专利名称：用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法。
随着我国改革开放的深入和经济建设步伐的加快，对能源的需求量也越来越大，而对能源的大量需求，一方面将会导致生产能源的石油、天然气、煤炭等资源的急剧减少，从而引起未来的能源匮乏问题。另一方面，资源的大量开采和能源的大量生产又会破坏生态平衡、污染大气等而导致环境的恶化。节约能源，提高能源的利用率已成为全社会共同关注的问题。因此，对交流电动机尤其是对高压交流电动机进行调速，可以以节约大量的电能，既减少了资源浪费，保护了环境，又降低了单位的能耗，提高了企业的经济效益，具有极大的现实意义和社会效益。
据调查统计，我国的发电总量已居世界第二位，耗电总量和日本相当，但产值只有日本的三分之一，单位产值能耗和单位产品的能耗远远高于发达国家水平影响了我国产品在国际市场上的竞争力。近十年的应用实践证明，推广变频调速既能节电，又能改善工艺流程，提高产品质量和功效。因此，对耗电量占我国发电总量的60％～70％的的电动机进行调速是势在必行的，只有这样，才能够完成少投入、高效益实现国民经济的全面增长。
交流变频调速器在生产和生活中的许多领域中得到了广泛应用，但是国内外所提供的变频调速器产品中相对而言比较成熟的是低电压产品，它们满足不了高电压负载的要求，而高压电机所需要的高电压变频器至今还没有特别成熟的产品。正是由于这种产品有巨大的市场潜力以及实际开发生产应用的巨大社会效益和经济效益，日前国内外很多著名的公司和科研机构正在积极进行高压变频器的研究、开发和制造。
多级叠加式高压变频器是现在众多高压变频主回路方案中最有优势的一种，然而目前对多级叠加式高压变频器控制的研究甚少，有许多理论、仿真和实验等研究工作需要深入展开，对它的控制方法有许多的问题急需深入研究，当然有关它的新产品也急待开发和生产。对多级叠加式高压变频器控制方法的研究有助于用较简单的方法实现高压变频器的控制，对其研制和开发有很大帮助，所以对多级叠加式高压变频器PWM(脉冲宽度调制)控制方法进行研究具有很高的理论意义和实用价值。
目前多级叠加式高压变频器的相关产品已经出现，但是由于性能和价格等因素它们远远满足不了市场的需求，而决定其性能的关键之一就是对其进行PWM(脉冲宽度调制)控制的方法。
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法，提高变频器性能，以达到节能的目的。
为实现上述目的，本发明提出一种用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法，其特征是给多级叠加式高压变频器中每级中每个单元上的四个开关管上各输入一个脉宽调制信号，以控制开关管的导通和关断时间；在每个单元中，四个开关管的导通时间的计算利用电压空间矢量法，即将各个单元上的开关管进行分组，三相中对应单元的相对应位置处的六个开关管为一组，每组中六个开关管的八种通、断状态组合称为八个电压矢量，其中两个为零矢量，另六个为非零矢量；六个非零矢量将空间分为六个扇区，据此即可利用电压空间矢量法计算各个开关管的导通、关断时间。
由于采用了以上的方案，将普通(低压)变频调速中用到的电压空间矢量法用到多级叠加式高压变频器中，对各相、各级、以及每级单元内各个开关的导通时间做适当安排，从而原本不能用于多级叠加式高压变频器的控制方法变得可用。仿真和实验表明，采用本方法在不增加谐波含量的前提下，可大大提高电压利用率约。
图1是多级叠加式高压变频器每个单元的示意图。
图2是多级叠加式高压变频器组成示意图之一。
图3是多级叠加式高压变频器组成示意图之一。
图4是光耦隔离示意图。
图5是光纤隔离示意图。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
图1是多级叠加式高压变频器模块单元示意图，包括左侧的整流部分和右侧的H桥，其中开关管11、12、21、22是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。图中开关管11称为上臂左管，开关管21称为上臂右管，开关管12称为下臂左管，开关管22称为下臂右管。图1中的“ControlSingal”就是控制开关管的脉宽调制控制信号，四个信号分别接到四个开关管上，控制信号的脉宽和占空比就决定了开关管的导通和关闭时间。
在此研制的多级叠加式高压变频器就是由这样的多个(如15个)单元分三组串联而成(每组构成一相)，由此构成的高压变频器组成简图如图2、3所示。
在上述以H桥为单元串联的多级叠加式高压变频器中如何简单、高效地产生PWM波是电气传动领域内的难点。
目前，在变频调速中PWM波产生的控制算法大体上有以下几种等面积采样法、平均规则采样法、三次谐波注入法、马鞍波型PWM方式以及电压空间矢量法等。电压空间矢量法、三次谐波注入法与马鞍波型PWM方式的着眼点都是提高电压利用率。与平均规则采样法相比等面积采样法并不占优势，但是它要多算一个余弦值。
三次谐波注入法本身有各种处理方法和实现方式，本发明是将电压空间矢量注入法用在多级叠加式高压变频器中，这在以前是从没有过的。它要解决诸多的问题，比如同一单元四个开关管的导通时间的计算、同一相中各个单元(也即各个级)的导通时间差、各相之间的相差等。
普通三相变频器的电压空间矢量法可参考陈伯时、陈敏逊编著的《交流调速系统》一书(机械工业出版社，1998年5月)。其要点是将三相中的六个开关管的通断状态可能的八种组合方式视为八个电压矢量，其中有两个零矢量和六个非零矢量；六个非零矢量将电压空间分成六个区间，每个区间内的两个电压矢量分别称为第一矢量和第二矢量；确定第一矢量和第二矢量和零知量的作用时间后，再根据此时间确定出每个开关管的通、断时间。
对于多级叠加式高压变频器，由于其级数多，每级内的各个单元上一关管的数量也不是两个而是四个，在这种变频器中利用电压空间矢量法需要将各个开关管进行组合。
本发明实施例的组合方式是三相中对应单元的相对应位置处的六个开关管为一组，即A1、B1、C1为三相中的三个对应单元，合称为第一单元。而A1、B1、C1上的六个左管位置相对应，六个右管位置相对应，则六个左管为一组，六个右管为另一组。每组中六个开关管的八种通、断状态组合即形成八个电压矢量。
分组之后，就要计算在每个扇区内的两个非零矢量的作用时间，其公式为第一单元左管t1=Msin((no*60-θ)*π/180)/(6f*np)t2=Msin((θ-(no-1)*60)*π/180)/(6f*np)第一单元右管，比左管延迟180度t1=Msin((no*60-θ)*π/180+π)/(6f*np)t2=Msin((θ-(no-1)*60)*π/180+π)/(6f*np)其中θ为开关角，角度单位为度；f为变频器输出的频率，np为在每一个60度扇区内划分的小区间的个数，no为扇区的位置，根据电压矢量的位置，其取值可以是1、2、3、4、5、6。
每个周期中剩余的时间即为零矢量的作用时间。
根据上式即可计算出第一单元中各个开关管的通断时间。
对于第二、第三单元，可以有相同的算法。但在第一单元的通断时间确定后，可通过单元触发移相角来确定。
相对单元1，单元触发移相时间差为t=(m-1)Ts/m每相中其它每个单元相对前一位置单元依次增加Ts/m，各相相位依次增加2π/3。即第二、第三……第m单元中各个开关管则分别比其前一单元的相应开关管延迟Ts/m导通，其中m为每相中所含的单元个数，即多级叠加式高压变频器的级数。
实验证明，单元触发移相是波形迭加形成多阶梯波的机理之一，只有这样谐波才会大大减少，同时单元触发移相也避免了单元同时导通造成较大的dv/dt。
另一方面，实验证实，每个单元相对前一个单元的载波移相为360°/m,m是级数，也即每个的单元数，本例中它是5。这样迭加形成的波形谐波较小。但是大量的仿真结果表明，载波移相后，三相不平衡度增大。如果载波不移相，谐波略微增大，但是三相不平衡度减少，更重要的是算法得以简化，所以在此使用载波不移相的方法。
我们对上述方法进行了计算机仿真的实验，结果表时，本方法简单有效，电压利用率高。
在具体实现时，可将所述公式事先进行计算，做成一个函数表，而将各个开关管的开关顺序制做成开关表，在实际控制过程中，直接从函数表和开关表查表控制各开关管的通、断。
实施例中，控制信号是由主控数字信号处理器(DSP)产生，用现场可编程门阵列FPGA实现给IGBT模块单元传输、分配相应的驱动波形，而从FPGA到IGBT之间，还需要增加一个隔离。可以有两种方式实现隔离，一是光耦隔离，一是光纤隔离，分别如图4、5所示。
图4中DSP为数字信号处理器，FPGA为现场可编程门阵列。这里以DSP为核心，计算出脉冲宽度，用FPGA实现给IGBT模块单元传输、分配相应的驱动波形，隔离采用光藕。
图5中CPLD为复杂可编程器件。这里采用光纤串行编解码发送、接收数据来实现通讯，同时实现了隔离。
控制部分采用XILINX公司的VERTEX系列FPGA器件XCV300，它一方面和DSP进行数据交换，一方面完成15路模块的串行发送和接收。
单元模块采用CPLD完成串行通讯功能，并且根据接收到的内容进行相应的处理，主要有产生2路PWM波形；产生开关机信号；产生旁路信号；接收故障信息并上传至FPGA进行相关的处理。
权利要求
1.用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法，其特征是给多级叠加式高压变频器中每级中每个单元上的四个开关管上各输入一个脉宽调制信号，以控制开关管的导通和关断时间；在每个单元中，四个开关管的导通时间的计算利用电压空间矢量法，即将各个单元上的开关管进行分组，三相中对应单元的相对应位置处的六个开关管为一组，每组中六个开关管的八种通、断状态组合称为八个电压矢量，其中两个为零矢量，另六个为非零矢量；六个非零矢量将空间分为六个扇区，据此即可利用电压空间矢量法计算各个开关管的导通、关断时间。
2.如权利要求1所述的用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法，其特征是在每个扇区内的两个非零矢量的作用时间为第一单元左管t1=Msin((no*60-θ)*π/180)/(6f*np)t2=Msin((θ-(no-1)*60)*π/180)/(6f*np)第一单元右管，比左管延迟180度t1=Msin((no*60-θ)*π/180+π)/(6f*np)t2=Msin((θ-(no-1)*60)*π/180+π)/(6f*np)其中θ为开关角，角度单位为度；f为变频器输出的频率，np为在每一个60度扇区内划分的小区间的个数，no为扇区的位置，根据电压矢量的位置，其取值可以是1、2、3、4、5、6；每个周期中剩余的时间即为零矢量的作用时间；根据上式计算出第一单元中各个开关管的通断时间；第二、第三……第m单元中各个开关管则分别比其前一单元的相应开关管延迟Ts/m导通，其中m为每相中所含的单元个数，即多级叠加式高压变频器的级数。
3.如权利要求2所述的用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法，其特征是将所述公式事先进行计算，做成一个函数表，而将各个开关管的开关顺序制做成开关表，在实际控制过程中，直接从函数表和开关表查表控制各开关管的通、断。
4.如权利要求1或2或3所述的用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法，其特征是所述脉宽调制信号在被接至被控制的开关管上之前，先经光纤或光耦器件隔离。
全文摘要
本发明公开一种用于多级叠加式高压变频器的脉宽调制控制方法,给多级叠加式高压变频器中每级中每个单元上的四个开关管上各输入一个脉宽调制信号,以控制开关管的导通和关断时间;导通时间的计算利用电压空间矢量法;而每相中各个单元中的开关管依次导通,时间间隔Ts/m。
文档编号H02M7/42GK1319942SQ0110353
公开日2001年10月31日 申请日期2001年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者宋凌峰, 刘克彬, 王卫勤 申请人:深圳市安圣电气有限公司