专利名称：基于α－β电流分量直接注入的高压变频调速方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及变频调速技术，尤其涉及一种基于α-β电流分量直接注入的高压变频调速方法及其装置。
背景技术：
随着现代工业的飞速发展，电动机已经成为各工矿企业的主要动力，在冶金、钢铁、化工、水处理等行业，由于需要拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械设备，电动机已成为不可替代的主要动力源。随着电力电子技术的飞速发展，各种高性能变频器也越来越得到电动机用户的广泛认可，因此，现代传动系统主要由“变频调速系统一电动机-工作机械”组成，逐步取代了传统的“电动机-工作机械”组成的传动系统。变频器的引入，极大的改善了电动机的控制性能，主要表现在以下几个方面一、使传动系统能进行持续的、广泛的变速运转，具有非常明显的节能效果；二、使电动机能实行软启动和快速的电气制动；三、能明显减小电机对电网的谐波污染；四、提高了电动机的使用寿命。因此，变频器的性能好坏将直接影响电机的动力输出性能，也将直接影响现代工业生产中产品的质量。令人欣慰的是，随着新一代电力电子器件和高性能微处理器的推出，以及精确的电机模型和各种先进的控制策略的提出，交流调速系统的控制性能已经越来越高，甚至有取代直流调速系统的可能。
在实际运用中，常用三相逆变电路作为变频调速逆变部分的主电路，如果死区设置不当，容易在三相桥臂间形成电流回路或造成短路。另外，也容易造成逆变器输出的三相不平衡，使得电机产生脉动转矩，不仅对电机有很大的危害，而且影响调速的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于α-β电流分量直接注入的高压变频调速方法及其装置。该装置是一种新型的高压变频器主电路拓扑结构，可避免三相逆变器输出三相电压不平衡造成电机的转矩脉动，损害电机并且影响调速性能。
本发明的目的是这样实现的由两个单相逆变器组构建三相变频调速方式，该变频调速控制算法基于电机的矢量控制方法，基本思路是从坐标变换原理出发，推导出电流源电路的坐标变换模型，并将其引入至三相逆变装置，构成新型高压变频调速装置。①引入“等量”坐标变换原理；②运用三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止垂直坐标系(α，β)的变换方法推导出三相电流源模型对应的两相模型，将给定的转矩电流分量和励磁电流分量经Park逆变换，即两相旋转直角坐标系向两相静止坐标系的变换，得到iα，iβ电流分量参考值；通过控制两相逆变器组即可控制其输出电流iα和iβ，再经变压器完成Clarke逆变换即可实现电机的矢量控制；逆变部分采用两相逆变器组经变压器构建了三相逆变器的模型。
运用Clarke克拉克逆变换的方法是，将这个两相的电流源变换为三相电流源，输出三相电流完成对电机的控制。具体变换过程是用两相电流源的电流矩阵乘以三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换矩阵MT。运用变压器电磁比例关系，通过适当设置其变压器的变比，完成三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换。变压器在这个过程中作为反变换矩阵MT使用。此种拓扑结构直接采用两个逆变器组完成三相逆变器组的功能。
本装置的工作原理是该变频调速控制算法基于电机的矢量控制原理，先将给定的转矩电流分量和励磁电流分量经Park逆变换，即两相旋转直角坐标系向两相静止坐标系的变换，得到iα，iβ电流分量参考值，因此，只要控制两相逆变器组输出相应的电流iα和iβ，此电流分量分别由第1逆变器组3.1、第2逆变器组3.2输出，可以将此看作为两相电流源，运用Clarke逆变换，即可以将此两相的电流源变换为三相电流源，输出对称三相电流完成对电机的控制。具体变换过程是用两相电流源的电流矩阵乘以三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换矩阵MT。在图4中，运用了变压器电磁比例关系，通过适当设置其变压器的变比，完成三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换。变压器在这个过程中作为反变换矩阵MT使用。这种拓扑结构直接采用两个逆变器组完成三相逆变器组的功能，避免了三相逆变器的相互影响及输出电压的不平衡带来的危害。
在实际运用中，本装置还要配合相应的控制电路联合工作。控制电路包括指令电流运算电路、电流跟踪控制电路和驱动电路。这三个电路联合为本装置提供控制信号，本装置在其控制下输出相应电流完成对电机的矢量控制。对上述三个电路部分将另案申请。
本发明具有以下优点和积极效果①控制逆变器承受的电压uα、uβ与所发出的电流iαf、iβf相位相差90°，见图3，使逆变器与系统不交换有功功率，避免了逆变器与系统的相互影响。
②运用单相逆变器实现主电路，有利于实现多电平技术，使此结构更有利于应用于高电压大功率场合。
③本发明可较好地解决三相逆变器组输出电压不平衡的问题，避免脉动转矩的影响，使调速性能得到进一步的提高。
本发明适用于高电压、大功率的变频调速场合。
图1a为电压源型单相桥式逆变器电路图；图1b为电压源型三相逆变器连接三角形负载图；图2为坐标系(α，β)与坐标系(a，b，c)的向量关系图；图3为经变压器2完成2/3变换后的电压电流矢量图；图4为本装置的主电路结构图；其中1-异步电机；2-变压器，包括2.1-第1变压器，2.2-第2变压器，2.3-第3变压器；3-逆变器组，包括3.1-第1逆变器组，3.2-第2逆变器组。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
1、基于该新型装置的变频调速控制方法包括下列步骤①引入“等量”坐标变换原理下面以电流向量i为例，解释坐标变换原理，如图2所示。
若电流向量I与α轴间相角为θ，则I在α、β轴上投影和电流向量I在a、b、c三轴上的投影满足iαiβ=231-12-120-3232iaibic=Miaibic---(1)]]>其中，M为坐标系(a，b，c)到坐标系(α，β)的变换矩阵。反之，也可以将静止的两相坐标系(α，β)等效地变为三相坐标系(a，b，c)。同样以电流为例，写成矩阵形式为iaibic=2310-12-32-1232iαiβ=MTiαiβ---(4)]]>其中，MT为变换矩阵M的转置矩阵。
②运用三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止垂直坐标系(α，β)的变换原理推导出三相电流源模型对应的两相模型设三相交流电流源Iabc为
式中0——电流初始相位角；im——Iabc峰值。
经坐标变换后得 式中M——坐标系(a，b，c)到坐标系(α，β)的变换矩阵；im——Iαβ0峰值；i0——三相电流零轴分量。
③根据电流源变换模型，采用两相单相逆变器组构建新型三相变频调速模型该变频调速控制算法基于电机的矢量控制原理，先将给定的转矩电流分量和励磁电流分量经Park逆变换，即两相旋转直角坐标系向两相静止坐标系的变换，得到iα，iβ电流分量，因此，只要控制两相逆变器组输出iα和iβ，再经变压器2完成Clarke逆变换即可实现电机的矢量控制。与传统高压变频器所不同的是，逆变部分采用两相逆变器组经变压器2构建了三相逆变器的模型。
基于该新型高压变频调速模型的装置1、采用如图1a所示的电压源型单相桥式逆变器作为两个逆变器组所要串联的逆变单元；2、运用两组单相逆变器组构建三相逆变器的主电路，如图4所示，由电机1、变压器2、逆变器组3组成；第1变压器2.1和第2变压器2.2的原边串联后与第2逆变器组3.2的原边连接；第3变压器2.3的原边与第1逆变器组3.1的原边连接；第1变压器2.1、第2变压器2.2、第3变压器2.3的副边采用三角形连接后，分别接电机1的A、B、C相；所述的第1逆变器组3.1、第2逆变器组3.2均由N个(N为1到20的自然数，具体数目视具体情况而定)单相逆变器串联而成。
3、所述的第1变压器2.1、第2变压器2.2、第3变压器2.3其原边与副边的变比分别为n1∶N1＝2∶1、n2∶N2＝2∶1、n3∶N3＝2∶；经仿真试验验证采用这种比例设置，能保证各三相电压、电流向量的幅值、相位三相条件(幅值相等，相位分别相差120°)。当然，根据使用需要还可以设置其它变比值。不过，需要注意隔离的问题，避免变压器间的相互影响。
4、本装置是运用变压器直接实现等效变换原理的一种实现方式，在这种由硬件实现的等效变换引入变频调速器的原理下，还可以采用多种方式实现这种等效变换的原理。例如，改变变压器的选择或连接方式的变化、改变电流输出点的连接方式等。
5、另外，本装置采用了级联式多电平逆变技术，在实际运用中还可以采取其它不同的方式，例如二极管箝位逆变器、电容箝位逆变器等。根据多电平逆变实现方式的不同还应适当选择调制方式来更好的实现逆变效果。
逆变器组所串联的每个逆变器单元均为电压源型单相桥式逆变电路，如图1a所示即为逆变器组所串联的单相逆变器单元拓扑结构图(逆变器组所串联的单相逆变器单元结构图)，亦即逆变器组由N个图1a所示的单元串联组成。VD/2是指逆变器输入直流电压的一半。
图4中是逆变器组由多个逆变器单元串联而成的结构图，只画出了逆变器1和逆变器N，表示从逆变器1到逆变器N的意思，因为N的具体值应根据具体情况而定，所以不便于全部画出。
权利要求
1.一种基于α-β电流分量直接注入的变频调速方法，其特征在于由两个单相逆变器组构建三相逆变器实现电机的变频调速，该变频调速控制的实现算法基于电机的矢量控制，其实现过程如下①引入“等量”坐标变换原理；②运用三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止垂直坐标系(α，β)的变换方法推导出三相电流源模型对应的两相模型，将给定的转矩电流分量和励磁电流分量经Park逆变换，即两相旋转直角坐标系向两相静止坐标系的变换，得到iα，iβ电流分量参考值，通过控制两相逆变器组即可控制其输出电流iα和iβ，再经变压器完成Clarke逆变换即可实现电机的矢量控制；逆变部分采用两相逆变器组经变压器构建了三相逆变器。
2.根据权利要求所述的基于α-β电流分量直接注入的变频调速方法，其特征在于运用Clarke逆变换的方法是，将两相电流源变换为三相电流源，输出三相电流完成对电机的控制用两相电流源的电流矩阵乘以三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换矩阵MT，再运用变压器电磁比例关系，通过适当设置其变压器的变比，完成三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换。变压器在这个过程中作为反变换矩阵MT使用。此种拓扑结构直接采用两个逆变器组完成三相逆变器组的功能。
3.基于α-β电流分量直接注入的变频调速装置，由异步电机(1)、变压器(2)、逆变器组(3)组成；其特征是设有二个逆变器组和三个变压器，其中第1变压器(2.1)和第2变压器(2.2)的原边串联后与第2逆变器组(3.2)的输出端连接；第3变压器(2.3)的原边与第1逆变器组(3.1)的输出端连接；第1变压器(2.1)、第2变压器(2.2)、第3变压器(2.3)的副边或次级采用三角形连接后，分别连接电机(1)的A、B、C相定子接线端；所述的第1逆变器组(3.1)、第2逆变器组(3.2)均由1-20个逆变器串联而成，串联逆变器的数量视具体情况而定。
4.按权利要求3所述的高压变频调速装置，其特征在于第1逆变器组(3.1)、第2逆变器组(3.2)均由多个逆变器串联而成，串联逆变器的数量视具体情况而定。
5.按权利要求3所述的高压变频调速装置，其特征在于第1变压器(2.1)、第2变压器(2.2)、第3变压器(2.3)其原边与副边的变比分别为n1∶N1＝2∶1、n2∶N2＝2∶1、n3∶N3＝2∶。
6.按权利要求3所述的高压变频调速装置，其特征在于逆变器组所串联的每个逆变器单元均为电压源型单相桥式逆变电路，如图1a所示即为逆变器组所串联的单相逆变器单元拓扑结构图。
全文摘要
本发明公开了基于α－β电流分量直接注入的变频调速方法，由两个单相逆变器组构建三相逆变器实现电机的变频调速，该变频调速控制的实现算法基于电机的矢量控制，其实现过程如下①引入“等量”坐标变换原理；②运用三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止垂直坐标系(α，β)的变换方法推导出三相电流源模型对应的两相模型，将给定的转矩电流分量和励磁电流分量经Park逆变换，即两相旋转直角坐标系向两相静止坐标系的变换，得到i
文档编号H02P23/04GK1889359SQ20061008828
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者查晓明, 陶桂洪 申请人:南京同步科技有限公司