時，電感產(chǎn)生續(xù)流電流 通過逆變橋的開關(guān)器件回流到負(fù)載的內(nèi)部，最終電感儲蓄的能量由內(nèi)部內(nèi)阻消耗。
[0015] 直接轉(zhuǎn)矩的控制方式是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差A(yù) WS的大小和電磁轉(zhuǎn)矩偏差A(yù) 的大小，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶縒s所在的位置，選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁 鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。
[0016] 直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式滯環(huán)控制器對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。
[0017] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
[0018] 本發(fā)明將普通變頻器的直流母線并聯(lián)的大電容換成小的電容并與小電容串聯(lián)一 個有反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)器件。這種拓?fù)湫问讲粌H減小了變頻器的體積而且也可以實(shí) 現(xiàn)變頻器的高性能，減小了變頻器的體積便于變頻器的攜帶運(yùn)輸也降低了成本，與此同時 小電容不容易損壞從而增加了變頻器的壽命。綜上所述，本發(fā)明帶開關(guān)續(xù)流電容拓?fù)湫问?的交直交變頻器不僅具有體積小成本較低壽命長的優(yōu)點(diǎn)，而且在負(fù)載是異步電機(jī)時可以通 過選擇不同的控制策略實(shí)現(xiàn)出系統(tǒng)的高性能。
[0019] 該拓?fù)湎碌淖冾l器三相整流橋輸出的電壓沒有經(jīng)過并聯(lián)電容進(jìn)行濾波穩(wěn)壓，即在 整流輸出時與電容串聯(lián)的功率開關(guān)管沒有開通使電容接入電路。該拓?fù)湫问较碌牟⒙?lián)電容 可以起到交流側(cè)電感續(xù)流的作用，即當(dāng)負(fù)載中有電感且向逆變橋的直流側(cè)有續(xù)流時功率開 關(guān)管會開通使電容接入電路形成續(xù)流回路。
[0020] 進(jìn)一步，在直流母線側(cè)安裝一個電壓傳感器并設(shè)置一個閾值電壓，電壓傳感器時 刻檢測直流母線的電壓，并將檢測電壓大小的信息反饋到微控制器中。當(dāng)負(fù)載中電感向直 流側(cè)續(xù)流時會產(chǎn)生栗升電壓，當(dāng)栗升電壓達(dá)到閾值電壓時微控制器發(fā)出信號觸發(fā)與電容串 聯(lián)的功率開關(guān)管使電容接入電路。
[0021] 本發(fā)明的控制電路中工頻電依次通過三相整流橋和三相逆變橋后給負(fù)載供電，供 電過程電容沒有對整流輸出的直流電有濾波作用，并通過選擇基于正弦波脈寬調(diào)制的控制 方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式實(shí)現(xiàn)變頻器的高性能。當(dāng)負(fù)載中有電感并且向直流母線端有續(xù)流 電流時，會造成直流母線電壓的升高即造成栗升電壓，當(dāng)栗升電壓達(dá)到設(shè)置的閾值電壓時 微控制器會發(fā)出觸發(fā)脈沖觸發(fā)功率開關(guān)管的導(dǎo)通使電容接入電路形成電感的續(xù)流回路。
[0022] 正弦波脈寬調(diào)制是通過控制逆變橋功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)使逆變輸出獲得幅 值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種方法就是正弦波脈寬調(diào)制。本發(fā)明拓?fù)湫问?下，整流電路輸出的直流電沒有經(jīng)過電容的濾波穩(wěn)壓，所以輸出的直流電是波動的。在本發(fā) 明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下使用正弦脈寬調(diào)制的方法控制逆變電路功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)輸出幅值 按正弦規(guī)律變化的交流電。當(dāng)負(fù)載為三相交流電機(jī)時，本發(fā)明結(jié)構(gòu)下利用正弦脈寬調(diào)制的 方法控制逆變橋功率開關(guān)器件的狀態(tài)輸出的交流電與普通變頻器用正弦脈寬調(diào)制的方法 控制輸出的交流電作用效果是相同的。根據(jù)變頻器所接負(fù)載的要求利用微控制器控制逆變 橋每個橋臂的開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，使變頻器的輸出滿足要求。
[0023] 直接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的大小和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的大小，再依據(jù)當(dāng) 前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn) 矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)下由于直流側(cè)輸出電壓是波動的， 所以得到的空間電壓矢量幅值是波動的。但是各個基本電壓矢量作用的時間可以計(jì)算出來 使最終的作用效果與普通變頻器的相同，都達(dá)到了減小定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與期望值差距 的效果。實(shí)現(xiàn)變頻器的高性能。 【【附圖說明】】
[0024] 圖1為普通變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0025]圖2為本發(fā)明一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器主回路結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。
[0026]圖3是附圖2中工頻三相電經(jīng)過整流橋輸出的電壓波形。在不可控整流電路中直流 側(cè)輸出的交流線電壓中最大的一個所以得到了附圖3的電壓波形。
[0027]圖4是在具有波動的直流電Udt作用下輸出的PWM波形。
[0028]圖5是穩(wěn)定直流電Ud作用下輸出的PWM波形。
[0029]圖6是相電壓空間矢量圖。
[0030]圖7是基本的電壓空間矢量圖。
[0031 ] 圖8是兩點(diǎn)式磁鏈滯環(huán)控制器的原理框圖。當(dāng)A W彡ev時，F(xiàn)w=l;當(dāng)A 時， Pv = _l;當(dāng)_￡v〈 A $〈￡^日寸，Pv = 0〇
[0032] 圖9是三點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩雙滯環(huán)控制器的原理框圖。當(dāng)A Te彡eT時，F(xiàn)t= 1;當(dāng)A Te彡_eT時， Ft=_1 ;當(dāng)-￡t〈 a Te〈0,0〈 A Te〈￡T時，F(xiàn)t不變；當(dāng) a Te = 0時，F(xiàn)t = 0。
[0033]圖10是普通變頻器下逆變橋產(chǎn)生基本電壓矢量化電壓幅值圖形。
[0034] 圖11是帶續(xù)流電容的變頻器中逆變橋產(chǎn)生基本電壓矢量< 電壓幅值波形。 【【具體實(shí)施方式】】
[0035] 下面參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0036] 如圖2中，本發(fā)明一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器，將大電容換為小的電容并 與電容串聯(lián)一個反并聯(lián)續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件。工頻三相電先通過三相橋式不可控整 流電路轉(zhuǎn)換為直流電輸出。與整流橋的輸出相連的是三相逆變橋，三相逆變橋由六個并聯(lián) 續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件構(gòu)成六個橋臂，其中開關(guān)器件VI與開關(guān)器件V4構(gòu)成上下橋臂， 開關(guān)器件V3、開關(guān)器件V6構(gòu)成上下橋臂，第五開關(guān)器件V5、第二開關(guān)器件V2構(gòu)成上下橋臂。 整流輸出與逆變橋的輸入并聯(lián)一個電容C1，與C1串聯(lián)一個有反并聯(lián)續(xù)流二極管VD7的功率 開關(guān)器件V7。
[0037]當(dāng)變頻器接入有電感的負(fù)載，三相逆變橋若開通的功率管是VI、V6、V2且三個橋 臂，當(dāng)V1、V6、V2同時關(guān)斷時電感會向直流側(cè)產(chǎn)生續(xù)流電流。續(xù)流電流流向是：負(fù)載電感- VD3、VD5-V7-C1-VD4-負(fù)載電感。電感續(xù)流時間是很短的，在短時間的續(xù)流過程會產(chǎn)生 尖峰脈沖而直流母線并聯(lián)小電容可以起到續(xù)流吸收尖峰脈沖的作用。
[0038]普通變頻器當(dāng)輸入功率為1KW時，并聯(lián)在直流母線的電解電容的大小約為1 OOOuF， 而本發(fā)明在相同輸入功率下完全可以并聯(lián)一個容值只需普通變頻器并聯(lián)電容的十分之一 的電容也就是容值為lOOuF的電容。因此本發(fā)明在減小了變頻器的體積便于變頻器的攜帶 運(yùn)輸也降低了成本，與此同時小電容不容易損壞從而增加了變頻器的壽命。
[0039]主電路結(jié)構(gòu)中三相交流電先通過三相橋式整流橋。整流輸出的直流電輸入三相逆 變橋的直流側(cè)，選擇逆變橋的控制策略利用微控制器MCU控制逆變橋功率開關(guān)器件的開關(guān) 時間和順序使變頻器處于不同的工作方式。
[0040]若負(fù)載中是具有電感的，當(dāng)處于SPWM的控制方式中時，在此種控制方式下逆變橋 的上下橋臂交替導(dǎo)通。即在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€橋臂下面兩 個橋臂，也可能是上面兩個橋臂下面一個橋臂同時導(dǎo)通。在橋臂切換時負(fù)載中的電感會有 續(xù)流電流產(chǎn)生。如當(dāng)開關(guān)器件V1、V2、V3由開通狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)斷，開關(guān)器件V4、V5、V6由關(guān)斷轉(zhuǎn) 為開通時，會有續(xù)流電流流向直流母線導(dǎo)致直流母線產(chǎn)生栗升電壓。當(dāng)栗升電壓達(dá)到閾值 電壓時功率開關(guān)器件V7導(dǎo)通使電容C1接入電路中，此時電感的續(xù)流電流流向電容C1。在續(xù) 流過程續(xù)流路徑是：負(fù)載電感4VD54V7-C14VD4、VD64負(fù)載電感。當(dāng)續(xù)流完成后，當(dāng)電容 兩端電壓大于直流母線的電壓時，電容中儲存的能量會通過二極管VD7回饋到負(fù)載中。
[0041 ]當(dāng)處于直接轉(zhuǎn)矩控制方式時，三相整流橋的直流輸出側(cè)直接入逆變橋的輸入側(cè)。 時刻檢測交流電機(jī)的定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩，并將檢測的結(jié)果與期望值進(jìn)行比較。通過比較 的結(jié)果選取相應(yīng)的電壓空間矢量進(jìn)而開通三相逆變橋?qū)?yīng)的功率開關(guān)器件，減小定子磁鏈 與電磁轉(zhuǎn)矩與期望值的差距。如Fw=1，F(xiàn)t = -1，且磁鏈在第一扇區(qū)時，查表知對應(yīng)的電壓空 間矢量為 <，對應(yīng)圖2開通的功率開關(guān)管是VI、V5、V6。若Fw、Ft的值保持不變，當(dāng)磁鏈旋轉(zhuǎn)到 第二扇區(qū)時相應(yīng)的電壓空間矢量是為，對應(yīng)圖2開通的功率開關(guān)器件是￥1，2、￥6。在開關(guān)器 件的切換過程中負(fù)載電感有續(xù)流電流產(chǎn)生，續(xù)流路徑是:負(fù)載電感-V6-VD2、VD4-負(fù)載電 感?？芍谥苯愚D(zhuǎn)矩控制有電感的負(fù)載時，電感產(chǎn)生續(xù)流電流不會回饋到直流母線而是由 通過逆變橋的開關(guān)器件回流到負(fù)載的內(nèi)部，最終電感儲蓄的能量由內(nèi)部內(nèi)阻消耗。因此在 直接轉(zhuǎn)矩的控制方式下逆變橋的直流側(cè)并聯(lián)的續(xù)流電容沒有接入電路形成續(xù)流回路。
[0042]本發(fā)明以三相交流電源（圖2中A、B、C)供電，在變頻器所接負(fù)載中有電感且向直流 側(cè)續(xù)流產(chǎn)生栗升電壓時并聯(lián)電容才會接入電路，因此并聯(lián)電容沒有對直流電有穩(wěn)壓濾波作 用，整流輸出的直流電是波動的如圖3所示。根據(jù)變頻器所接負(fù)載的要求利用微控制器控制 逆變橋每個橋臂的開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，使變頻器的輸出滿足要求。當(dāng)變頻器接入有電 感的負(fù)載如三相異步電機(jī)，當(dāng)負(fù)載中的電感有續(xù)流電流流向直流母線時，此時需要通過微 控制器控制三相逆變橋直流側(cè)開關(guān)器件V7的開通使電容C1接入電路中此時三相逆變橋直 流側(cè)的電容起到續(xù)流和吸收回饋無功功率的作用。
[0043]本發(fā)明在三相逆變橋的直流側(cè)接入電壓傳感器并設(shè)置一個閾值電壓，若當(dāng)負(fù)載中 有電感且向直流側(cè)續(xù)流時，由于三相整流電路的電路特性使電感的續(xù)流電流不會回饋到電 網(wǎng)中去從而會使直流側(cè)的電壓UEF升高，在U EF的值達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時微控制器MCU會向全控 器件V7發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)V7的導(dǎo)通。V7的導(dǎo)通使電容C1接入到電路中，此時逆變橋交流側(cè) 的電感的續(xù)流電流會流向電容C1將無功功率傳遞到電容中。當(dāng)負(fù)載中的電感不再續(xù)流時， 由于直流母線的電壓是波動的，當(dāng)電容電壓大于直流母線電壓時，電容C1會通過二極管VD7 向交流側(cè)回饋能量。
[0044]當(dāng)負(fù)載為三相異步電機(jī)時，使用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器有兩種控制策略，分別是： [0045] (1)基于正弦波脈寬調(diào)制(spm〇的控制方式
[0046] 以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望高的多的等 腰三角形作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點(diǎn)確定逆變器功率開關(guān)器件的通 斷時刻，這種確定逆變橋功率器件開關(guān)的方法稱作"自然采樣法"，用自然采樣法控制逆變 橋功率開關(guān)開通使逆變輸出獲得幅值相等、寬度安正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種方法就 是正弦波脈寬調(diào)制。
[0047] 在本發(fā)明的變頻器的拓?fù)湫问较氯嗾鳂虻妮敵鍪蔷哂胁▌拥闹绷麟妷喝鐖D3 所示。在具有波動直流電輸入下，三相逆變橋輸出幅值按正弦規(guī)律變化的PWM波形如圖4所 示，在直流母線電壓低的時候輸出HVM的波形的幅值低，在直流母線電壓高的時候輸出PWM 波形的幅值高。在相同工頻三相電輸入下，帶續(xù)流電容變頻器輸出的PWM波形如圖5所示。在 圖4和圖5中找出任意時間點(diǎn)的一個PWM脈沖周期，在圖5的一個脈沖周期中電壓的時間積分 t-bT S -W/f，由于實(shí)際變頻器輸出PWM波形頻率很高，可以認(rèn)為圖4中PWM波形
中的每個脈沖周期正負(fù)脈沖的幅值是相同的，如圖4中所示的一個脈沖周期中電壓的時間積分 WS 民尸I~~Am-，令Si = s2,進(jìn)而得出 'I 在實(shí)際操作中利用上述方法確定圖4中每個脈沖周期^^、^~，然后利用微控制器改變調(diào) 制波使本發(fā)明拓?fù)湫问较螺敵龅腜WM波形每個脈沖周期的^^。^滿足要求。
[0048] 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的關(guān)系近似為 ^ ~ | usdt, r+.r
[0049] 在圖4中一個脈沖周期電壓作用產(chǎn)生的磁鏈?zhǔn)噶垮?、jV/，//:，在圖5中磁鏈?zhǔn)?t t+T 量免，= >,聲，由& = &易得中S1 =中通過微控制器的控制可使本發(fā)明拓?fù)湫问较?t 變頻輸出PWM波形每個脈沖周期電壓產(chǎn)生磁鏈的效果與普通變頻器輸出PWM波形產(chǎn)生的效 果相同，進(jìn)而使兩種拓?fù)湫问较伦饔秒姍C(jī)的總體效果是一樣的。
[0050] (2)直接轉(zhuǎn)矩控制方式
[0051] 直接轉(zhuǎn)矩的控制方式的基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差A(yù) WS的大小和電磁轉(zhuǎn) 矩偏差A(yù) 的大小，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶縒S所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢 量，減小定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制 采用兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式滯環(huán)控制器對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。
[0052] 考慮交流電機(jī)繞組的空間位置，可以定義三個定子相電壓的空間矢量如圖6所示。 在普通的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，由逆變橋開關(guān)器件的八種開關(guān)狀態(tài)可得到八種基本的空間矢 量:ii。~如圖7所不，其中有效工作矢量是4~，而電壓矢量<、為零矢量。
[0053] 在電機(jī)運(yùn)行時時刻檢測電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子的磁鏈并將檢測值與期望值進(jìn)行 比較。如圖8所示為兩點(diǎn)式磁鏈滯環(huán)控制器，w為控制器的帶寬。當(dāng)A W彡師時，F(xiàn)w= 1，選擇 相應(yīng)的電壓矢量使Ws增加；當(dāng)A 時，F(xiàn)w=_l，選擇相應(yīng)的電壓矢量使WS減??；當(dāng) 〈A 時，F(xiàn)w = 0,保持原來的電壓矢量不變。圖9為三點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器，eT為控制器 的帶寬。當(dāng)A Te彡eT時，F(xiàn)t = 1，選擇相應(yīng)的電壓矢量使Te增加；當(dāng)A K_eT時，F(xiàn)t = -1，選擇 相應(yīng)的電壓矢量使TV咸??；當(dāng)_eT〈 A TX0，0〈 A TXet時，F(xiàn)t不變，保持原來的電壓矢量不變； 當(dāng)A Te = 0時，F(xiàn)t = 0，選擇相應(yīng)的電壓矢量使轉(zhuǎn)矩保持不變。根據(jù)Fw、Ft的值用查表法選取 電壓空間矢量，零矢量按照開關(guān)損耗最小的原則選取。
[0054] 當(dāng)定子磁鏈位于第一扇區(qū)時，若此時!^=1、？1=1，則根據(jù)查表可知應(yīng)該選取的空 間電壓矢量為七，此時對應(yīng)三相逆變橋開通的功率開關(guān)器件是VI、V2、V3。當(dāng)磁鏈旋轉(zhuǎn)到第 二扇區(qū)時，若Fw = 1、FT= 1，查表可得則對應(yīng)的電壓空間矢量是義，此時對應(yīng)三相逆變橋開 通的功率開關(guān)器件是￥2、￥3、￥4。選取的空間電壓矢量從1^轉(zhuǎn)換到々 3時，逆變橋功率開關(guān)器 件導(dǎo)通的狀態(tài)也發(fā)生了變化。如圖2有上述在功率管VI關(guān)斷V4導(dǎo)通時，電機(jī)中電感會有續(xù)流 電流產(chǎn)生，續(xù)流電流的流通路徑是：負(fù)載4V2-VD4、VD6-負(fù)載。由上述續(xù)流電流的路徑可 知利用直接轉(zhuǎn)矩控制三相異步電機(jī)時，電機(jī)的內(nèi)部的電感的續(xù)流不會回饋到直流母線側(cè)產(chǎn) 生栗升電壓，電感中儲存的能量最終由電機(jī)內(nèi)阻消耗。在這種控制策略下并聯(lián)在直流側(cè)的 電容不會接入電路起到續(xù)流作用。
[0055] 在本發(fā)明結(jié)構(gòu)下的變頻器由于直流母線電壓是波動的，所以由逆變器八種開關(guān)狀 態(tài)得到的八種基本空間電壓矢量的幅值大小是波動的。以電壓空間矢量&為例，帶續(xù)流電 容變頻器逆變橋輸出得到的
，而帶開關(guān)續(xù)流電容變頻器逆變橋輸出的
，k為整數(shù)。其中udt的 波形和圖3的電壓波形是相同的。
[0056]義的幅值波形如圖10所示，在直接轉(zhuǎn)矩控制時若選擇的空間電壓矢量:化作用的時 間為Ti，在產(chǎn)生相同的作用效果下選擇電壓矢量< 作用時間為T2如圖11所示。在圖10中化作 用下產(chǎn)生的磁鏈大小
，在圖11中<作用下產(chǎn)生的磁鏈大小
，可得T2,利用上述方法利用微控制器控制所選 擇的在直流電壓Ud t輸入下逆變橋輸出的空間電壓矢量作用時間。從而確定和電壓矢量6,作 用效果相同空間電壓矢量％所作用的時間。
[0057]通過上述描述，帶開關(guān)續(xù)流電容變頻器仍然可以使用直接轉(zhuǎn)矩控制的策略，實(shí)時 監(jiān)測電機(jī)定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩并與期望值進(jìn)行比較，再根據(jù)比較的結(jié)果選擇合適的空間電 壓矢量，使定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩與期望值差距減小。由于本發(fā)明拓?fù)湫问较碌男纬傻幕?空間電壓矢量的幅值是變動的，但是各個基本電壓矢量作用的時間可以計(jì)算出來使最終的 作用效果與普通變頻器的相同，都達(dá)到了減小定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與期望值差距的效果。 綜上所述，帶開關(guān)續(xù)流電容結(jié)構(gòu)的變頻器也可以使用直接轉(zhuǎn)矩控制。
[0058]由上可知，基于正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)的控制方式中，在直流側(cè)電壓是Udt時，通過 比較計(jì)算得到每個脈沖周期正向脈沖和反向脈沖的作用時間使在每個脈沖周期脈沖電壓 產(chǎn)生的磁鏈效果與當(dāng)直流側(cè)電壓是Ud作用時對應(yīng)每個脈沖周期脈沖電壓的作用效果相同。 在使用直接轉(zhuǎn)矩控制的方式中，時刻檢測電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈并與并分別與各自期望的值 進(jìn)行比較。根據(jù)比較的結(jié)果選取合適的電壓空間矢量對電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而 提尚了系統(tǒng)的性能。
[0059]綜上所述，本發(fā)明帶開關(guān)續(xù)流電容拓?fù)湫问降慕恢苯蛔冾l器不僅具有體積小成本 較低壽命長的優(yōu)點(diǎn)，而且在負(fù)載是異步電機(jī)時可以通過選擇不同的控制策略實(shí)現(xiàn)出系統(tǒng)的 生會
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器，其特征在于:包括三相整流橋、電容Cl、三相 逆變橋和微控制器;所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進(jìn)線端通過直流母線連接， 所述的電容Cl并聯(lián)在直流母線上，電容支路上設(shè)置有與電容Cl串聯(lián)的帶有反并聯(lián)二極管V7 的功率開關(guān)器件D7;三相整流橋的進(jìn)線端、三相逆變橋的出線端分別與電網(wǎng)和負(fù)載連接形 成主回路;所述的微控制器與功率開關(guān)器件D7及三相逆變橋的功率開關(guān)器件均連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器，其特征在于:三相逆變 橋由六個并聯(lián)續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件構(gòu)成六個橋臂，其中開關(guān)器件Vl與開關(guān)器件V4構(gòu) 成上下橋臂，開關(guān)器件V3、開關(guān)器件V6構(gòu)成上下橋臂，第五開關(guān)器件V5、第二開關(guān)器件V2構(gòu) 成上下橋臂。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器，其特征在于:直流母線 側(cè)設(shè)置有電壓傳感器，電壓傳感器檢測直流母線的電壓信息并反饋到微控制器中。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器，其特征在于:所述的電 容Cl的容值為100~lOOOuF。5. -種基于權(quán)利要求1所述的帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在 于:包括以下步驟： 主回路結(jié)構(gòu)中三相交流電先通過三相整流橋，整流輸出的直流電輸入三相逆變橋的直 流側(cè)，微控制器控制三相逆變橋的功率開關(guān)器件的開關(guān)時間和順序使變頻器處于不同的工 作方式給負(fù)載供電，同時通過控制與電容Cl串聯(lián)的功率開關(guān)管D7的關(guān)斷來控制并聯(lián)電容Cl 是否接入電路中；微控制器的控制策略包括基于正弦波脈寬調(diào)制的控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控 制方式。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 當(dāng)處于正弦波脈寬調(diào)制的控制方式時，三相逆變橋的上下橋臂交替導(dǎo)通，在橋臂切換 時負(fù)載中的電感會有續(xù)流電流產(chǎn)生，續(xù)流電流流向直流母線導(dǎo)致直流母線產(chǎn)生栗升電壓； 當(dāng)栗升電壓達(dá)到閾值電壓時，微控制器控制功率開關(guān)器件V7導(dǎo)通使電容Cl接入電路中，此 時電感的續(xù)流電流流向電容Cl;當(dāng)續(xù)流完成后，當(dāng)電容Cl兩端電壓大于直流母線的電壓時， 電容Cl中儲存的能量會通過二極管VD7回饋到負(fù)載中。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 正弦波脈寬調(diào)制的控制方式是指以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制 波，以頻率比期望高的等腰三角形作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點(diǎn)確定逆 變器功率開關(guān)器件的通斷時刻，控制逆變橋功率開關(guān)開通使逆變輸出獲得幅值相等、寬度 按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 當(dāng)處于直接轉(zhuǎn)矩控制方式時，三相整流橋的直流輸出側(cè)接入逆變橋的輸入側(cè)，時刻檢 測交流電機(jī)的定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩，并將檢測的結(jié)果與期望值進(jìn)行比較，微控制器通過比 較的結(jié)果選取相應(yīng)的電壓空間矢量進(jìn)而開通三相逆變橋?qū)?yīng)的功率開關(guān)器件，減小定子磁 鏈與電磁轉(zhuǎn)矩與期望值的差距;在直接轉(zhuǎn)矩控制有電感的負(fù)載時，電感產(chǎn)生續(xù)流電流通過 逆變橋的開關(guān)器件回流到負(fù)載的內(nèi)部，最終電感儲蓄的能量由內(nèi)部內(nèi)阻消耗。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 直接轉(zhuǎn)矩的控制方式是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差A(yù) Ψ5的大小和電磁轉(zhuǎn)矩偏差△ Te3的大 小，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅 值和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶開關(guān)續(xù)流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式滯環(huán)控制器對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。
【文檔編號】H02M7/5387GK105958836SQ201610505248
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】段明亮, 榮為青, 高澤宇, 李鳴, 吳輝, 賈娟娟, 孟彥京, 董保勝
【申請人】陜西科技大學(xué), 陜西和創(chuàng)自動化工程有限公司