基于谐波补偿的变频器拓扑、控制方法及变频器与流程

1.本发明涉及变频器技术领域，尤其涉及一种基于谐波补偿的变频器拓扑、控制方法及变频器。


背景技术：

2.变频器(variable
‑
frequency drive，vfd)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部igbt的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
3.目前，当变频器通常由整流、电容、逆变等组成，当三相电源经过整流给电容充电时，电容的容量大、耐压高，整流器的冲击电流也大，如果选用带三相pfc的可控整流，成本会高很多。因此，如何准确有效调整整流后的电压幅值，是亟待解决的技术问题。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提出一种，旨在解决现有技术中无法低成本准确有效调整整流后的电压幅值的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提出一种基于谐波补偿的变频器拓扑，所述基于谐波补偿的变频器拓扑包括：整流电路、补偿电路以及逆变电路；
7.所述整流电路的输入端与三相电源连接，所述整流电路的正向输出端分别与所述补偿电路的正向输入端和所述补偿电路的负向输出端连接，所述整流电路的负向输出端分别与所述补偿电路的负向输入端和所述逆变电路的负向输入端连接，所述补偿电路的正向输出端与所述逆变电路的正向输入端连接，所述逆变电路的输出端与电动机连接；
8.所述整流电路，用于将所述三相电源提供的初始交流电源转换为直流电源，并将所述直流电源传输至所述补偿电路；
9.所述补偿电路，用于根据所述直流电源生成补偿电源，将所述直流电源与所述补偿电源进行串联叠加，以生成标准直流电源，并将所述标准直流电源传输至所述逆变电路；
10.所述逆变电路，用于将所述标准直流电源转换为交流电源，以驱动电机。
11.可选的，所述补偿电路包括：电感、第一电容、第一二极管以及第一绝缘栅双极晶体管；
12.所述电感的第一端分别与所述第一电容的负极和所述整流电路的正向输出端连接，所述电感的第二端分别与所述第一二极管的阳极和所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极连接，所述第一绝缘栅双极晶体管的发射极与所述整流电路的负向输出端和所述逆变电
路的负向输入端连接，所述第一电容的正极分别与所述第一二极管的阴极和所述逆变电路的正向输入端连接。
13.可选的，所述补偿电路包括：单相全桥逆变单元、中频变压器以及单相全桥整流单元；
14.所述单相全桥逆变单元的正向输入端与所述整流电路的正向输出端连接，所述单相全桥逆变单元的负向输入端与所述整流电路的负向输出端和所述逆变电路的负向输入端连接，所述单相全桥逆变单元的第一输出端与所述中频变压器的第一输入端连接，所述单相全桥逆变单元的第二输出端与所述中频变压器的第二输入端连接，所述中频变压器的第一输出端与所述单相全桥整流单元的第一输入端连接，所述中频变压器的第二输出端与所述单相全桥整流单元的第二输入端连接，所述单相全桥整流单元的正向输出端与所述逆变电路的正向输入端连接，所述单相全桥整流单元的负向输出端与所述整流电路的正向输出端连接；
15.所述单相全桥逆变单元，用于根据控制信号进行开通或关断，进而控制所述中频变压器原边交流电压的大小、方向、频率；
16.所述中频变压器，用于将所述中频变压器原边交流电压按原副边匝比衰减，从中频变压器副边传输至所述单相全桥整流单元；
17.所述单相全桥整流单元，用于将所述中频变压器副边电压整流成直流电压。
18.为实现上述目的，本发明还提出一种基于谐波补偿的变频器拓扑控制方法，所述方法基于如上所述的基于谐波补偿的变频器拓扑，所述控制方法包括：
19.整流电路将三相电源提供的初始交流电源转换为直流电源，并将所述直流电源传输至补偿电路；
20.所述补偿电路根据所述直流电源生成补偿电源，将所述直流电源与所述补偿电源进行叠加，以生成标准直流电源，并将所述标准直流电源传输至逆变电路；
21.所述逆变电路将所述标准直流电源转换为交流电，以驱动电动机。
22.为实现上述目的，本发明还提出一种变频器，所述变频器包括如上文所述的基于谐波补偿的变频器拓扑。
23.本发明通过设置整流电路、补偿电路以及逆变电路构成基于谐波补偿的变频器拓扑；整流电路的输入端与三相电源连接，整流电路的正向输出端分别与补偿电路的正向输入端和补偿电路的负向输出端连接，整流电路的负向输出端分别与补偿电路的负向输入端和逆变电路的负向输入端连接，补偿电路的正向输出端与逆变电路的正向输入端连接，逆变电路的输出端与电动机连接；整流电路用于将三相电源提供的初始交流电源转换为直流电源，并将直流电源传输至补偿电路；补偿电路用于将直流电源生成补偿电源，将直流电源与补偿电源进行串联叠加以生成标准直流电源，并将标准直流电源传输至逆变电路；逆变电路，用于将标准直流电源转换为交流电，以驱动电机。本发明通过补偿电路对整流电路整流后的电源进行转换，生成补偿电源，并将补偿电源与整流后的直流电源进行叠加，从而能够准确有效调整输出直流电压幅值，进一步能够增大功率和减少交流输出谐波含量。
附图说明
24.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，下面将对实施例或现
有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
25.图1为本发明提出的基于谐波补偿的变频器拓扑第一实施例的功能模块图；
26.图2为本发明提出的整流电路的电路结构示意图；
27.图3为本发明提出的一种补偿电路的电路结构示意图；
28.图4为本发明提出的另一种补偿电路的电路结构示意图；
29.图5为本发明提出的逆变电路的电路结构示意图；
30.图6为本发明提出的整流电路输出直流电压的波形图(实线)；
31.图7为本发明提出的基于谐波补偿的变频器拓扑控制方法第一实施例的流程示意图。
32.附图标号说明：
33.标号名称标号名称10整流电路l电感20补偿电路c1～c2第一至第二电容30逆变电路d1～d17第一至第十七二极管201单相全桥逆变单元q1～q11第一至第十一绝缘栅双极晶体管202单相全桥整流单元t中频变压器
34.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作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。
36.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
38.参照图1，图1为本发明提出的基于谐波补偿的变频器拓扑第一实施例的功能模块图。
39.如图1所示，在本实施例中，基于谐波补偿的变频器拓扑包括：整流电路10、补偿电路20以及逆变电路30；
40.整流电路10的输入端与三相电源连接，整流电路10的正向输出端分别与补偿电路
20的正向输入端和补偿电路20的负向输出端连接，整流电路10的负向输出端分别与补偿电路20的负向输入端和逆变电路30的负向输入端连接，补偿电路20的正向输出端与逆变电路30的正向输入端连接，逆变电路30的输出端与电动机连接；
41.需要说明的是，工业上用的变频器，分为单相和三相两种，这个是从主回路供电的电压来区分的，三相就是主回路要接入rst三相380伏交流电，输出接uvw三相线给电动机；而单相是主回路接入单相220伏ln交流电，输出同样接uvw三相线给电动机，本实施例优选为三相变频器。
42.可理解的是，三相电源是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120
°
的交流电势组成的电源。电动机是把电能转换成机械能的一种设备。
43.整流电路10，用于将三相电源提供的初始交流电转换为直流电源，直流电源电压含有300hz谐波，并将直流电源传输至补偿电路20；
44.需要说明的是，整流电路10把交流电源转换为直流电源。
45.进一步地，参照图2，图2为本发明提出的整流电路的电路结构示意图。
46.如图2所示，整流电路10包括：第六二极管d6、第七二极管d7、第八二极管d8、第九二极管d9、第十二极管d10以及第十一二极管d11；
47.第六二极管d6的阳极和第七二极管d7的阴极与三相电源的r相连接，第八二极管d8的阳极和第九二极管d9的阴极与三相电源的s相连接，第十二极管d10的阳极和第十一二极管d11的阴极与三相电源的t相连接，第六二极管d6的阴极、第八二极管d8的阴极以及第十二极管d10的阴极与补偿电路20的正向输入端连接，第七二极管d7的阳极、第九二极管d9的阳极以及第十一二极管d11的阳极与补偿电路20的负向输入端连接。
48.应理解的是，本实施例中整流电路10由三相电源供电，整流电路10由六个二极管组成，第六二极管d6、第八二极管d8以及第十二极管d10为共阴极组，第七二极管d7、第九二极管d9以及第十一二极管d11为共阳极组。
49.补偿电路20，用于根据直流电源生成补偿电源，将直流电源与补偿电源进行串联叠加，以生成标准直流电源，并将标准直流电源传输至逆变电路30；
50.可理解的是，在直流电输入至补偿电路20中时，补偿电路20可根据直流电源生成补偿电源，可以将整流电路10输出的直流电源和补偿电路20输出的补偿电源进行串联叠加，以生成标准直流电源。
51.进一步地，参照图3，图3为本发明提出的一种补偿电路的电路结构示意图。
52.如图3所示，补偿电路20包括：电感l、第一电容c1、第一二极管d1以及第一绝缘栅双极晶体管q1；
53.电感l的第一端分别与第一电容c1的负极和整流电路10的正向输出端连接，电感l的第二端分别与第一二极管d1的阳极和第一绝缘栅双极晶体管q1的集电极连接，第一绝缘栅双极晶体管q1的发射极与整流电路10的负向输出端连接，第一电容c1的正极分别与第一二极管d1的阴极和逆变电路30的正向输入端连接。
54.在具体实现中，可通过软件控制第一绝缘栅双极晶体管q1的通断时间，第一绝缘栅双极晶体管q1的导通时间越长，电感l的储能越多，在第一绝缘栅双极晶体管q1断开的时候，电感l可通过第一二极管d1向第一电容c1充电，在充电完成后，第一电容c1作为补偿电源，与整流后的直流电源串联叠加，一起向逆变电路30中的负载进行放电。因此，可根据第
一绝缘栅双极晶体管q1的导通时长控制补偿电路20的输出的补偿电压，第一绝缘栅双极晶体管q1的导通时间越长，补偿电压越大。
55.参照图4，图4为本发明提出的另一种补偿电路的电路结构示意图。
56.如图4所示，补偿电路20包括：单相全桥逆变单元201、中频变压器t以及单相全桥整流单元202；
57.单相全桥逆变单元201的正向输入端与整流电路10的正向输出端连接，单相全桥逆变单元201的负向输入端与整流电路10的负向输出端连接，单相全桥逆变单元201的第一输出端与中频变压器t的第一输入端连接，单相全桥逆变单元201的第二输出端与中频变压器t的第二输入端连接，中频变压器t的第一输出端与单相全桥整流单元202的第一输入端连接，所述中频变压器t的第二输出端与所述单相全桥整流单元202的第二输入端连接，单相全桥整流单元202的正向输出端与逆变电路30的正向输入端连接，单相全桥整流单元202的负向输出端与整流电路10的正向输出端连接；
58.单相全桥逆变单元201，用于根据控制信号进行开通或关断，进而控制中频变压器t原边交流电压的大小、方向、频率；
59.单相全桥逆变单元201包括：第二绝缘栅双极晶体管q2、第三绝缘栅双极晶体管q3、第四绝缘栅双极晶体管q4以及第五绝缘栅双极晶体管q5；
60.第二绝缘栅双极晶体管q2的集电极和第四绝缘栅双极晶体管q4的集电极与整流电路10的正向输出端连接，第三绝缘栅双极晶体管q3的发射极和第五绝缘栅双极晶体管q5的发射极与整流电路10的负向输出端连接，第四绝缘栅双极晶体管q4的发射极分别与第五绝缘栅双极晶体管q5的集电极和中频变压器t的第一输入端连接，第二绝缘栅双极晶体管q2的发射极分别与第三绝缘栅双极晶体管q3的集电极和中频变压器t的第二输入端连接。
61.需要说明的是，第二绝缘栅双极晶体管q2、第三绝缘栅双极晶体管q3、第四绝缘栅双极晶体管q4以及第五绝缘栅双极晶体管q5的导通时间可由控制信号进行控制。
62.中频变压器t，用于将中频变压器原边交流电压按原副边匝比衰减，从中频变压器副边传输至单相全桥整流单元202；
63.中频变压器t的原边线圈的一端与单相全桥逆变单元单元201的第一输出端连接，中频变压器t的原边线圈的另一端与单相全桥逆变单元单元201的第二输出端连接，中频变压器t的副边线圈的一端与单相全桥整流单元202的第一输入端连接，中频变压器t的副边线圈的另一端与单相全桥整流单元202的第二输入端连接。
64.单相全桥整流单元202，用于将中频变压器副边电压整流成直流电压。
65.需要说明的是，由于中频变压器t输出的副边电压是交流电压，因此需要设置单相全桥整流单元202将交流信号转换为直流电压，然后输出至逆变电路30。
66.具体的，单相全桥整流单元202包括：第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4以及第五二极管d5；
67.中频变压器t的第一输出端分别与第四二极管d4的阴极和第五二极管d5的阳极连接，中频变压器t的第二输出端分别与第二二极管d2的阳极和第三二极管d3的阴极连接，逆变电路30的正向输入端分别与第二二极管d2的阴极和第五二极管d5的阴极连接，逆变电路30的负向输入端分别与第三二极管d3的阳极和第四二极管d4的阳极连接。
68.可理解的是，补偿电路20还包括：第二电容c2；第二电容c2的正极分别与单相全桥
整流单元202的正向输出端和逆变电路30的正向输入端连接，第二电容c2的负极分别与单相全桥整流单元202的负向输出端和整流电路10的正向输出端连接；
69.在具体实现中，单相全桥逆变单元201的有效导通时间越长，中频变压器t的原边线圈储能越多，中频变压器t的副边线圈的电压也会越大，然后通过单相全桥整流单元202将中频变压器输出的交流电压转换为直流电压，并对第二电容c2进行充电。因此，可根据单相全桥逆变单元201的有效导通时长控制补偿电路20的输出的补偿电压，单相全桥逆变单元201的有效导通时间越长，补偿电压越大。
70.将所述整流电路10产生的直流电源与所述补偿电路产生的补偿电源进行串联叠加，即二者电压相加，谐波相互抵消，生成标准直流电源，并将所述标准直流电源传输至所述逆变电路30；
71.可选的，根据所述直流电源与所述补偿电源串联，叠加输出的电压作为反馈值，目标电压作为设定值，二者形成闭环调节，调节补偿电路的开关导通时间，使叠加的电压稳定，无谐波，形成标准直流电源，并将所述标准直流电源传输至所述逆变电路30；另外该标准直流电源的电压可以比整流电路的输出电压峰值高，这样驱动能力更强。
72.逆变电路30，用于将所述标准直流电源转换为交流电，驱动电动机。
73.进一步地，参照图5，图5为本发明提出的逆变电路的电路结构示意图。
74.如图5所示，逆变电路30包括：第六绝缘栅双极晶体管q6、第十二二极管d12、第七绝缘栅双极晶体管q7、第十三二极管d13、第八绝缘栅双极晶体管q8、第十四二极管d14、第九绝缘栅双极晶体管q9、第十五二极管d15、第十绝缘栅双极晶体管q10、第十六二极管d16、第十一绝缘栅双极晶体管q11以及第十七二极管d17；
75.补偿电路20的正向输出端分别与第六绝缘栅双极晶体管q6的集电极、第十二二极管d12的阴极、第八绝缘栅双极晶体管q8的集电极、第十四二极管d14的阴极、第十绝缘栅双极晶体管q10的集电极以及第十六二极管d16的阴极连接，整流电路10的负向输出端分别与第七绝缘栅双极晶体管q7的发射极、第十三二极管d13的阳极、第九绝缘栅双极晶体管q9的发射极、第十五二极管d15的阳极、第十一绝缘栅双极晶体管q11的发射极以及第十七二极管d17的阳极连接，第六绝缘栅双极晶体管q6的发射极、第十二二极管d12的阳极、第七绝缘栅双极晶体管q7的集电极以及第十三二极管d13的阴极与电动机的u相连接，第八绝缘栅双极晶体管q8的发射极、第十四二极管d14的阳极、第九绝缘栅双极晶体管q9的集电极以及第十五二极管d15的阴极与电动机的v相连接，第十绝缘栅双极晶体管q10的发射极、第十六二极管d16的阳极、第十一绝缘栅双极晶体管q11的集电极以及第十七二极管d17的阴极与电动机的w相连接。
76.进一步地，参照图6，图6为本发明提出的整流电路输出的直流信号的波形图(实线)。
77.如图6所示，在实际情况中，经过整流电路会产生谐波成分，也就是会产生凹坑，在图6中，纵坐标代表输出电压值u，横坐标代表周期t，电压最大值为220*sqrt(2)*sqrt(3)＝537v，电压最小值为220*sqrt(2)*3/2＝467v，经过补偿电路叠加后，会生成平滑的波形，也就是所有时刻的电压会变成537v，此时功率增大了(1/2*(537
‑
467)*t)/537*t＝1/15，因此，在经过补偿电路进行补偿后，功率也会增大1/15。
78.本实施例通过设置整流电路、补偿电路以及逆变电路构成基于谐波补偿的变频器
拓扑；整流电路的输入端与三相电源连接，整流电路的正向输出端分别与补偿电路的正向输入端和补偿电路的负向输出端连接，整流电路的负向输出端分别与补偿电路的负向输入端和逆变电路的负向输入端连接，补偿电路的正向输出端与逆变电路的正向输入端连接，逆变电路的输出端与电动机连接；整流电路用于将三相电源提供的初始交流电转换为直流电源，并将直流电源传输至补偿电路；补偿电路用于根据直流电源生成补偿电源，将直流电源与补偿电源进行叠加以生成标准直流电源，并将标准直流电源传输至逆变电路；逆变电路，用于将标准直流电源转换为交流电源。本实施例通过补偿电路对整流电路整流后的电压进行转换，生成补偿电压，并将补偿电压与整流后的电压进行叠加，从而能够准确有效调整电压幅值，进一步能够增大功率。
79.基于本发明提出的基于谐波补偿的变频器拓扑，提出一种基于谐波补偿的变频器拓扑控制方法，参考图7，图7为本发明提出的基于谐波补偿的变频器拓扑控制方法第一实施例的流程示意图。
80.本实施例中，所述所述控制方法包括：
81.步骤s10：整流电路将三相电源提供的初始交流电转换为直流电源，并将所述直流电源传输至补偿电路；
82.需要说明的是，工业上用的变频器，分为单相和三相两种，这个是从主回路供电的电压来区分的，三相就是主回路要接入rst三相380伏交流电，输出接uvw三相线给电动机；而单相是主回路接入单相220伏ln交流电，输出同样接uvw三相线给电动机，本实施例优选为三相变频器。
83.可理解的是，三相电源是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120
°
的交流电势组成的电源。电动机是把电能转换成机械能的一种设备。
84.步骤s20：所述补偿电路根据所述直流电源生成补偿电源，将所述直流电源与所述补偿电源进行叠加，以生成标准直流电源，并将所述标准直流电源传输至逆变电路；
85.可理解的是，在直流信号输入至补偿电路中时，补偿电路可根据直流电源生成补偿电源，将整流电路输出的直流电源和补偿电路输出的补偿电源进行串联，以生成无谐波直流电源，亦即标准直流电源。
86.步骤s30：所述逆变电路将所述标准直流电源转换为交流电，以驱动电动机。
87.本实施例通过整流电路将三相电源提供的初始交流电转换为直流电源，并将直流电源传输至补偿电路，补偿电路根据所述直流电源生成补偿电源，将直流电源与补偿电源进行叠加，以生成标准直流电源，并将标准直流电源传输至逆变电路，逆变电路将所述标准直流电源转换为交流电，以驱动电动机。本实施例通过补偿电路对整流电路整流后的电压进行转换，生成补偿电压，并将补偿电压与整流后的电压进行叠加，从而能够准确有效调整电压幅值，进一步能够增大功率。
88.为实现上述目的，本发明还提出一种变频器，所述变频器包括如上所述的基于谐波补偿的变频器拓扑。由于本变频器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
89.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。