專利名稱：一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣自動化控制領(lǐng)域，更具體涉及一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法，是串聯(lián)式高壓變頻器中混合使用載波移相PWM控制和矩形堆波控制及其無擾動切換方法，適用于任何類似單元串聯(lián)電力變換裝置。

背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻器在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域如電力、冶金，石化，自來水等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，其重要性也隨之突出，但高壓變頻器本身性能仍存在諸多需要改善的地方。高壓變頻器的優(yōu)點是改善工況特性，節(jié)省電能顯著，其輸出波形和本身損耗是考察變頻器技術(shù)性能指標的兩個重要方面。而這兩個方面主要取決于輸出波形的控制方法。在單元串聯(lián)高壓變頻器中，現(xiàn)在普遍采用兩種控制方式，一是載波移相PWM控制方式，它是在同相單元調(diào)制波完全相同，三相調(diào)制波依次相差120°的情況下，根據(jù)每相所串聯(lián)的單元數(shù)目，同相每個單元的載波相位依次相差某一個角度的調(diào)制方法。其優(yōu)點是高壓變頻器有良好的輸出波形，諧波含量小，各個單元輸出功率均衡；缺點是當(dāng)高壓變頻器輸出電壓頻率較高時，功率單元的開關(guān)頻率隨之增大，開關(guān)損耗加大；開關(guān)死區(qū)時間也會隨著開關(guān)頻率的增大而增大，使得變頻器輸出電壓嚴重偏低，影響變頻器輸出精度。另一種是采用矩形堆波控制方式，它是在一個周期內(nèi)每個單元輸出一定寬度的矩形脈沖波形，利用多個功率單元脈寬不同的矩形波疊加輸出，使得輸出電壓波形與理想正弦波形等效的控制方式。其優(yōu)點是功率單元的開關(guān)頻率小，開關(guān)損耗低，功率器件的壽命延長，直流電壓利用率高，不存在死區(qū)時間的影響，軟件控制方法簡單；缺點是當(dāng)高壓變頻器的輸出頻率較低時，波形畸變嚴重，諧波含有率高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法，混合使用載波移相PWM控制和矩形堆波控制，該方法簡單實用，不但可以改善電壓輸出波形，而且降低了變頻器的開關(guān)損耗，實現(xiàn)了控制方式雙向無擾動平滑切換。
所述單元串聯(lián)式高壓變頻器主要由移相變壓器、功率單元以及控制電路組成，移相變壓器的一次側(cè)與電網(wǎng)相連，眾多二次繞組(繞組數(shù)量與功率單元數(shù)量相當(dāng)，功率單元數(shù)量由變頻器電壓等級決定)與其對應(yīng)的功率單元相連(常規(guī)技術(shù))。
每個功率單元結(jié)構(gòu)完全相同，主要由熔斷器，整流二極管，濾波電容，功率開關(guān)器件構(gòu)成。六個整流二極管構(gòu)成三相全波整流橋，三相交流電源經(jīng)過熔斷器與整流橋的輸入端連接。整流橋的輸出端與濾波電容組成的電容器組并聯(lián)。功率開關(guān)器件(如IGBT)構(gòu)成H型逆變橋，逆變橋的輸入端與濾波電容器組成的電容器組相連，輸出端作為每個功率單元的輸出端與其他單元輸出端串聯(lián)，根據(jù)功率單元的輸出電壓等級和變頻器所需輸出電壓等級，變頻器每相由一定數(shù)量功率單元串聯(lián)而成(如單個功率單元輸出690V，變頻器輸出3KV，則每相需要串聯(lián)3個功率單元)，三相采用星形接法，輸出直接與電動機相連。單元串聯(lián)式高壓變頻器結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段已被廣泛采用，技術(shù)亦相當(dāng)成熟?；谌缟纤霈F(xiàn)有的拓撲結(jié)構(gòu)，一種單元串聯(lián)式高壓變頻器控制方法如下 當(dāng)高壓變頻器輸出頻率f<fref(fref∈[40Hz，50Hz]或不局限于此范圍)時，采用載波移相PWM控制技術(shù)，當(dāng)高壓變頻器輸出頻率f≥fref(fref∈[40Hz，50Hz]或不局限于此范圍)時，采用矩形堆波控制技術(shù)，并實現(xiàn)輸出頻率變化時控制方式的無擾動雙向平滑切換。
載波移相PWM控制是在同相單元調(diào)制波完全相同的情況下，將根據(jù)每相所串聯(lián)的單元數(shù)目，同相每個單元的載波相位依次相差某一個角度。

對于三相同一位置的三個單元(比如A相第2單元、B相第2單元和C相第2單元，以下簡稱A2，B2，C2)，其調(diào)制波形依次相差120°，載波將根據(jù)高壓變頻器總共單元數(shù)，依次相差某一個角度(根據(jù)載波頻率確定的角度)。

載波移相PWM控制在高壓變頻器低頻輸出時不但有完美無諧波的美譽，輸出波形好，諧波含有率低，而且開關(guān)頻率較低，開關(guān)損耗較小，各個單元功率輸出均衡。
矩形堆波控制技術(shù)是在一個周期內(nèi)每個單元輸出一定寬度的矩形脈沖波形，利用多個單元輸出脈寬不同的矩形波疊加，使得輸出電壓波形與理想正弦波形等效的控制方式。一個電壓輸出周期內(nèi)，功率單元的開關(guān)次數(shù)為1。
采用單元輸出功率均衡技術(shù)，解決矩形堆波控制方式中單元功率不均衡的問題。其原理可簡述為每經(jīng)過若干周期后，同相內(nèi)各單元輸出的矩形波形實行輪換，保證長時間內(nèi)各單元的輸出功率均衡。當(dāng)每相有3個單元串聯(lián)時，不妨以A相為例，假設(shè)有三個單元分別為A1，A2，A3，T為輸出電壓波形的周期，在0～nT時間內(nèi)(n為任意自然數(shù))，單元A1，A2，A3對應(yīng)輸出為矩形寬度為a，b，c(不妨假設(shè)a<b<c)；nT～2nT時間內(nèi)，單元A1，A2，A3對應(yīng)輸出矩形寬度為b，c，a；2nT～3nT時間內(nèi)，單元A1，A2，A3對應(yīng)輸出矩形寬度為c，a，b；以此循環(huán)輪換輸出，保證了長時間內(nèi)每個功率單元出力基本相等。
高壓變頻器在高頻輸出時，采用矩形堆波控制方式，不僅開關(guān)損耗低，功率器件的壽命延長，直流電壓利用率高，不存在死區(qū)時間的影響，控制方法簡單，而且電壓諧波含有率明顯減小，電壓波形畸變小，諧波含有率和載波移相PWM控制方式相當(dāng)。
由于矩形堆波控制方式能夠有效的提高直流電壓利用率高達10％，在單元直流供電電壓不足時，采用矩形堆波控制方式能夠確保變頻器電壓輸出正常。從另一個意義上說，當(dāng)輸出電壓一定時，采用矩形堆波控制方式能夠降低單元直流側(cè)電壓等級，同時降低了對單元設(shè)備的絕緣要求。
根據(jù)變頻器工作狀態(tài)及其電機負載的要求，靈活確定切換頻率點fref，原則主要有一、保證電機電流諧波含有率低、電機擾動小。二、保證輸出電壓大小滿足電機負載要求。在此兩個原則的情況下，盡量采用矩形堆波控制方式控制，否則采用載波移相PWM控制方式。
本發(fā)明含有一種無擾動雙向平滑切換方法，當(dāng)頻率由高向低(或由低向高)變化時，確保載波移相PWM控制和矩形堆波控制方式無擾動雙向平滑切換。
無擾動切換方式，顧名思義，切換前后變頻器輸出電壓對負載沖擊小。變頻器剛啟動時，頻率較低，高壓變頻器采用載波移相PWM控制方式，隨著輸出頻率的升高，當(dāng)頻率達到頻率切換點fref時，捕捉變頻器輸出電壓相位過零點，將矩形堆波控制波形相位強制清零輸出控制各個功率單元，以免產(chǎn)生沖擊電流。同理，當(dāng)輸出頻率由高向低變化達到頻率切換點fref時，捕捉變頻器輸出電壓相位過零點，將載波移相PWM控制波形相位強制清零輸出控制各個功率單元。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果高壓變頻器輸出頻率較高時，使用矩形堆波控制技術(shù)，不僅提高了直流電壓利用率，而且在滿足諧波含有率小的要求下，使功率器件開關(guān)頻率大大降低，最大限度地減少了開關(guān)損耗。使用負載功率均衡技術(shù)，解決了矩形堆波控制技術(shù)中單元功率不均衡問題。另外采用無擾動切換技術(shù)，保證兩種控制方式切換時輸出波形無擾動平滑改變。



圖1功率單元串聯(lián)式高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1，2，3，4，5，6，7，8，9—H橋功率單元，10—移相變壓器 圖2常規(guī)H橋功率單元結(jié)構(gòu)示意圖。
其中11A，11B，11C—熔斷器，12A，12B，12C，12D，12E，12F—整流二極管，13—濾波電容，14A，14B，14C，14D，14E，14F—功率開關(guān)器件如IGBT。
圖3矩形堆波控制波形示意圖 15，16，17均為一個單元產(chǎn)生的電壓波形，18為15，16和17三個單元輸出波形疊加而成。
圖4兩種控制方式無擾動切換程序流程圖 圖5兩種控制方式切換波形示意圖 當(dāng)控制方式切換時，捕捉電壓輸出相位過零點時刻進行波形控制方式切換，過渡過程擾動小。

具體實施例方式 下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述 本發(fā)明是一種高壓變頻器中混合使用載波移相PWM控制和矩形堆波控制方式以及無擾動切換技術(shù)，其適用于開環(huán)或閉環(huán)控制的單元串聯(lián)式高壓變頻器或者類似電力變換裝置。結(jié)合高壓變頻器現(xiàn)階段普通采用的兩類波形控制方式之優(yōu)點，本發(fā)明提出了一種混合使用兩類波形控制方式并實現(xiàn)無擾動雙向切換的新型方案。
由于單元串聯(lián)式高壓變頻器的單元串聯(lián)數(shù)目因變頻器電壓等級不同而異，本具體實施方式
以3單元串聯(lián)為例說明(本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知)。
如圖1所示，所述單元串聯(lián)式高壓變頻器主要由移相變壓器10、功率單元1，2，3，4，5，6，7，8，9以及控制回路組成，移相變壓器10的一次側(cè)與電網(wǎng)相連，眾多二次繞組與其對應(yīng)的功率單元相連。變頻器的輸出接電動機(圖中的M)。
每個功率單元結(jié)構(gòu)完全相同，如圖2所示，主要由熔斷器11A，11B，11C，整流二極管12A，12B，12C，12D，12E，12F，濾波電容13，功率開關(guān)器件14A，14B，14C，14D，14E，14F構(gòu)成。六個整流二極管構(gòu)成三相全波整流橋，移相變壓器10的二次側(cè)經(jīng)過熔斷器與整流橋的輸入端連接。整流橋的輸出端與濾波電容13組成的電容器組并聯(lián)。功率開關(guān)器件(可采用IGBT)構(gòu)成H型逆變橋，逆變橋的輸入端與濾波電容器13組成的電容器組相連，輸出端作為功率單元的輸出端與其他單元輸出端串聯(lián)。每相有3個單元串聯(lián)而成，三相采用星形接法，輸出直接與電動機相連。單元串聯(lián)式高壓變頻器拓撲結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段已被廣泛采用，技術(shù)亦相當(dāng)成熟?；谌缟纤霈F(xiàn)有的拓撲結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了一種新的控制方法。
采用載波移相PWM控制當(dāng)變頻器輸出頻率較低時，設(shè)頻率切換點為45Hz(本發(fā)明切換點不局限于此)，采用載波移相PWM控制，采用三角波作為載波，正弦或其演變而來的波形如疊加三次諧波的正弦波作為調(diào)制波。同相單元調(diào)制波形和相位均相同，載波相位依次相差

對于不同相中處同一位置的三個單元(比如圖1中的功率單元1，4，7)，其調(diào)制波形相同，相位依次相差120°，載波相位依次相差

各單元控制信號由對應(yīng)的調(diào)制波與對應(yīng)的載波相調(diào)制得到。根據(jù)以上分析可得各單元的波形的相位角如下表(設(shè)1單元的載波和調(diào)制波相位角均為0°，但其是任意的)。

采用矩形堆波波形控制輸出當(dāng)高壓變頻器輸出頻率大于等于45Hz時，現(xiàn)階段普遍采用的依然是低頻輸出時的控制方式即載波移相PWM控制，而本發(fā)明結(jié)合兩者的優(yōu)缺點，采用矩形堆波控制方式，它原理是一個周期內(nèi)每個單元輸出電壓波形是寬度可調(diào)節(jié)的矩形波形，利用多個單元脈寬不同的矩形波疊加輸出，使得最終輸出電壓波形與理想目標波形等效。圖3是采用矩形堆波控制輸出方式的波形示意圖。觀察示意圖可知一個周期內(nèi)，各功率單元的功率器件開關(guān)僅為1次，相比其他調(diào)制方式大大降低，開關(guān)損耗最大限度的減小，也不存在死區(qū)時間問題。此外，為了解決應(yīng)用中存在每個功率單元出力不均衡，輸入諧波抵消效果不理想等問題，每個功率單元的輸出波形實行輪換。如圖3，設(shè)T為輸出電壓波形的周期，在0～nT時間內(nèi)(n為任意自然數(shù)，下同)，單元1，2，3對應(yīng)輸出為波形15，波形16，波形17；nT～2nT時間內(nèi)，單元1，2，3對應(yīng)輸出為波形16，波形17，波形15；2nT～3nT時間內(nèi)，單元1，2，3對應(yīng)輸出為波形17，波形15，波形16。同理可得到另外兩相各個單元的輪換方式，以此循環(huán)輪換輸出，保證長時間內(nèi)每個功率單元出力基本相等。
當(dāng)頻率由高向低(或由低向高)變化時，為確保載波移相PWM控制和矩形堆波控制方式無擾動雙向平滑切換，采用無擾動雙向平滑切換方法，流程圖如圖4，其關(guān)鍵在于切換前須捕捉當(dāng)前輸出電壓相位，等待相位過零點實施切換，保證輸出電壓波形平滑過渡。具體步驟如下 第一步程序開始； 第二步載波移相PWM波形控制輸出(19)，采用載波移相PWM技術(shù)控制輸出波形； 第三步輸出頻率判斷(20)，實時判斷輸出頻率fout大小，當(dāng)輸出頻率小于fref時(fref∈[40Hz，50Hz]或不局限于此范圍)，采用載波移相PWM控制不變，程序跳回第二步循環(huán)；當(dāng)輸出頻率大于等于fref時，轉(zhuǎn)入下一步； 第四步輸出電壓相位過零點判斷(21)，判斷輸出電壓相位是否為零，切換是捕捉當(dāng)前電壓輸出相位為零時刻，此時切換能夠消除高壓變頻器輸出對電機負載的擾動，當(dāng)相位不為零時，控制方式不變，轉(zhuǎn)入下一步；當(dāng)相位為零時，轉(zhuǎn)入第六步； 第五步載波移相PWM控制輸出(22)，繼續(xù)采用載波移相PWM控制輸出，波形不變，并返回第四步循環(huán)； 第六步堆波波形相位清零(23)，堆波波形相位強制清零，將所得矩形堆波輸出波形相位強制清零，此時輸出波形擾動最??； 第七步矩形堆波波形控制輸出(24)，采用矩形堆波控制輸出； 第八步輸出頻率(25)，實時判斷輸出頻率fout高低，當(dāng)高壓變頻器輸出頻率大于等于fref時，跳回第七步循環(huán)；當(dāng)高壓變頻器輸出頻率小于fref時，轉(zhuǎn)入第下一步； 第九步輸出電壓相位為零(26)，判斷輸出電壓相位是否為零，切換的關(guān)鍵是捕捉當(dāng)前電壓輸出相位為零時刻，此時切換能夠消除高壓變頻器輸出對電機負載的擾動，當(dāng)相位不為零時，控制方式不變，轉(zhuǎn)入下一步；當(dāng)相位為零時，轉(zhuǎn)入第十一步； 第十步矩形堆波波形控制輸出(27)，繼續(xù)采用矩形堆波控制輸出，波形不變，返回第九步循環(huán)； 第十一步PWM控制波形相位清零(28)，將所得載波移相PWM控制輸出波形相位強制清零，返回第一步。
本發(fā)明結(jié)合載波移相PWM控制和矩形堆波控制的優(yōu)缺點，混合使用兩種控制方式，利用彼此性能互補，提高了變頻器的控制性能。通過實現(xiàn)兩種控制方式的無擾動平滑切換，保證系統(tǒng)的安全可靠工作。
權(quán)利要求
1.一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法，它包括下列步驟
第一步程序開始；
第二步載波移相PWM波形控制輸出(19)，采用載波移相PWM技術(shù)控制輸出波形；
第三步輸出頻率判斷(20)，實時判斷輸出頻率fout大小，當(dāng)輸出頻率小于fref時(fref∈[40Hz，50Hz]或不局限于此范圍)，采用載波移相PWM控制不變，程序跳回第二步循環(huán)；當(dāng)輸出頻率大于等于fref時，轉(zhuǎn)入下一步；
第四步輸出電壓相位過零點判斷(21)，切換是捕捉當(dāng)前電壓輸出相位為零時刻，此時切換消除高壓變頻器輸出對電機負載的擾動，當(dāng)相位不為零時，控制方式不變，轉(zhuǎn)入下一步；當(dāng)相位為零時，轉(zhuǎn)入第六步；
第五步載波移相PWM控制輸出(22)，繼續(xù)采用載波移相PWM控制輸出，波形不變，并返回第四步循環(huán)；
第六步堆波波形相位清零(23)，堆波波形相位強制清零，將所得矩形堆波輸出波形相位強制清零，此時輸出波形擾動最??；
第七步矩形堆波波形控制輸出(24)，采用矩形堆波控制輸出；
第八步輸出頻率(25)，實時判斷輸出頻率fout高低，當(dāng)高壓變頻器輸出頻率大于等于fref時，跳回第七步循環(huán)；當(dāng)高壓變頻器輸出頻率小于fref時，轉(zhuǎn)入下一步；
第九步輸出電壓相位為零(26)，切換是捕捉當(dāng)前電壓輸出相位為零時刻，此時切換消除高壓變頻器輸出對電機負載的擾動，當(dāng)相位不為零時，控制方式不變，轉(zhuǎn)入下一步；當(dāng)相位為零時，轉(zhuǎn)入第十一步；
第十步矩形堆波波形控制輸出(27)，繼續(xù)采用矩形堆波控制輸出，波形不變，返回第九步循環(huán)；
第十一步PWM控制波形相位清零(28)，將所得載波移相PWM控制輸出波形相位強制清零，返回第一步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法，其特征在于高壓變頻器輸出頻率大于等于fref時，采用矩形堆波控制輸出，一個周期內(nèi)每個單元輸出電壓波形是寬度調(diào)節(jié)的矩形波形，利用各個單元不同脈寬的矩形波疊加輸出，使輸出電壓波形與目標波形等效。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法，其特征在于所述的矩形堆波控制輸出，采用單元負載功率均衡技術(shù)，各個單元出力長時間內(nèi)相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法，其特征在于采用單元負載功率，設(shè)每相有三個單元串聯(lián)，三個單元分別為A1，A2，A3，T為輸出電壓周期，在0～nT時間內(nèi)，單元A1，A2，A3對應(yīng)輸出為矩形寬度為a，b，c，a<b<c；nT～2nT時間內(nèi)，單元A1，A2，A3對應(yīng)輸出矩形寬度為b，c，a；2nT～3nT時間內(nèi)，單元A1，A2，A3對應(yīng)輸出矩形寬度為c，a，b；以此循環(huán)輪換輸出，保證了時間內(nèi)每個功率單元出力相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的控制方法，該方法是混合使用PWM和矩形堆波控制方式以及無擾動切換，適用于單元串聯(lián)式高壓變頻器或者類似電力變換裝置，其中無擾動切換技術(shù)也為其他混合控制方式平滑切換提供了有效參考。其特征在于高壓變頻器輸出頻率較高時，使用矩形堆波控制技術(shù)，不僅提高了直流電壓利用率，而且在滿足諧波含有率小的要求下，使功率器件開關(guān)頻率大大降低，最大限度地減少了開關(guān)損耗。使用負載功率均衡技術(shù)，解決了矩形堆波控制技術(shù)中單元功率不均衡問題。另外采用無擾動切換，保證兩種控制方式切換時輸出波形無擾動平滑改變。
文檔編號H02M5/00GK101369782SQ20071005295
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者王宏英, 查曉明, 褚立峰 申請人:湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司