專利名稱：一種能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型pwm變換器及其調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器及其調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
三相電壓型PWM變換器在太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及三相交流電機(jī)的控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)三相電壓型PWM變換器也帶來(lái)了許多負(fù)面效應(yīng)，輸出高頻共模電壓就是其中之一。它會(huì)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高幅值軸電壓，并形成軸承電流，使電動(dòng)機(jī)的軸承在短期內(nèi)損壞，縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命；或者引起并網(wǎng)漏電流，影響可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
現(xiàn)有的抑制三相電壓型PWM變換器輸出共模電壓的方法主要可以分為兩類，一是采用合理的PWM方式；二是改變主電路結(jié)構(gòu)，并選擇合適的PWM方式。
(1)采用合理PWM方式可以減少變換器輸出的共模電壓。其基本思想是不采用零矢量，即在變換器輸出的8個(gè)開(kāi)關(guān)組合中，不使用(111)和(000)這兩個(gè)零矢量，只用六個(gè)有效電壓空間矢量與其作用時(shí)間的線性組合去逼近期望的輸出電壓。三相PWM變換器8個(gè)輸出的電壓空間矢量及其對(duì)直流母線中點(diǎn)O點(diǎn)的共模電壓如表1所示。由表可見(jiàn)，當(dāng)變換器輸出兩個(gè)零矢量時(shí)，其共模電壓最高，是6個(gè)有效電壓空間矢量的3倍，如果使變換器不輸出零矢量，而只用6個(gè)有效電壓空間矢量，可以取得一定的抑制共模輸出電壓的效果，但輸出差模電壓的質(zhì)量變差，輸出電流波形也較差。
表1三相PWM變換器的8個(gè)電壓空間矢量的它們相應(yīng)的共模電壓
(2)采用三相四橋臂的結(jié)構(gòu)和不使用零矢量的方法。三橋臂的結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)無(wú)法使輸出共模電壓為零，但四橋臂的結(jié)構(gòu)可以使變換器在輸出六個(gè)有效電壓空間矢量時(shí)共模電壓為零。其方法是通過(guò)多加的那一個(gè)橋臂輸出的電壓抵消另外三個(gè)橋臂輸出的共模電壓。其不足①增加了成本，不僅僅增加一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)器件，還要增加濾波元件，成本較高；②因不采用零矢量，輸出差模電壓的質(zhì)量變差，輸出電流波形也較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器及其調(diào)制方法，該方法在降低變換器輸出共模電壓的同時(shí)不影響輸出的差模電壓和電流的質(zhì)量，且硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)制方法易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明涉及的能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器包括正直流母線(P)、負(fù)直流母線(N)和傳統(tǒng)的PWM變換器(8)，在正直流母線(P)或負(fù)直流母線(N)與傳統(tǒng)PWM變換器(8)之間加一個(gè)雙向全控開(kāi)關(guān)(7)，所述的雙向全控開(kāi)關(guān)由IGBT、MOSFET或其它電力電子器件組合而成，或者直接是一個(gè)雙向的全控電力電子器件。當(dāng)PWM變換器輸出電壓空間矢量時(shí)，合理地控制這個(gè)雙向全控開(kāi)關(guān)7的開(kāi)通和關(guān)斷，就可以降低PWM變換器輸出的共模電壓。雙向全控開(kāi)關(guān)7的開(kāi)通和關(guān)斷取決于PWM變換器輸出的零矢量。
本發(fā)明涉及的能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器的調(diào)制方法，包括以下方法 PWM變換器(8)的采用單一零矢量的電壓空間矢量調(diào)制(Space Vector Pulse WidthModulation)，對(duì)于圖1(a)所示的電路結(jié)構(gòu)，PWM變換器(8)輸出的單一零矢量為(111)，對(duì)于圖1(b)所示的電路結(jié)構(gòu)，PWM變換器8輸出的單一零矢量為(000)；當(dāng)PWM變換器(8)輸出零矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)(7)關(guān)斷，當(dāng)PWM變換器(8)輸出有效矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)開(kāi)通。
本發(fā)明較詳細(xì)的調(diào)制方法，包括以下方法 PWM變換器(8)采用單一零矢量的電壓空間矢量調(diào)制，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)用兩個(gè)有效矢量和一個(gè)零矢量與其作用時(shí)間的線性組合去逼近期望輸出電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的作用效果；當(dāng)雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)在正直流母線(P)與PWM變換器(8)之間時(shí)，變換器只輸出6個(gè)有效電壓空間矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(111)，而當(dāng)變換器輸出零矢量(111)時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)關(guān)斷，當(dāng)變換器輸出有效電壓空間矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)開(kāi)通；當(dāng)雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)在負(fù)直流母線(N)與PWM變換器(8)之間時(shí)，變換器只輸出6個(gè)有效電壓空間矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(000)，而當(dāng)變換器輸出零矢量(000)時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)關(guān)斷，當(dāng)變換器輸出有效電壓空間矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)開(kāi)通。
本發(fā)明的有益效果是硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，雙向全控開(kāi)關(guān)及傳統(tǒng)PWM變換器可用MOSFET、IGBT以及其它全控半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成，雙向全控開(kāi)關(guān)與PWM變換器的其他開(kāi)關(guān)(1～6)之間的開(kāi)關(guān)邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)PWM變換器的電路結(jié)構(gòu)，并提出相應(yīng)的調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)了降低三相電壓型PWM變換器輸出共模電壓進(jìn)而降低其輸出共模電流的目的?？梢詰?yīng)用于三相太陽(yáng)能、風(fēng)力、燃料電池等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，也可以用于三相變頻器系統(tǒng)，用來(lái)削弱共模電壓帶來(lái)的危害。
四

附圖1(a)和(b)是本發(fā)明提出的變換器硬件結(jié)構(gòu)圖； 附圖2是開(kāi)關(guān)管1～7的調(diào)制方法流程圖； 附圖3(a)是變換器輸出的8個(gè)電壓空間矢量的矢量圖； 附圖3(b)是用兩個(gè)有效矢量和零矢量合成期望電壓矢量的示意圖； 附圖4是與圖3(b)相對(duì)應(yīng)的三相橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)與開(kāi)關(guān)管7的開(kāi)關(guān)函數(shù)圖； 附圖5(a)是傳統(tǒng)PWM變換器采用單一零矢量SVPWM時(shí)的共模電壓和頻譜圖； 附圖5(b)是傳統(tǒng)PWM變換器采用均分零矢量SVPWM時(shí)的共模電壓和頻譜圖； 附圖5(c)是本發(fā)明輸出的共模電壓和頻譜圖。
五具體實(shí)施例方式 結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述 1、硬件電路結(jié)構(gòu)，由IGBT、MOSFET等全控電力電子器件與二極管構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)，或者直接采用商品化的雙向半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)。按圖1(a)或圖1(b)所示構(gòu)成兩種電路結(jié)構(gòu)。在正直流母線(P)或負(fù)直流母線(N)與傳統(tǒng)PWM變換器(8)之間加一個(gè)雙向全控開(kāi)關(guān)(7)，所述的雙向全控開(kāi)關(guān)由IGBT、MOSFET或其它電力電子器件組合而成，或者直接是一個(gè)雙向的全控電力電子器件。當(dāng)PWM變換器輸出電壓空間矢量時(shí)，合理地控制這個(gè)雙向全控開(kāi)關(guān)7的開(kāi)通和關(guān)斷，就可以降低PWM變換器輸出的共模電壓。雙向全控開(kāi)關(guān)7的開(kāi)通和關(guān)斷取決于PWM變換器輸出的零矢量。
2、三相PWM變換器的調(diào)制方式 當(dāng)硬件電路結(jié)構(gòu)采用圖1(a)所示的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，變換器采用單一零矢量SVPWM方式，而且這個(gè)零矢量應(yīng)選擇(111)。當(dāng)硬件電路結(jié)構(gòu)采用圖1(b)所示的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，變換器也采用單一零矢量SVPWM方式，而這時(shí)，零矢量應(yīng)選擇(000)。
有效矢量和零矢量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)分配的作用時(shí)間取決于直流母線電壓Ud、期望輸出電壓Vα、Vβ和開(kāi)關(guān)周期TPWM。其計(jì)算流程的框圖如圖2所示。下面將結(jié)合附圖3，對(duì)具體的基于DSP的實(shí)施過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。
(1)判斷期望的電壓矢量

所在的扇區(qū) 引入三個(gè)中間變量A、B、C IFVβ＞0，Then A＝1，Else A＝0； IF

Then B＝1，Else B＝0； IF

Then C＝1，Else C＝0； 則扇區(qū)SectorNum＝A+2B+4C (2)計(jì)算扇區(qū)的有效電壓空間矢量和零矢量的作用時(shí)間Tx、Ty和T0 引入三個(gè)中間變量X、Y和Z 對(duì)于不同的扇區(qū)，Tx、Ty按表2取值 表2 Tx、Ty取值 進(jìn)行飽和判斷 IFTx+Ty＞TPWM， THENTxsat＝TxTPWM/(Tx+Ty)； Tysat＝TyTPWM/(Tx+Ty)； Tx＝Txsat； Ty＝Tysat 計(jì)算零電壓矢量作用時(shí)間 T0＝TPWM-Tx-Ty (3)比較時(shí)間分配 在不同的扇區(qū)內(nèi)按表3將TL、TM和TH分別賦給CMPR1、CMPR2和CMPR3三個(gè)比較器。比較器與三角波相比較，即得到相應(yīng)的三相橋臂的PWM信號(hào)。
表3比較器的賦值表
3、雙向開(kāi)關(guān)管7的調(diào)制方式 當(dāng)硬件電路結(jié)構(gòu)采用圖1(a)所示的電路時(shí)，三相電壓型PWM變換器輸出有效矢量時(shí)，開(kāi)關(guān)管7應(yīng)開(kāi)通，輸出零矢量時(shí)，開(kāi)關(guān)管7應(yīng)關(guān)斷，如圖4所示。
當(dāng)硬件電路結(jié)構(gòu)采用圖1(b)所示的電路時(shí)，三相電壓型PWM變換器輸出有效矢量時(shí)，開(kāi)關(guān)管7應(yīng)導(dǎo)通，輸出零矢量時(shí)，開(kāi)關(guān)管7應(yīng)關(guān)斷。
由圖5(a)(b)(c)可以看出，本發(fā)明的PWM變換器及其調(diào)制方式對(duì)輸出的共模電壓有較好的抑制作用。共模電壓的低頻和高頻分量顯著降低。
權(quán)利要求
1.一種能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器，包括正直流母線(P)、負(fù)直流母線(N)和傳統(tǒng)的PWM變換器(8)，其特征是在正直流母線(P)或負(fù)直流母線(N)與傳統(tǒng)PWM變換器(8)之間加一個(gè)雙向全控開(kāi)關(guān)(7)，所述的雙向全控開(kāi)關(guān)由IGBT、MOSFET或其它電力電子器件組合而成，或者直接是一個(gè)雙向的全控電力電子器件。
2.一種能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器的調(diào)制方法，其特征是包括以下方法
PWM變換器(8)采用單一零矢量的電壓空間矢量調(diào)制，一種電路結(jié)構(gòu)是，PWM變換器(8)輸出的單一零矢量為(111)，另一種電路結(jié)構(gòu)是，PWM變換器(8)輸出的單一零矢量為(000)；當(dāng)PWM變換器(8)輸出零矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)(7)關(guān)斷，當(dāng)PWM變換器(8)輸出有效矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)(7)開(kāi)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器的調(diào)制方法，其特征是包括以下方法
PWM變換器(8)采用單一零矢量的電壓空間矢量調(diào)制，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)用兩個(gè)有效矢量和一個(gè)零矢量與其作用時(shí)間的線性組合去逼近期望輸出電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的作用效果；當(dāng)雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)在正直流母線(P)與PWM變換器(8)之間時(shí)，變換器只輸出6個(gè)有效電壓空間矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(111)，而當(dāng)變換器輸出零矢量(111)時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)關(guān)斷，當(dāng)變換器輸出有效電壓空間矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)開(kāi)通；當(dāng)雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)在負(fù)直流母線(N)與PWM變換器(8)之間時(shí)，變換器只輸出6個(gè)有效電壓空間矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(000)，而當(dāng)變換器輸出零矢量(000)時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)關(guān)斷，當(dāng)變換器輸出有效電壓空間矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)管(7)開(kāi)通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能夠降低輸出共模電壓的三相電壓型PWM變換器及其調(diào)制方法。這種電路有兩種類型，其電路結(jié)構(gòu)在正直流母線或負(fù)直流母線N與傳統(tǒng)PWM變換器之間加一個(gè)雙向全控開(kāi)關(guān)。其調(diào)制方法是對(duì)于圖1(a)所示的電路，PWM變換器在輸出零矢量時(shí)全部采用(111)，而且當(dāng)其輸出零矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)關(guān)斷，輸出有效矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)開(kāi)通；對(duì)于圖1(b)所示的電路，變換器在輸出零矢量時(shí)全部采用(000)，而且當(dāng)變換器輸出零矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)關(guān)斷，輸出有效矢量時(shí)，雙向全控開(kāi)關(guān)開(kāi)通。本發(fā)明可以用于三相太陽(yáng)能、風(fēng)力、燃料電池等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，也可用于三相變頻器系統(tǒng)，用來(lái)削弱共模電壓帶來(lái)的危害。
文檔編號(hào)H02M7/48GK101771359SQ201010110630
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者趙仁德, 王永軍, 劉星, 馬帥, 許強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)