专利名称：三电平变频器简化相电压重构方法
技术领域：
本发明涉及三电平变频器简化相电压重构方法，适用于三电平变频器供电的鼠笼 电机、绕线电机和同步电动机。
背景技术：
在三电平高性能电机矢量控制系统中，输出相电压的准确与否对系统的性能优着 很大的影响。目前传统的方法有两种，一种是采用输出电压传感器通过AD取样到控制系统 中。第二种是直接采用SVPWM的指令作为实际输出相电压。对于第一种方法，需要增加传感器的同时必须增加相应的AD通道数目，并且三电 平变频器输出的电压为阶梯波，用通常的瞬时采样A/D变换器采得的值不是实际波形在一 个开关周期中的平均值，不能真实反映输出电压在这开关周期的大小。对于第二种方法，窄 脉冲问题是其不准确的源泉，因为并不是所有输出和SVPWM的指令给定都完全相同，特别 是在电机低速和高速段，窄脉冲问题更加严重。同时由于三电平输出电平比两电平拓扑结构的多一半，而且输出电压矢量更是两 电平的三倍，如果直接通过输出电压顺序，分别加上主矢量、零矢量和次矢量作用时间进行 计算的的话非常困难。但是对于两电平有相对成熟的计算公式，我们采用传统两电平拓扑 结构变频器输出电压进行计算，在减少计算量的同时减少了系统硬件结构，同时又能够取 得相比第二种方法更加精确的输出电压。因此，在三电平拓扑结构的变频器中，采用简化的三电平相电压重构算法，将提高 控制系统可靠性和准确性的技术保障。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供在三电平拓扑结构输出相电压重构的方法以及采 用该方法的变频装置。一方面简化了三电平拓扑结构变频器的硬件结构，另一方面提高了 变频装置的可靠性和准确性。技术方案本发明的一种三电平变频器简化相电压重构方法具体实现过程为第一步首先对变频器的直流母线电压Vd。进行采样，并记录结果；第二步根据三电平变频器的空间矢量图、三电平变频器的空间矢量图，由六个传 统的两电平空间矢量构成的小六边形所组成，由此计算A、B、C相的作用时间Ta、Tb、T。，同时 针对系统的载波时间Ts进行两电平拓扑结构下A、B、C相的相电压Van、Vbn、V。n重构的计算， 第三步对于三电平拓扑结构下输出相电压的重构，利用坐标平移，把需要重构的电压矢量分别定位在以￥1、￥2)3、￥4、￥5、￥6为中心的小六边形内进行，每个小六边形就可 以看成一个两电平拓扑结构的空间电压矢量图；然后再将各个小六边形的中心在A、B、C轴 上的分量作为补偿量，加到以两电平拓扑结构下相电压重构产生的结果上， 2 11 根据参考电压矢量所处在的不同小六边形，得到各情况下A、B、C相的补偿量如 下 有益效果上述方法和采用该方法的变频装置，利用三电平和两电平在空间电压 矢量上的等效关系，直接通过直流母线信息和各相作用时间信息通过相应计算获得各相输 出电压，对电机控制系统来说省略了相应的电压传感器，简化了系统的硬件结构，同时该方 法获得的相电压的可靠性高，与直接采用参考电压矢量进行相电压估计的方法相比具有更 高的精度，改善了系统在高速段和低速段的速度控制精度。
图1为三电平空间电压矢量图，图2为三电平空间电压矢量分解为6个小六边形图，图3为三电平拓扑结构下简化相电压重构算法中补偿电压图，图4为三电平拓扑结构下采用简化相电压重构算法的变频装置图，图中三相交流输入电源1、电源开关2、三电平拓扑结构的变频器3、被控电机4、 速度给定和启动信号的面板5、系统控制器6、电压传感器7、触发光纤8、电机A相电流传感器9、电机C相电流传感器10、编码器11。
具体实施例方式图1所示的三电平变频器的空间矢量图可以认为是由六个传统的两电平空间矢量构成的小六边形所组成，构成三电平变频器的空间矢量图的每个小六边形都以内部小六 边形的顶点为中心，如图2所示。设当前载波周期为Ts，Ta、Tb、Tc,分别为A、B、C相的作用时间，则两电平拓扑结构 下相电压的输出重构公式是 对于三电平拓扑结构下输出相电压的重构，可以利用坐标平移，把需要重构的电 压矢量分别定位在以Vl、V2、V3、V4、V5、V6为中心的小六边形内进行，如图2所示，每个小 六边形就可以看成一个两电平拓扑结构的空间电压矢量图。然后再将各个小六边形的中心 在A、B、C轴上的分量作为补偿量，加到以两电平拓扑结构下相电压重构产生的结果上，如 图3所示。
根据参考电压矢量所处在图2中的不同小六边形号，可以得到所有情况下A、B、C 相的补偿量如表2所示表2 不同小六边形号下的相电压补偿量 本发明简化的三电平相电压重构原理主要利用利用控制器6，三电平功率变换器3为被控电机4供电，见图4。其中将 通过电压传感器7测出来的直流母线电压信号反馈给控制器6，速度给定和启动信号由操 作面板5给到控制器6，控制器6通过速度给定采样和对编码器11的脉冲处理给出相应的 电压参考矢量，判断出该矢量所处的小六边形号，进而通过三电平触发模块和光纤8进行 触发。从而构成被控电机的速度闭环控制系统，可以对被控电机的速度进行准确的控制三电平的相电压重构计算则通过直流母线电压和从三电平触发模块中获取当前 参考电压矢量所处的小六边形号以及A相、B相、C相的分别的作用时间，以公式(4)、(5)、 (6)为基础，将判断出的补偿量根据表1的补偿量进行补偿。本发明三电平变频器简化相电压重构方法主要由被控电机和控制系统组成。被控 电机4绕组接到三电平拓扑结构的变频器3、变频器3通过电源开关2连接至三相交流输入 电源1。电机绕组的A、C相通过电流传感器9和10连接至系统控制器6，直流母线电压通 过电压传感器7连接至系统控制器6，速度给定信号和启动信号则通过操作面板5连接至系 统控制器6，系统控制器6通过光纤8去对三电平拓扑结构的变频器3进行IGBT的导通或 者截止的控制。系统的速度反馈信号则通过编码器11进行计算，相电压则通过本方面的简 化的三电平相电压重构算法获得。
权利要求
一种三电平变频器简化相电压重构方法，其特征在于该重构方法具体实现过程为第一步首先对变频器的直流母线电压Vdc进行采样，并记录结果；第二步根据三电平变频器的空间矢量图、三电平变频器的空间矢量图，由六个传统的两电平空间矢量构成的小六边形所组成，由此计算A、B、C相的作用时间Ta、Tb、Tc，同时针对系统的载波时间Ts进行两电平拓扑结构下A、B、C相的相电压Van、Vbn、Vcn重构的计算， <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>an</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>dc</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>bn</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>dc</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>cn</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>dc</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>第三步对于三电平拓扑结构下输出相电压的重构，利用坐标平移，把需要重构的电压矢量分别定位在以V1、V2、V3、V4、V5、V6为中心的小六边形内进行，每个小六边形就可以看成一个两电平拓扑结构的空间电压矢量图；然后再将各个小六边形的中心在A、B、C轴上的分量作为补偿量，加到以两电平拓扑结构下相电压重构产生的结果上， <mrow><msubsup> <mi>V</mi> <mi>an</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>dc</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>a</mi><mo>_</mo><mi>compensation</mi> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>V</mi> <mi>bn</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>dc</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>b</mi><mo>_</mo><mi>compensation</mi> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>V</mi> <mi>cn</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>dc</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn> </mfrac> <msub><mi>T</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>c</mi><mo>_</mo><mi>compensation</mi> </mrow></msub><mo>,</mo> </mrow>根据参考电压矢量所处在的不同小六边形，得到各情况下A、B、C相的补偿量如下 小六边形号 A相补偿量Va_compensation B相补偿量 Vb_compensation C相补偿量 Vc_compensation 1 +Vdc/3 -Vdc/6 -Vdc/6 2 +Vdc/6 +Vdc/6 -Vdc/3 3 -Vdc/6 +Vdc/3 -Vdc/6 4 -Vdc/3 +Vdc/6 +Vdc/6 5 -Vdc/6 -Vdc/6 +Vdc/3 6 +Vdc/6 -Vdc/3 +Vdc/6。
全文摘要
三电平变频器简化相电压重构方法适用于采用三电平拓扑结构的变频器。该变频器可以为鼠笼电机调速系统、绕线电机双馈调速系统和同步电机调速系统供电。其工作方法为将传统的三电平变频器输出的矢量空间分为六个小的六边形，在各自小六边形内进行相应的输出相电压重构算法。然后通过坐标平移和补偿量计算达到三电平计算目的。其算法相对简单，得出的结果又完全可以取代采用输出传感器，同时比直接使用SVPWM指令更加精确。该方法的采用简化了系统的组成，提高了系统的可靠性和稳定性。
文档编号H02P21/00GK101873100SQ201010198650
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者叶宗彬, 吴轩钦, 李 浩, 谭国俊, 韩耀飞 申请人:中国矿业大学;徐州中矿大传动与自动化有限公司