专利名称：一种基于移相式svpwm调制方法的级联多电平变频调速装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种变频调速系统，特别是一种基于移相式SVPWM(空间矢量脉宽调制；Space Vector Pulse Width Method)调制方法的级联多电平变频调速装置。
背景技术：
电能是当前人类文明发展的动力，也是当前衡量一个国家发展与人民生活的一个 重要指标。我国的电能生产与发展已经名列世界前茅，但仍不能满足工业生产和人民生活 提高的需要，其中一个主要原因就是电能的浪费现象很严重，因此变频调速电路以其优异 的节电性能越来越受到人们的重视。变频调速是一种比较理想的调速方法，其调速性能优 良、效率高，是交流调速电路的主要发展方向。自20世纪90年代以来，多电平技术在高压 大功率方面的应用越来越广泛，而级联多电平技术以其开关损耗小、谐波含量低、效率及功 率因数高等优点，得到了更加良好的发展前景。SVPWM技术将变频器和交流电机视为一个整 体，把数学模型建立在电机统一理论和坐标变换理论基础上，具有电压利用率高、谐波特性 好等优点，在交流调速系统中得到广泛应用，将SVPWM调制技术应用于级联型变频器，能大 大提高点击的运行特性和工作效率。但是传统的SVPWN调制方法中存在的电压矢量选择困 难和计算复杂的问题，传统的载波移向PWM调制方法中存在的电压利用率较低的缺点。
(三)实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频 调速装置，它把三电平SVPWM调制和移相技术结合应用于级联多电平变频调速系统，能够 解决现有技术的不足，是一种结构简单、操作方便、运行速度精度高的变频调速装置。本实用新型的技术方案一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速 装置，包括工频电源、异步电机，其特征在于它主要由变频器主电路、控制电路和采样电路 构成；其中，所说的变频器主电路和控制电路由工频电源为其供电，所说的变频器主电路的 输入端还与控制电路的输出端连接，其输出端与采样电路的输入端、异步电机的输入端连 接；所说的控制电路的输入端与采样电路的输出端连接，输入采样信号，并将得到的PWM控 制信号输送给变频器主电路。上述所说的变频器主电路由3N个功率单元组成，每个功率单元均是一个单相输 出的AC/DC/AC变频器，相邻的N个功率单元的输出端级联组成一相，三相以星形结构连接； 所说的每个功率单元的输入端分别连接控制电路输出端。上述所说的控制电路包括DSP主控板和FPGA板，其中所说的DSP主控板的输出端 与FPGA板的输入端连接，采用DSP与FPGA联合控制，DSP采用TI公司的TMS320LF2812芯 片，FPGA采用Altera公司的Cyclone芯片。上述所说的采样电路由采集电压信号的A/D转换模块、采集电流信号的A/D转换 模块和采集频率信号的A/D转换模块构成，且A/D转换模块采用AD7684型号，其连接为常规连接。本实用新型的工作方法(1)采样电路在变频器主电路输出端检测电压、电流和频率信号，并把这些信号送 入到以DSP为核心的控制电路中；(2) DSP主控板实现电压前馈解耦型矢量控制，并计算出一个三电平变频单元的矢 量，并输出PWM信号； (3) FPGA板接收DSP主控板的PWM信号并对其移相，实现移相式SVPWM输出，从而 控制功率开关器件的触发角和关断角，使各个功率单元输出相位相差η/N、幅值完全相同 的电压；(4)变频调速系统主电路的各功率单元接收控制电路输出的SVPWM信号进行动 作，各个功率单元输出的电压经过叠加形成不同频率和幅值的正弦电压，直接输出供给电 动机，从而实现变频调速功能。本实用新型的工作原理(1)由三电平变频器扩展开去，对于N单元级联变频电 路，每个单元仍可看成一个三电平变频器，故单元级联电路可以采用基本的三电平SVPWM 调制方法。为得到多电平的输出效果，借鉴移相式SPWM的调制思路，每相N单元的各矢量作 用顺序一致，但各级连单元电压矢量作用时间有相位差，即矢量存在相移。设空间矢量的采 样时间为Ts，采用上述调制方法，N单元级联变频电路各单元矢量作用时间的差值为Ts/N ； (2)主控板DSP矢量控制采用汇编语言编程，包括主程序和中断子程序。主程序负责有关相 关的初始化；中断子程序是程序的核心，包括电流采样环节、转速测试环节、坐标变换环节、 转子磁链位置估算环节和PI调节环节等。PWM分配板FPGA芯片采用原理图法和VHDL语 言的混合编程实现PWM脉冲的移相多路输出；(3) DSP只负责一个三电平变频单元的矢量计 算，其他(N-I)单元的矢量控制信号采用FPGA进行移相得出，并在其中加入死区时间(见 图4)。本实用新型的优越性在于⑴利用高性能数字信号处理芯片(DSP与FPGA)及级 联多电平技术实现级联多电平变频调速电路，在很大程度上提高了变频器输出电压的电能 质量，提高了电动机的响应速度和精度；(2)减少了输出电压的谐波含量和du/dt值，逆变 器的开关管工作在低压低频(或工频)状态，开关损耗及EMI较小，效率较高；(3)把三电 平SVPWM调制和移相技术结合应用于级联多电平变频调速系统，能够解决基传统的SVPWN 调制方法中存在的电压矢量选择困难和计算复杂的问题，还能解决传统的载波移向PWM调 制方法中存在的电压利用率较低的缺点。
图1为本实用新型所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装 置的系统结构框图。图2为本实用新型所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装 置中变频器主电路的电路拓扑图。图3为本实用新型所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装 置中控制电路的结构框图。图4为本实用新型所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装置的DSP中断服务子程序流程图。 具体实施方式
实施例一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装置(见图1)，包括工频电源、异步电机，其特征在于它主要由变频器主电路、控制电路和采样电路构成； 其中，所说的变频器主电路和控制电路由工频电源为其供电，所说的变频器主电路的输入 端还与控制电路的输出端连接，其输出端与采样电路的输入端、异步电机的输入端连接；所 说的控制电路的输入端与采样电路的输出端连接，输入采样信号，并将得到的PWM控制信 号输送给变频器主电路。上述所说的变频器主电路(见图2)由3N个功率单元组成，每个功率单元均是一 个单相输出的AC/DC/AC变频器，相邻的N个功率单元的输出端级联组成一相，三相以星形 结构连接；所说的每个功率单元的输入端分别连接控制电路输出端。上述所说的控制电路(见图3)包括DSP主控板和FPGA板，其中所说的DSP主 控板的输出端与FPGA板的输入端连接，采用DSP与FPGA联合控制，DSP采用TI公司的 TMS320LF2812 芯片，FPGA 采用 Altera 公司的 Cyclone 芯片。上述所说的采样电路由采集电压信号的A/D转换模块、采集电流信号的A/D转换 模块和采集频率信号的A/D转换模块构成，且A/D转换模块采用AD7684型号，其连接为常 规连接。
权利要求一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装置，包括工频电源、异步电机，其特征在于它主要由变频器主电路、控制电路和采样电路构成；其中，所说的变频器主电路和控制电路由工频电源为其供电，所说的变频器主电路的输入端还与控制电路的输出端连接，其输出端与采样电路的输入端、异步电机的输入端连接；所说的控制电路的输入端与采样电路的输出端连接，输入采样信号，并将得到的PWM控制信号输送给变频器主电路。
2.根据权利要求1中所述一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装 置，其特征在于所说的变频器主电路由3N个功率单元组成，每个功率单元均是一个单相输 出的AC/DC/AC变频器，相邻的N个功率单元的输出端级联组成一相，三相以星形结构连接； 所说的每个功率单元的输入端分别连接控制电路输出端。
3.根据权利要求1中所述一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装 置，其特征在于所说的控制电路包括DSP主控板和FPGA板，其中所说的DSP主控板的输出 端与FPGA板的输入端连接，采用DSP与FPGA联合控制，DSP采用TI公司的TMS320LF2812 芯片，FPGA采用Altera公司的Cyclone芯片。
专利摘要一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速装置，它由变频器主电路、控制电路和采样电路构成；其优越性为①提高了变频器输出电压的电能质量，提高了电动机的响应速度和精度；②输出电压效率较高；③电压利用率较高。
文档编号H02P27/04GK201563101SQ200920250020
公开日2010年8月25日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者刘欣, 周宣征, 周雪松, 张海涛, 朱毅然, 谷海青, 马幼捷, 齐鸣 申请人:天津理工大学