专利名称：采用pwm脉宽调制同步切换的电压型变频调速系统及其方法
技术领域：
本发明属于电力电子与交流传动技术领域，特别是提供了一种采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速系统及其方法。
背景技术：
电压型变频调速系统一般由控制系统、主回路和调速对象三部分组成。控制系统一般是以DSP数字信号处理芯片为核心的数字控制系统；主回路一般是由电力电子开关器件组成的功率传递通路；调速对象一般是由各种电机组成的机电系统。电压型变频调速系统的构成如图1所示。
在控制系统中可以采用多种调制方法(比如正弦电压脉宽调制法、空间矢量调制方法、特定谐波消除法等)来控制主回路开关器件的动作，从而调节调速对象的运动行为。在各种调制方法中均存在一个载波比P的概念。比如在正弦电压脉宽调制法中，载波比P等于载波频率fc与调制频率fr之比，即P＝fc/fr。根据P与载波频率fc和调制频率fr的关系，可以有三种调制方式，即同步调制、异步调制和分段同步调制。
同步调制是指载波信号和调制信号保持同步关系的调制方式。同步调制方式中调制频率fr变化时，载波频率fc随之变化，P保持为常数。这种方式下，当变流器在高频运行半周期内脉冲个数合适时，在低频运行时，半周期内脉冲数就显少，达不到低频运行消除更多高次谐波的要求。
异步调制是指载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式。异步调制方式中调制频率fr变化时，载波频率fc保持不变，P为变数。这种方式下，在输出频率降低时，输出电压半周期内的脉冲数增加，能减少脉动转矩，改善运行性能。但是，另一方面P为变数，经常不是整数，致使三相输出电压不对称，引起交流电机运行不稳定。
分段同步调制综合同步调制和异步调制两者的优点，将输出频率分为几段，各段内P为常数(低频时亦可设置异步方式工作段)，各段之间P变化，随输出频率降低P增大，这样就满足了低频时改善运行性能的要求。图2为传统的分段同步方法载波比切换示意图。
传统的同步切换方法在载波比切换时采用载波比直接切换的方法，这会造成在切换时输出电压的紊乱，导致电机运行状态不稳定，容易出现电流冲击现象。
本发明的目的是提供一种采用新型PWM脉宽调制同步切换方法的电压型变频调速系统其方法，主要是加入了一个载波比平滑切换器。载波比平滑切换器可以自动的调节调速系统在整个输出频率范围内的载波比，彻底解决载波比切换过程中电流冲击的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速系统及其方法，主要是加入了一个载波比平滑切换器。载波比平滑切换器可以自动的调节调速系统整个输出频率范围内的载波比，彻底解决载波比切换过程中电流冲击的问题。
本发明的系统包括控制系统、主回路和调速对象三部分。控制系统硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式。控制系统硬件亦可换成由其它类似DSP数字信号处理芯片如TMS320LF2407A等构成的控制板，软件亦可采用正弦电压脉宽调制、特定谐波消除法等其它调制方式。主回路包括整流部分和逆变部分。整流部分采用二极管桥式整流，逆变部分采用由IPM构成的三电平中点箝位式拓扑结构。整流部分亦可换成可控整流或者PWM整流等，而逆变部分亦可采用两电平或者其它多电平拓扑结构，开关器件亦不局限于IPM器件。调速对象为一台3Kw的四极绕线式异步电机，额定电压380V。调速对象不局限于异步电机，亦可为同步电机。
图3为采用传统同步切换方法系统的控制系统开环运行时的结构图。图4为采用新型同步切换方法系统的控制系统开环运行时的结构图。两系统都是根据给定输出频率f得到当前载波比P，由载波比P得到当前电压空间矢量电角度θ的积分步长Δθ，然后通过积分得到当前电压空间矢量的电角度θ。结合电压空间矢量模长给定|Vref|和电压空间矢量电角度θ，通过空间矢量调制算法SVPWM可以得出12个开关器件的动作状态。比较两控制系统开环运行图可发现，新型同步切换算法与传统同步切换算法的不同在于，新型同步切换算法没有把载波比切换后的载波比给定P*直接作为当前的载波比输出，而是增加了一个载波比平滑切换器。载波比平滑切换器利用变频器载波比给定P*和系统上个采样周期的载波比P做差，然后输入一个PI调节器，调节器输出作为当前的载波比P输出。此环节消除了传统同步切换方法在载波比切换时载波比突变的弊端，实现了载波比的逐渐过渡，消除了电流冲击问题的根源，彻底解决了电流冲击的问题。
优点在于采用传统的PWM脉宽调制同步切换方法的电压型变频调速系统在载波比切换时存在电流冲击现象，而采用新型PWM脉宽调制同步切换方法的电压型变频调速系统由于增加了一个载波比平滑切换器，实现了载波比的渐变，消除了电流冲击问题的根源，彻底解决了电流冲击的问题。该载波比平滑切换器具有结构简单、调整参数少、容易实现等优点。
图1为电压型变频调速系统的构成。其中，控制系统1、主回路2、调速对象3。
图2为传统同步切换方法下载波频率fc与调制频率fr的关系。
图3为采用传统同步切换方法的控制系统开环运行的结构图。
图4为采用本发明同步切换方法的控制系统开环运行的结构图。
图5为本发明同步切换方法下载波频率fc与调制频率fr的关系。
图6为采用传统同步切换方法的载波比切换时的电流冲击现象。3通道为传统同步切换方式下载波比切换时定子电流冲击电流波形图7为采用本发明同步切换方法的载波比切换时的电流波形。电机整个启动过程中定子电流波形，下部波形为载波比切换时定子电流波形放大图。
具体实施例方式
图1、图4、图5、图7为本发明的具体实施方式
。
如图1所示，本发明包括控制系统、主回路和调速对象三部分。控制系统硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式。主回路采用二极管整流和由IPM组成的三电平中点箝位式逆变拓扑结构。调速对象为一台3Kw的四极异步电机，额定电压380V。
图4为采用新型同步切换方法系统的控制系统开环运行的结构图。根据给定输出频率f得到当前载波比给定P*，利用变频器载波比给定P*和上个采样周期的载波比P做差，然后输入一个PI调节器，调节器输出作为当前的载波比输出P。由当前载波比P得到当前电压空间矢量电角度θ的积分步长Δθ，然后通过积分得到当前电压空间矢量的电角度θ。结合电压空间矢量模长给定|Vref|和电压空间矢量电角度θ，通过空间矢量调制算法SVPWM可以得出12个开关器件的动作状态。
图5为采用新型同步切换方法下载波频率fc与调制频率fr的关系。
图6为采用传统同步切换方法的系统在载波比切换时的定子电流冲击现象。实验条件为整流测母线电压560V，电机转子绕组直接短路，电机带直流发电机为负载，负载电阻5.8欧姆，发电机为它励式，励磁电压150V，切换前后载波比为36和6，切换时调制波频率fr为30Hz。可以看出切换后最大电流冲击约为切换前最大电流的2.5倍。
图7为采用本发明同步切换方法的系统在载波比切换时的定子电流波形，实验条件同上，可以看到切换后最大电流与切换前最大电流基本相等。可见采用同步切换方法的系统的确可以彻底解决载波比切换过程中电机电流冲击的问题。
权利要求
1.一种采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速系统，其特征在于此系统包括控制系统、主回路和调速对象三部分；控制系统硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式；主回路包括整流部分和逆变部分，整流部分采用二极管桥式整流，逆变部分采用由IPM构成的三电平中点箝位式拓扑结构；调速对象为一台3Kw的四极绕线式异步电机，额定电压380V。
2.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于控制系统硬件采用类似DSP数字信号处理芯片TMS320LF2407A构成的控制板，软件采用正弦电压脉宽调制或特定谐波消除法调制方式。
3.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于整流部分采用可控整流或者PWM整流，逆变部分采用两电平或者多电平拓扑结构。
4.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于调速对象为同步电机。
5.一种采用权利要求1所述控制系统的脉宽调制同步切换方法，其特征在于根据给定输出频率f得到当前载波比给定P*，利用变频器载波比给定P*和上个采样周期的载波比P做差，然后输入一个PI调节器，调节器输出作为当前的载波比输出P，由当前载波比P得到当前电压空间矢量电角度θ的积分步长Δθ，然后通过积分得到当前电压空间矢量的电角度θ，结合电压空间矢量模长给定|Vref|和电压空间矢量电角度θ，通过空间矢量调制算法SVPWM可以得出12个开关器件的动作状态。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于载波比平滑切换器，载波比平滑切换器利用变频器载波比给定P*和系统上个采样周期的载波比P做差，然后输入一个PI调节器，调节器输出作为当前的载波比P输出。
全文摘要
一种采用PWM脉宽调制同步切换的电压型变频调速系统极其方法，属于电力电子与交流传动领域。此系统包括控制系统、主回路和调速对象三部分。控制系统硬件由以DSP数字信号处理芯片TMS320F2812为核心的控制板、光纤信号发送板和功率器件触发板组成，软件采用空间矢量PWM脉宽调制的方式。主回路采用二极管整流和由IPM组成的三电平中点箝位式逆变拓扑结构。调速对象为一台3Kw的四极异步电机，额定电压380V。本发明的优点在于采用本发明由于增加了一个载波比平滑切换器，实现了载波比的渐变，消除了电流冲击问题的根源，彻底解决了电流冲击的问题。该载波比平滑切换器具有结构简单、调整参数少、容易实现。
文档编号H02P27/08GK1925314SQ20061011291
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月12日 优先权日2006年9月12日
发明者绳伟辉, 李崇坚, 朱春毅, 王成胜, 段薇, 赵小坦 申请人:冶金自动化研究设计院, 北京金自天正智能控制股份有限公司