一种三相逆变器分区间调制模式下调制方法与流程

[0001]
本发明涉及一种三相逆变器分区间调制模式下调制方法，特别是一种三相逆变器分区间调制模式下减小输出电压畸变的调制方法，属电力电子技术领域中dc/ac电能变换装置的控制技术。


背景技术：

[0002]
随着电力电子技术的广泛应用，降低功率半导体器件在电能变换中的功率损耗，提高开关电源变换器的整体的效率越来越受到人们的关注。尤其是在功率半导体器件应用数量较多的电能变换器中，高功率因数、谐波含量低的逆变装置及其节能控制策略是目前研究的热点问题。三相逆变器作为一种常见的dc/ac转换设备，传统的控制方式会导致逆变器的功率半导体器件的损耗较大，因此有必要研制一种节能逆变控制技术。


技术实现要素：

[0003]
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种三相逆变器分区间调制模式下调制方法，通过分区调制算法最大限度的降低功率半导体器件开关损耗，减小输出电压畸变。
[0004]
为解决上述技术问题，本发明的一种三相逆变器分区间调制模式下调制方法，包括以下步骤：
[0005]
步骤1：给定输出三相电压相位θ
a,b,c
；
[0006]
步骤2：根据相位信息将三相输出电压的任意一相的一个工频周期平均划分为6个扇区；
[0007]
步骤3：将abc坐标系下的三相电压v
a
、v
b
和v
c
变换为同步旋转dq坐标系下的两相电压v
d
、v
q
，电流；将abc坐标系下的三相电感电流i
la
、i
lb
和i
lc
变换为同步旋转dq坐标系下的两相电流i
ld
、i
lq
；
[0008]
步骤4：将输出电压基准信号与v
d
比较得到误差，所述误差经pi控制器后输出作为电流内环基准信号i
ref
；
[0009]
步骤5：电流内环基准信号i
ref
与i
ld
比较得到误差，所述误差通过电流内环pi控制器，电流内环pi控制器的输出作为dq反变换的d轴分量给定，同时令dq反变换的q轴分量i
qr
为零，然后进行dq反变换；
[0010]
步骤6：将dq反变换得到的abc通道的分量在步骤2得到的不同扇区内进行单周期控制，输出三相调制信号；
[0011]
步骤7：将调制信号与三相载波信号进行比较，得到开关管的开关脉冲信号。
[0012]
本发明还包括：
[0013]
步骤6中将dq反变换得到的abc通道的分量在步骤2得到的不同扇区内进行单周期控制具体为：在任一扇区内，同一时刻只有两个开关管进行高频斩波，其余开关管保持导通或者保持关断，使得三相逆变器工作buck电路模式下。
[0014]
本发明的有益效果：提供一种通过软件控制算法来降低功率半导体器件的开关损耗，同时减小逆变器的最终输出电压畸变问题。本方法可以将三相输出电压的任意一相相位作为参考，平均划分为6个区间，每个区间的角度为60
°
，实现分区调制。在每个区间内，每一时刻只有两个开关管高频斩波，其余开关管保持导通或者保持关断。通过减少每一时刻同时进行高频斩波的开关管数量来降低开关损耗。同时将电流内环控制器输出得到的i
dr
用作dq逆变换的d轴分量，强制令i
qr
＝0作为坐标逆变换的q轴分量，使得调制波与输出电压波形同相位，减小在区间转换处的电压畸变。
附图说明
[0015]
图1(a)是三相逆变器拓扑结构示意图；
[0016]
图1(b)是分区间调制与减小电压畸变控制图；
[0017]
图1(c)是区间划分示意图。
[0018]
图2(a)是区间1buck等效电路图；
[0019]
图2(b)是区间2buck等效电路图；
[0020]
图2(c)是区间3buck等效电路图；
[0021]
图2(d)是区间4buck等效电路图；
[0022]
图2(e)是区间5buck等效电路图；
[0023]
图2(f)是区间6buck等效电路图；
[0024]
图3是分区间调制驱动信号；
[0025]
图4是传统逆变器控制算法驱动信号；
[0026]
图5是未令q轴分量为零前输出电压电流波形；
[0027]
图6是令q轴分量为零后输出电压电流波形；
[0028]
图7是本发明方法流程图。
[0029]
对附图中的主要符号及含义说明如下。
[0030]
θ
a,b,c
为程序内部通过指针的方式给定输出电压相位，v
a
、v
b
和v
c
为逆变器输出相电压，i
la
、i
lb
和i
lc
为三相电感电流，l
a
、l
b
和l
c
为输出滤波电感，s1、s2、s3、s4、s5和s6为开关管，v
dc
为直流电源，c
d
为输入滤波电容，c1、c2和c3为输出滤波电容，r
a
、r
b
和r
c
为负载电阻，v
ref
为输出电压基准信号，i
ref
为输出电压控制器的输出信号，v
d
、v
q
为输出电压在dq坐标系下的信号，i
ld
、i
lq
为输出电感电流在dq坐标系下的信号，i
dr
为经pi控制器的输出信号，i
qr
为在dq坐标系下q轴分量的电流基准信号，i
ar
、i
br
和i
cr
为i
qr
经dq反变换在abc坐标系下的输出信号。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明实施方式做进一步说明。
[0032]
本发明方法是在传统单周期控制的基础上改进而成的，传统三相单周期双极性控制电压利用率低，开关损耗大。本专利采用的数字单周期分区间调制的控制方法能够最大限度降低开关损耗，提升系统效率，同时可以使逆变器减小输出电压畸变。主电路拓扑采用三相逆变器如图1(a)，改进后的控制算法如图1(b)，在程序内部通过指针的方式给定输出三相电压相位θ
a,b,c
，给定输出电压v
ref
与实际输出电压经过坐标变换得到的v
d
的偏差经过电压控制器得到i
ref
，i
ref
与实际输出电流经过坐标变换得到的i
ld
的偏差经过电流控制器得
到i
dr
，将i
dr
用作坐标逆变换的d轴分量。强制令i
qr
＝0作为坐标逆变换的q轴分量，使得调制波与输出电压波形同相位，以减小在区间转换处的电压畸变。将坐标逆变换得到的i
ar
、i
br
、i
cr
分量，利用它们和电压相位θ
a,b,c
分区后进行单周期控制得到开关管的控制信号。
[0033]
本发明所提出的控制方法是在数字单周期控制的基础上引入分区控制，可实现在某一分区内的同一时刻只有两个开关管进行高频斩波，通过减少同一时刻工作的开关管数量的方式来降低损耗。通过令dq到abc反变换的q轴分量为零的方式，使调制波与输出电压同相位，从而减小逆变器输出电压畸变。
[0034]
结合图7，本发明具体实施方式为：
[0035]
(1)本发明对第一个桥臂中点连接的负载a相进行分析，在图1(b)中，传统的逆变器控制中会在dq坐标系下的d轴和q轴同时利用pi控制器进行校正，本发明中仅仅在d轴采用了pi控制器，而令q轴分量直接为零。传统的采用dq变换控制的逆变器，d轴分量和q轴分量同时利用pi控制器调节。由于采样延时，将会导致q轴分量经pi调节器后的输出结果大于0，d轴与q轴分量通过pi控制器后进行dq到abc坐标系反变换，得到的调制波相位将超前于电压相位。正如图2(a)至图2(f)所示三相逆变器本质上是buck变换器的变形，在任意一个区间转换处，一旦出现调制波相位超前于输出电压相位的情况，将会导致波形畸变。图2(c)、图2(d)所示等效电路中，区间3中直流电源分别与s1、d2、l
a
、l
c
和s3、d4、l
b
、l
c
构成buck电路，电路工作时a相b相桥臂上管斩波，c相下管保持开通，a、b、c三相其余开关管关断。区间4中直流电源分别与s2、d5、l
a
、l
b
和s6、d1、l
c
、l
b
构成buck电路，电路工作时a相c相桥臂下管斩波，b相上管保持开通，a、b、c三相其余开关管关断。分析区间3切换到区间4的换流情况，在分区间调制模式下的区间切换处，如果q轴分量大于零，将会导致反变换得到的调制波超前于电压相位，即控制上已经进入区间4的控制方式，但是实际的电流还在按照区间3对应的图2(c)对应的电路工作，导致电感内电流直接降为零，使波形在过零点处出现畸变。强制q轴分量为零后可以保证调制波与电压同相位，避免上述情况，从而减小输出电压畸变。
[0036]
引入分区控制算法后每个区间内的同一时刻只有两个开关管高频斩波，相比于传统算法对应的每1/6周期内有六个开关管工作降低了开关损耗，降低了开关损耗。分区调制的分区原则如下表1和图1(c)所示：
[0037]
表1分区间调制方式分区原则
[0038][0039]
(2)利用程序内部通过指针的方式给出的θ
a,b,c
进行角度分区和对三相交流电压和电流进行静止abc坐标系到同步旋转dq坐标系的变换。将静止abc坐标系下的三相交流电量变换为同步旋转dq坐标系下的直流电量。
[0040]
(3)对照图1(b)，利用静止abc坐标系到同步旋转dq坐标系的变换，将三相输出电压v
a
、v
b
和v
c
变换为v
d
、v
q
，将三相电感电流i
la
、i
lb
和i
lc
变换为i
ld
、i
lq
。将基准电压信号与v
d
比较得到误差，该误差经pi控制器后输出作为电流内环的基准信号。基准电流信号与i
ld
作差后通过电流内环的pi控制器，其输出为dq反变换的d轴分量给定。同时令dq反变换的q轴分量i
qr
为零，然后进行dq反变换，dq反变换的输出结果结合图1(b)中划分的不同区间，进行分区间模式下的单周期控制。当作为参考的a相相位处于区间1时，第一个桥臂与第三个桥臂的上管进行斩波，第二个桥臂的下管保持开通；当其位于区间2时，第二个桥臂与第三桥臂的下管进行斩波，第一个桥臂的上管保持开通；当其位于区间3时，第一个桥臂与第二桥臂的上管进行斩波，第三个桥臂的下管保持开通；当其位于区间4时，第一个桥臂与第三桥臂的下管进行斩波，第二个桥臂的上管保持开通；当其位于区间5时，第二个桥臂与第三桥臂的上管进行斩波，第二个桥臂的下管保持开通；当其位于区间6时，第一个桥臂与第二桥臂的下管进行斩波，第三个桥臂的上管保持开通。
[0041]
具体的分区控制占空比如下表所示。
[0042]
表2分区间模式下的开关管占空比方程
[0043][0044][0045]
对比图3和图4的驱动信号，可以看出采用分区间控制算法后在每个区间内的同一时刻只有两个开关管高频斩波，相比于传统算法对应的每1/6周期内有六个开关管工作降低了开关损耗。对比图5和图6的输出电压电流波形，可以看出令q轴为零后的输出电压电流波形明显好于令q轴为零之前的波形。因此，本发明所述方法是正确和有效的。