专利名称：用于多级叠加式高压变频器的三次谐波注入控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于多级叠加式高压变频器的三次谐波注入脉宽调制控制方法。
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三次谐波注入控制方法，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三次谐波注入控制方法，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基于平均对称规则采样的三次谐波注入法，即在超前触发或中间触发的平均规则采样法中，在其正弦波信号上叠加一个三次谐波，使之成为马鞍型波；对于三相高压变频器，每相中各个单元中的开关管依次导通，时间间隔Ts/m，其中m为每个中所含的单元个数，也即级数；各相之间相同位置单元相位相差2π/3。
由于采用了以上的方案，将普通(低压)变频调速中用到的三次谐波注入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，可提高电压利用率约15％。
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。
图3是无三次谐波注入时的输出波形示意图。
图4是三次谐波注入时的输出波形。
图5是基于平均规则采样三次谐波注入的相电压和电流波形。
图6是光耦隔离示意图。
图7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，本发明是将基于平均对称规则采样的三次谐波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。
平均对称规则采样的计算公式为Ton=[Ts+M·Ts·Sin(2πft)]/2式中Ton为触发脉冲时间，Ts为开关周期，M为调制系数(以叫调制深度、调制比，范围是0～1)，f为输出频率(即调制频率)。
而我们采用的算法类型为采样型SPWM(正弦脉冲宽度调制)法，具体说就是超前触发(或是中间触发)的平均规则采样法。其计算公式为T11on=[Ts+M·Ts·Sin(2πft)]/2T21on=[Ts-M·Ts·Sin(2πft)]/2式中T11on为触发H桥上臂左管的脉冲，T21on为触发H桥上臂右管的脉冲，2πft为开关角，Ts为开关周期，M为调制深度(调制比，范围是0～1)，f为输出频率(即调制频率)。下臂两个管子的触发与上臂的反相。
三次谐波注入是一种准最优PWM，它与正弦波PWM的不同仅在于调制信号，它是在正弦波信号上叠加一个三次谐波，使之成为马鞍波型。三次谐波注入方案较多，在此根据我们的具体情况，采用的调制信号为G(t)=M[Sin(wt)+Sin(3wt)/k]式中W为角频率，k为三次谐波幅值系数。
调制系数M和三次谐波幅值1/k有多种组合，一般地，M最大值在1～1.2之间。根据查阅的大量的文献资料，k一般多取4、6和12等值，而取6效果略好一些。所以在此有k=6根据k值采用穷举法，经过多次计算仿真，找到M的最大值M(最大值)=1.14电压与输出频率有两种关系直线和平方，也就是M与f有线性关系和平方关系。一般在低频时对电压输出有一定的补偿。
综上所述，所依据的计算公式为T11on=[Ts+M·Ts·(Sin(wt)+Sin(3wt)/k)]/2T21on=[Ts-M·Ts·(Sin(wt)+Sin(3wt)/k)]/2T12on=Ts-T11onT22on=Ts-T21on式中T12on和T22on分别为下臂左管、下臂右管的导通时间。上臂与下臂反相处理。
3、载波移相和单元触发移相角的确定实验证实，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。
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。
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。
我们对上述方法进行了计算机仿真，下面给出一些仿真和实验得到的结果，如图3、图4、图5所示，其中图3是无三次谐波注入时的输出波形示意图，图4是三次谐波注入时的输出波形，图5是基于平均规则采样三次谐波注入的相电压和电流。仿真计算利用Saber语言仿真软件。
表一是两种调制方法的输出电压的THD值。表1
可见，仿真和实验表明无三次谐波的注入相电压的谐波含量THD的值不超过15％，而线电压的谐波含量THD的值为10％左右。三次谐波的注入相电压的谐波含量THD的值为20左％右，而线电压的谐波含量THD的值为10％左右。以上所说都是指在输出频率为50Hz时的波形。
这说明三次谐波注入控制方案可行，谐波含量THD值没有增加，电压利用率提高约15％。
在具体实现时，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6、7所示。
图6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7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。
以上两个例子中，平均规则采样法程序中取开关周期Ts=1/1000s，开关周期为1ms，即开关频率为1KHZ，因此当基波频率为50HZ时，每个周期有20个开关周期，此时M=0.96。
为使实现方法简单、有效，不增加程序中原来(平均规则采样)计算PWM脉冲的时间，依据三次谐波注入法计算公式，只需将正弦表改为马鞍波表，用查表取代计算，减少运算量。马鞍波表总计901点，从0度至90度，分辨率为0.1度，数据为0～87，放大了100倍。
结论在高压变频调速系统上实现三次谐波的注入技术，在输出谐波没有增大的前提下大大提高电压利用率，电压利用率提高约15％。本方法已经在实验产品中成功应用。这种方法的特点是简单、有效，并且电压利用率高。
权利要求
1.用于多级叠加式高压变频器的三次谐波注入控制方法，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基于平均对称规则采样的三次谐波注入法，即在超前触发或中间触发的平均规则采样法中，在其正弦波信号上叠加一个三次谐波，使之成为马鞍型波；对于三相高压变频器，每相中各个单元中的开关管依次导通，时间间隔Ts/m，其中m为每个中所含的单元个数，也即级数；各相之间相同位置单元相位相差2π/3。
2.如权利要求1所述的用于多级叠加式高压变频器的三次谐波注入控制方法，其特征是在每个单元中，所述基于平均对称规则采样的三次谐波注入法计算四个开关管的导通时间的公式如下T11on=[Ts+M·Ts·(Sin(wt)+Sin(3wt)/k)]/2T21on=[Ts-M·Ts·(Sin(wt)+Sin(3wt)/k)]/2T12on=Ts-T11onT22on=Ts-T21on式中T11on为H桥上臂左管的导通时间，对应于触发H桥上臂左管的脉宽调制信号的脉冲宽度，T21on为H桥上臂右管的导通时间，T12on和T22on分别为下臂左管、下臂右管的导通时间；2πft为开关角，Ts为开关周期，M为调制系数，f为输出频率，即调制频率；W为角频率，k为三次谐波幅值系数；
3.如权利要求2所述的用于多级叠加式高压变频器的三次谐波注入控制方法，其特征是其中调制系统M的取值范围为1到1.2之间，三次谐波幅值系数k的取值为4或6或12等值。
4.如权利要求2或3所述的用于多级叠加式高压变频器的三次谐波注入控制方法，其特征是将所述公式事先进行取样计算，做成一个函数表，在实际控制过程中，直接从函数表中查表取得计算结果。
5.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三次谐波注入控制方法，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。
6.如权利要求4所述的用于多级叠加式高压变频器的三次谐波注入控制方法，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三次谐波注入控制方法,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基于平均对称规则采样的三次谐波注入法;而每相中各个单元中的开关管依次导通,时间间隔Ts/m;各相之间相位差2π/3。
文档编号H02M5/40GK1303166SQ01102729
公开日2001年7月11日 申请日期2001年1月5日 优先权日2001年1月5日
发明者宋凌峰, 刘克彬, 王卫勤 申请人:深圳市华为电气技术有限公司