一种三相变频器及变频控制方法与流程

本发明涉及变频控制领域，特别涉及一种三相变频器及变频控制方法。

背景技术：

变频技术是一种把直流电逆变成不同频率的交流电的转换技术。它可把交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电后再把交流电变成直流电，变频过程只有频率、电压幅值及电能形式的变化，而没有电能的变化。对三相电源进行变频的装置成为三相变频器，三相变频器主要用于控制负载电机，对电机进行调速及软启动，以实现无极调速、节能及减少硬启动对机械设备的造成的损伤。而现有的三相变频器功能单一，一般只能实现变频的功能，无法实现变压，也不具有故障隔离的功能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三相变频器及变频控制方法，以实现三相变频器的变压及故障隔离功能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三相变频器，所述变频器包括三相整流电路、dc-dc变换电路、三相逆变电路和变频控制电路；

所述三相整流电路分别与三相交流电源和dc-dc变换电路连接，所述三相整流电路用于将所述三相交流电源输出的三相交流电整流成高压直流电，并将所述高压直流电输出给所述dc-dc变换电路；

所述dc-dc变换电路具有对称性结构，所述dc-dc变换电路分别与所述三相整流电路和所述三相逆变电路连接，所述dc-dc变换电路用于将所述高压直流电转换成低压直流电，并将所述低压直流电输出给所述三相逆变电路；

所述三相逆变电路用于将所述低压直流电逆变成预设频率的三相交流电；

所述变频控制电路与所述三相逆变电路的控制端连接，所述变频控制电路用于对所述三相逆变电路进行变频控制。

可选的，所述dc-dc变换电路包括dc-ac变换电路、变压器和ac-dc变换电路；

所述dc-ac变换电路分别与所述三相整流电路和所述变压器连接，所述dc-ac变换电路用于将所述三相整流电路整流得到的高压直流电转换成高压高频交流电，并将所述高压高频交流电输出给所述变压器；

所述变压器还与所述ac-dc变换电路连接，所述变压器用于将所述高压高频交流电变换成低压高频交流电，并将所述低压高频交流电输出给ac-dc变换电路；

所述ac-dc变换电路与所述三相逆变电路连接，所述ac-dc变换电路用于将所述低压高频交流电转换成低压直流电，并将所述低压直流电输出给所述三相逆变电路。

可选的，所述ac-dc变换电路包括第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管和第四绝缘栅双极晶体管；

所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体连接成第一单相h桥；

所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体分别并联有第一电容、第二电容、第三电容和第四电容。

可选的，所述dc-ac变换电路包括第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管、第七绝缘栅双极晶体管和第八绝缘栅双极晶体管；

所述第五绝缘栅双极晶体管、所述第六绝缘栅双极晶体管、所述第七绝缘栅双极晶体管和所述第八绝缘栅双极晶体连接成第二单相h桥；

所述第五绝缘栅双极晶体管、所述第六绝缘栅双极晶体管、所述第七绝缘栅双极晶体管和所述第八绝缘栅双极晶体分别并联有第五电容、第六电容、第七电容和第八电容。

可选的，所述变频控制电路包括电流传感器、转速传感器和控制器；

所述三相逆变电路的输出端与负载电机连接；

所述电流传感器与所述控制器连接，所述电流传感器用于获取所述负载电机的三相定子电压和三相定子电流，并将所述三相定子电压和所述三相定子电流输出给所述控制器；

所述转速传感器与所述控制器连接，所述转速传感器用于获取所述负载电机的转速信号，并将所述转速信号输出给所述控制器；

所述控制器与所述三相逆变电路的控制端连接，所述控制器用于根据所述三相定子电压、所述三相定子电流和所述转速信号对所述三相逆变电路进行变频控制，以控制所述负载电机的转速。

可选的，所述控制器包括dsp单片机和fpga单片机组成的双cpu控制核心板、fpga驱动板、光电转换板、igbt驱动板、ad数据采集板；

所述ad数据采集板分别与所述电流传感器、所述转速传感器和所述双cpu控制核心板连接，所述ad采集板用于将所述三相定子电压、所述三相电子电流和所述转速信号转换成数字反馈信号，并将所述数字反馈信号输出给所述双cpu控制核心板；

所述双cpu控制核心板与所述fpga驱动板连接，所述双cpu控制核心板用于根据所述数字反馈信号及预设频率，生成控制数据，并将所述控制数据输出给所述fpga驱动板；

所述fpga驱动板与所述光电转换板连接，所述fpga驱动板用于根据所述控制数据生成控制光信号，并将所述控制光信号发送给所述光电转换板；

所述光电转换板与所述igbt驱动板连接，所述光电转换板用于将所述控制光信号转换成pwm脉冲信号，并将所述pwm脉冲信号输出给所述igbt驱动板；

所述igbt驱动板与所述三相逆变电路的控制端连接，所述igbt驱动板用于根据所述pwm脉冲信号控制所述三相逆变电路的igbt的闭合和断开。

可选的，所述变频器还包括直流储能电容，所述直流储能电容并联于所述三相整流电路的输出端。

一种变频控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

获取负载电机的三相定子电压、三相定子电流和转速信号；

将所述三相定子电压、所述三相电子电流和所述转速信号转换成数字反馈信号；

根据所述数字反馈信号及预设频率获取逆变所需的电压；所述数字反馈信号包括三相定子电压反馈信号、三相定子电流反馈信号和转子转速反馈信号；

根据所述逆变所需的电压采用空间矢量脉宽调制算法，计算pwm脉冲信号；

根据所述pwm脉冲信号对三相变频器的三相逆变电路进行变频控制。

可选的，所述根据所述数字反馈信号及预设频率获取逆变所需的电压，具体包括：

根据所述预设频率，计算转速给定值；

对所述三相定子电压和所述三相定子电流进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的反馈电流分量和反馈电压分量；

将所述反馈电流分量和所述反馈电压分量输入磁链观测器，得到转子磁链幅值反馈值、磁场定向角和转矩反馈值；

根据所述磁场定向角对所述反馈电流分量进行park变换，得到转矩电流反馈值和励磁电流反馈值；

对所述转子转速反馈信号与所述转速给定值的差值进行转速pi控制，得到转矩参考值；

对所述转矩反馈值与所述转矩参考值的差值进行转矩pi控制，得到转矩电流参考值；

对所述转矩电流反馈值与所述转矩电流参考值的差值进行t轴电流pi控制，得到转矩电压分量；

对所述转子磁链幅值反馈值与转子磁链幅值给定值的差值进行磁链pi控制，得到励磁电流参考值；

对所述励磁电流反馈值与所述励磁电流参考值的差值进行m轴电流pi控制，得到励磁电压分量；

对所述转矩电压分量和所述励磁电压分量进行park逆变换得到逆变所需的电压。

可选的，所述根据所述逆变所需的电压采用空间矢量脉宽调制算法，计算pwm脉冲信号，具体包括：确定所述逆变所需的电压当前所在的扇区；选取所述扇区的两个基本矢量合成所述逆变所需的电压；计算所述基本矢量的作用时间；根据所述空间矢量脉宽调制采用的工作方式确定作用顺序；所述工作方式包括七段式工作方式和五段式工作方式；根据所述作用时间和所述作用顺序，输出pwm脉冲信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种三相变频器及变频控制方法，所述变频器包括三相整流电路、dc-dc变换电路、三相逆变电路和变频控制电路；通过具有对称性结构的dc-dc变换电路实现变压，并将三相整流电路和三相逆变电路隔离，即输入端和输出端的故障隔离。本发明的三相变频器在实现变频的同时，实现了变压及故障隔离的功能，克服了现有的三相变频器功能单一的技术缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种三相变频器的电路图；

图2为本发明提供的一种变频控制方法的流程图；

图3为本发明提供的根据数字反馈信号及预设频率获取逆变所需的电压的流程图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种三相变频器及变频控制方法，以实现三相变频器的变压及故障隔离功能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种三相变频器。

如图1所示，本发明提供了一种三相变频器，所述变频器包括三相整流电路1、dc-dc变换电路2、三相逆变电路3和变频控制电路4；

所述三相整流电路1分别与三相交流电源和dc-dc变换电路2连接，所述三相整流电路1用于将所述三相交流电源输出的三相交流电整流成高压直流电，并将所述高压直流电输出给所述dc-dc变换电路2；所述dc-dc变换电路2具有对称性结构，所述dc-dc变换电路2分别与所述三相整流电路1和所述三相逆变电路3连接，所述dc-dc变换电路2用于将所述高压直流电转换成低压直流电，并将所述低压直流电输出给所述三相逆变电路3；所述三相逆变电路3用于将所述低压直流电逆变成预设频率的三相交流电；所述变频控制电路4与所述三相逆变电路3的控制端连接，所述变频控制电路4用于对所述三相逆变电路3进行变频控制。

本发明通过具有对称性结构的dc-dc变换电路实现变压，并将三相整流电路和三相逆变电路隔离，即输入端和输出端的故障隔离，本发明的三相变频器在实现变频的同时，实现了变压及故障隔离的功能，克服了现有的三相变频器功能单一的技术缺陷。

实施例2

本发明实施例2提供一种三相变频器的优选的实施方式。

三相整流电路1包括6个绝缘栅双极型晶体管构成的三相桥式结构，便于三相工频交流电的输入。

所述dc-dc变换电路2包括dc-ac变换电路、变压器和ac-dc变换电路；所述dc-ac变换电路分别与所述三相整流电路1和所述变压器连接，所述dc-ac变换电路用于将所述三相整流电路1整流得到的高压直流电转换成高压高频交流电，并将所述高压高频交流电输出给所述变压器；所述变压器还与所述ac-dc变换电路连接，所述变压器用于将所述高压高频交流电变换成低压高频交流电，并将所述低压高频交流电输出给ac-dc变换电路；所述ac-dc变换电路与所述三相逆变电路3连接，所述ac-dc变换电路用于将所述低压高频交流电转换成低压直流电，并将所述低压直流电输出给所述三相逆变电路3。

dc-dc变换电路由于其结构的对称性，因此，其为双向dc-dc模块，，具有变压功能，其变比可依据工作现场所需的电压等级确定，同时dc-dc变换电路实现三相整流电路和三相逆变电路的隔离，具有故障隔离的功能。

所述ac-dc变换电路包括第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管和第四绝缘栅双极晶体管；所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体连接成第一单相h桥；所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体分别并联有第一电容、第二电容、第三电容和第四电容。

所述dc-ac变换电路包括第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管、第七绝缘栅双极晶体管和第八绝缘栅双极晶体管；所述第五绝缘栅双极晶体管、所述第六绝缘栅双极晶体管、所述第七绝缘栅双极晶体管和所述第八绝缘栅双极晶体连接成第二单相h桥；所述第五绝缘栅双极晶体管、所述第六绝缘栅双极晶体管、所述第七绝缘栅双极晶体管和所述第八绝缘栅双极晶体分别并联有第五电容、第六电容、第七电容和第八电容。

dc/ac变换电路和ac/dc变换电路是由4只绝缘栅双极型晶体管与其各自并联的电容构成的单相h桥结构，实现软开关功能，便于单相交流电和直流电的传输。

所述变频控制电路包括电流传感器、转速传感器和控制器；所述三相逆变电路3的输出端与负载电机连接；所述电流传感器与所述控制器连接，所述电流传感器用于获取所述负载电机的三相定子电压和三相定子电流，并将所述三相定子电压和所述三相定子电流输出给所述控制器；所述转速传感器与所述控制器连接，所述转速传感器用于获取所述负载电机的转速信号，并将所述转速信号输出给所述控制器；所述控制器与所述三相逆变电路的控制端连接，所述控制器用于根据所述三相定子电压、所述三相定子电流和所述转速信号对所述三相逆变电路进行变频控制，以控制所述负载电机的转速。

所述控制器包括dsp单片机和fpga单片机组成的双cpu控制核心板、fpga驱动板、光电转换板、igbt驱动板、ad数据采集板；所述ad数据采集板分别与所述电流传感器、所述转速传感器和所述双cpu控制核心板连接，所述ad采集板用于将所述三相定子电压、所述三相电子电流和所述转速信号转换成数字反馈信号，并将所述数字反馈信号输出给所述双cpu控制核心板；所述双cpu控制核心板与所述fpga驱动板连接，所述双cpu控制核心板用于根据所述数字反馈信号及预设频率，生成控制数据，并将所述控制数据输出给所述fpga驱动板；所述fpga驱动板与所述光电转换板连接，所述fpga驱动板用于根据所述控制数据生成控制光信号，并将所述控制光信号发送给所述光电转换板；所述光电转换板与所述igbt驱动板连接，所述光电转换板用于将所述控制光信号转换成pwm脉冲信号，并将所述pwm脉冲信号输出给所述igbt驱动板；所述igbt驱动板与所述三相逆变电路的控制端连接，所述igbt驱动板用于根据所述pwm脉冲信号控制所述三相逆变电路的igbt的闭合和断开。

三相逆变电路3包括6只绝缘栅双极型晶体管构成的三相逆变桥式结构，实现dc-ac转变，将低压直流电转变成频率和电压都任意可调的三相交流电，驱动三相电机的运行，是实现三相电机软启动和变频节能的关键。

为了稳定直流电压，所述变频器还包括直流储能电容，所述直流储能电容并联于所述三相整流电路的输出端，通过在三相整流电路的输出端并联一个直流储能电容，为下一阶段提供稳定的直流电。

实施例3

本发明实施例3提供一种变频控制方法。

如图2所示，所述控制方法包括如下步骤：步骤201，获取负载电机的三相定子电压、三相定子电流和转速信号；步骤202，将所述三相定子电压、所述三相电子电流和所述转速信号转换成数字反馈信号；步骤203，根据所述数字反馈信号及预设频率获取逆变所需的电压；所述数字反馈信号包括三相定子电压反馈信号、三相定子电流反馈信号和转子转速反馈信号；步骤204，根据所述逆变所需的电压采用空间矢量脉宽调制算法，计算pwm脉冲信号；步骤205，根据所述pwm脉冲信号对三相变频器的三相逆变电路进行变频控制。

本发明的变频控制方法，首先，根据所述数字反馈信号及预设频率获取逆变所需的电压；然后，根据所述逆变所需的电压采用空间矢量脉宽调制算法，计算pwm脉冲信号；最后根据所述pwm脉冲信号对三相变频器的三相逆变电路进行变频控制，基于转子磁场定向矢量控制方法提高了控制的精度。

实施例4

本发明实施例4提供一种变频控制方法的优选的实施方式。

如图3所示，本发明的步骤203所述根据所述数字反馈信号及预设频率获取逆变所需的电压，采用转子磁场定向矢量控制方法，主要有磁链控制器(磁链pi控制)、转速控制器(转速pi控制)以及转矩控制器(转矩pi控制)以及t轴调节器(t轴电流pi控制)和m轴电流控制器(m轴电流pi控制)。通过磁链调节器对估算所得的转子磁链幅值反馈值进行闭环调节，输出励磁电流反馈值ism。通过转速控制器和转矩控制器实现对电机转速的精确控制，输出转矩电流参考值提高了变频控制的精度。具体包括：根据所述预设频率，计算转速给定值对所述三相定子电压usabc和所述三相定子电流isabc进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的反馈电流分量isα、isβ和反馈电压分量usα、usβ；将所述反馈电流分量isα、isβ和所述反馈电压分量usα、usβ输入磁链观测器，得到转子磁链幅值反馈值磁场定向角θ和转矩反馈值te；根据所述磁场定向角θ对所述反馈电流分量isα、isβ进行park变换，得到转矩电流反馈值ist和励磁电流反馈值ism；对所述转子转速反馈信号ωr与所述转速给定值的差值进行转速pi控制，得到转矩参考值对所述转矩反馈值te与所述转矩参考值的差值进行转矩pi控制，得到转矩电流参考值对所述转矩电流反馈值ist与所述转矩电流参考值的差值进行t轴电流pi控制，得到转矩电压分量ust；对所述转子磁链幅值反馈值与转子磁链幅值给定值的差值进行磁链pi控制，得到励磁电流参考值对所述励磁电流反馈值ism与所述励磁电流参考值的差值进行m轴电流pi控制，得到励磁电压分量usm；对所述转矩电压分量ust和所述励磁电压分量usm进行park逆变换得到逆变所需的电压usα’、usβ’。

步骤204所述根据所述逆变所需的电压采用空间矢量脉宽调制算法，计算pwm脉冲信号，具体包括：依据逆变所需的电压(空间矢量)的两个分量usα’、usβ’，确定逆变所需的电压所在的扇区，依据所在扇区的两个基本矢量合成近似于逆变所需的电压的空间矢量。然后计算基本矢量的作用时间，计算出每个扇区内基本矢量的作用时间，再依据svpwm采用的是五段式还是七段式决定其作用顺序，最后输出4对互补的控制指令，并通过光电转换器、igbt驱动器等实现对igbt开关的控制。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种三相变频器及变频控制方法，三相变频器依据基于一体化协调控制的空间矢量脉宽调制控制策略，最终实现快速动态、安全可靠变频控制输出，提供电压和频率都任意可变的三相交流电源，驱动三相电机运行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。