專利名稱：基于α－β電流分量直接注入的高壓變頻調速方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及變頻調速技術，尤其涉及一種基于α-β電流分量直接注入的高壓變頻調速方法及其裝置。
背景技術：
隨著現代工業的飛速發展，電動機已經成為各工礦企業的主要動力，在冶金、鋼鐵、化工、水處理等行業，由于需要拖動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械設備，電動機已成為不可替代的主要動力源。隨著電力電子技術的飛速發展，各種高性能變頻器也越來越得到電動機用戶的廣泛認可，因此，現代傳動系統主要由“變頻調速系統一電動機-工作機械”組成，逐步取代了傳統的“電動機-工作機械”組成的傳動系統。變頻器的引入，極大的改善了電動機的控制性能，主要表現在以下幾個方面一、使傳動系統能進行持續的、廣泛的變速運轉，具有非常明顯的節能效果；二、使電動機能實行軟啟動和快速的電氣制動；三、能明顯減小電機對電網的諧波污染；四、提高了電動機的使用壽命。因此，變頻器的性能好壞將直接影響電機的動力輸出性能，也將直接影響現代工業生產中產品的質量。令人欣慰的是，隨著新一代電力電子器件和高性能微處理器的推出，以及精確的電機模型和各種先進的控制策略的提出，交流調速系統的控制性能已經越來越高，甚至有取代直流調速系統的可能。
在實際運用中，常用三相逆變電路作為變頻調速逆變部分的主電路，如果死區設置不當，容易在三相橋臂間形成電流回路或造成短路。另外，也容易造成逆變器輸出的三相不平衡，使得電機產生脈動轉矩，不僅對電機有很大的危害，而且影響調速的性能。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點和不足，而提供一種基于α-β電流分量直接注入的高壓變頻調速方法及其裝置。該裝置是一種新型的高壓變頻器主電路拓撲結構，可避免三相逆變器輸出三相電壓不平衡造成電機的轉矩脈動，損害電機并且影響調速性能。
本發明的目的是這樣實現的由兩個單相逆變器組構建三相變頻調速方式，該變頻調速控制算法基于電機的矢量控制方法，基本思路是從坐標變換原理出發，推導出電流源電路的坐標變換模型，并將其引入至三相逆變裝置，構成新型高壓變頻調速裝置。①引入“等量”坐標變換原理；②運用三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止垂直坐標系(α，β)的變換方法推導出三相電流源模型對應的兩相模型，將給定的轉矩電流分量和勵磁電流分量經Park逆變換，即兩相旋轉直角坐標系向兩相靜止坐標系的變換，得到iα，iβ電流分量參考值；通過控制兩相逆變器組即可控制其輸出電流iα和iβ，再經變壓器完成Clarke逆變換即可實現電機的矢量控制；逆變部分采用兩相逆變器組經變壓器構建了三相逆變器的模型。
運用Clarke克拉克逆變換的方法是，將這個兩相的電流源變換為三相電流源，輸出三相電流完成對電機的控制。具體變換過程是用兩相電流源的電流矩陣乘以三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換矩陣MT。運用變壓器電磁比例關系，通過適當設置其變壓器的變比，完成三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換。變壓器在這個過程中作為反變換矩陣MT使用。此種拓撲結構直接采用兩個逆變器組完成三相逆變器組的功能。
本裝置的工作原理是該變頻調速控制算法基于電機的矢量控制原理，先將給定的轉矩電流分量和勵磁電流分量經Park逆變換，即兩相旋轉直角坐標系向兩相靜止坐標系的變換，得到iα，iβ電流分量參考值，因此，只要控制兩相逆變器組輸出相應的電流iα和iβ，此電流分量分別由第1逆變器組3.1、第2逆變器組3.2輸出，可以將此看作為兩相電流源，運用Clarke逆變換，即可以將此兩相的電流源變換為三相電流源，輸出對稱三相電流完成對電機的控制。具體變換過程是用兩相電流源的電流矩陣乘以三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換矩陣MT。在圖4中，運用了變壓器電磁比例關系，通過適當設置其變壓器的變比，完成三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換。變壓器在這個過程中作為反變換矩陣MT使用。這種拓撲結構直接采用兩個逆變器組完成三相逆變器組的功能，避免了三相逆變器的相互影響及輸出電壓的不平衡帶來的危害。
在實際運用中，本裝置還要配合相應的控制電路聯合工作。控制電路包括指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路和驅動電路。這三個電路聯合為本裝置提供控制信號，本裝置在其控制下輸出相應電流完成對電機的矢量控制。對上述三個電路部分將另案申請。
本發明具有以下優點和積極效果①控制逆變器承受的電壓uα、uβ與所發出的電流iαf、iβf相位相差90°，見圖3，使逆變器與系統不交換有功功率，避免了逆變器與系統的相互影響。
②運用單相逆變器實現主電路，有利于實現多電平技術，使此結構更有利于應用于高電壓大功率場合。
③本發明可較好地解決三相逆變器組輸出電壓不平衡的問題，避免脈動轉矩的影響，使調速性能得到進一步的提高。
本發明適用于高電壓、大功率的變頻調速場合。
圖1a為電壓源型單相橋式逆變器電路圖；圖1b為電壓源型三相逆變器連接三角形負載圖；圖2為坐標系(α，β)與坐標系(a，b，c)的向量關系圖；圖3為經變壓器2完成2/3變換后的電壓電流矢量圖；圖4為本裝置的主電路結構圖；其中1-異步電機；2-變壓器，包括2.1-第1變壓器，2.2-第2變壓器，2.3-第3變壓器；3-逆變器組，包括3.1-第1逆變器組，3.2-第2逆變器組。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
1、基于該新型裝置的變頻調速控制方法包括下列步驟①引入“等量”坐標變換原理下面以電流向量i為例，解釋坐標變換原理，如圖2所示。
若電流向量I與α軸間相角為θ，則I在α、β軸上投影和電流向量I在a、b、c三軸上的投影滿足iαiβ=231-12-120-3232iaibic=Miaibic---(1)]]>其中，M為坐標系(a，b，c)到坐標系(α，β)的變換矩陣。反之，也可以將靜止的兩相坐標系(α，β)等效地變為三相坐標系(a，b，c)。同樣以電流為例，寫成矩陣形式為iaibic=2310-12-32-1232iαiβ=MTiαiβ---(4)]]>其中，MT為變換矩陣M的轉置矩陣。
②運用三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止垂直坐標系(α，β)的變換原理推導出三相電流源模型對應的兩相模型設三相交流電流源Iabc為
式中0——電流初始相位角；im——Iabc峰值。
經坐標變換后得 式中M——坐標系(a，b，c)到坐標系(α，β)的變換矩陣；im——Iαβ0峰值；i0——三相電流零軸分量。
③根據電流源變換模型，采用兩相單相逆變器組構建新型三相變頻調速模型該變頻調速控制算法基于電機的矢量控制原理，先將給定的轉矩電流分量和勵磁電流分量經Park逆變換，即兩相旋轉直角坐標系向兩相靜止坐標系的變換，得到iα，iβ電流分量，因此，只要控制兩相逆變器組輸出iα和iβ，再經變壓器2完成Clarke逆變換即可實現電機的矢量控制。與傳統高壓變頻器所不同的是，逆變部分采用兩相逆變器組經變壓器2構建了三相逆變器的模型。
基于該新型高壓變頻調速模型的裝置1、采用如圖1a所示的電壓源型單相橋式逆變器作為兩個逆變器組所要串聯的逆變單元；2、運用兩組單相逆變器組構建三相逆變器的主電路，如圖4所示，由電機1、變壓器2、逆變器組3組成；第1變壓器2.1和第2變壓器2.2的原邊串聯后與第2逆變器組3.2的原邊連接；第3變壓器2.3的原邊與第1逆變器組3.1的原邊連接；第1變壓器2.1、第2變壓器2.2、第3變壓器2.3的副邊采用三角形連接后，分別接電機1的A、B、C相；所述的第1逆變器組3.1、第2逆變器組3.2均由N個(N為1到20的自然數，具體數目視具體情況而定)單相逆變器串聯而成。
3、所述的第1變壓器2.1、第2變壓器2.2、第3變壓器2.3其原邊與副邊的變比分別為n1∶N1＝2∶1、n2∶N2＝2∶1、n3∶N3＝2∶；經仿真試驗驗證采用這種比例設置，能保證各三相電壓、電流向量的幅值、相位三相條件(幅值相等，相位分別相差120°)。當然，根據使用需要還可以設置其它變比值。不過，需要注意隔離的問題，避免變壓器間的相互影響。
4、本裝置是運用變壓器直接實現等效變換原理的一種實現方式，在這種由硬件實現的等效變換引入變頻調速器的原理下，還可以采用多種方式實現這種等效變換的原理。例如，改變變壓器的選擇或連接方式的變化、改變電流輸出點的連接方式等。
5、另外，本裝置采用了級聯式多電平逆變技術，在實際運用中還可以采取其它不同的方式，例如二極管箝位逆變器、電容箝位逆變器等。根據多電平逆變實現方式的不同還應適當選擇調制方式來更好的實現逆變效果。
逆變器組所串聯的每個逆變器單元均為電壓源型單相橋式逆變電路，如圖1a所示即為逆變器組所串聯的單相逆變器單元拓撲結構圖(逆變器組所串聯的單相逆變器單元結構圖)，亦即逆變器組由N個圖1a所示的單元串聯組成。VD/2是指逆變器輸入直流電壓的一半。
圖4中是逆變器組由多個逆變器單元串聯而成的結構圖，只畫出了逆變器1和逆變器N，表示從逆變器1到逆變器N的意思，因為N的具體值應根據具體情況而定，所以不便于全部畫出。
權利要求
1.一種基于α-β電流分量直接注入的變頻調速方法，其特征在于由兩個單相逆變器組構建三相逆變器實現電機的變頻調速，該變頻調速控制的實現算法基于電機的矢量控制，其實現過程如下①引入“等量”坐標變換原理；②運用三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止垂直坐標系(α，β)的變換方法推導出三相電流源模型對應的兩相模型，將給定的轉矩電流分量和勵磁電流分量經Park逆變換，即兩相旋轉直角坐標系向兩相靜止坐標系的變換，得到iα，iβ電流分量參考值，通過控制兩相逆變器組即可控制其輸出電流iα和iβ，再經變壓器完成Clarke逆變換即可實現電機的矢量控制；逆變部分采用兩相逆變器組經變壓器構建了三相逆變器。
2.根據權利要求所述的基于α-β電流分量直接注入的變頻調速方法，其特征在于運用Clarke逆變換的方法是，將兩相電流源變換為三相電流源，輸出三相電流完成對電機的控制用兩相電流源的電流矩陣乘以三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換矩陣MT，再運用變壓器電磁比例關系，通過適當設置其變壓器的變比，完成三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換。變壓器在這個過程中作為反變換矩陣MT使用。此種拓撲結構直接采用兩個逆變器組完成三相逆變器組的功能。
3.基于α-β電流分量直接注入的變頻調速裝置，由異步電機(1)、變壓器(2)、逆變器組(3)組成；其特征是設有二個逆變器組和三個變壓器，其中第1變壓器(2.1)和第2變壓器(2.2)的原邊串聯后與第2逆變器組(3.2)的輸出端連接；第3變壓器(2.3)的原邊與第1逆變器組(3.1)的輸出端連接；第1變壓器(2.1)、第2變壓器(2.2)、第3變壓器(2.3)的副邊或次級采用三角形連接后，分別連接電機(1)的A、B、C相定子接線端；所述的第1逆變器組(3.1)、第2逆變器組(3.2)均由1-20個逆變器串聯而成，串聯逆變器的數量視具體情況而定。
4.按權利要求3所述的高壓變頻調速裝置，其特征在于第1逆變器組(3.1)、第2逆變器組(3.2)均由多個逆變器串聯而成，串聯逆變器的數量視具體情況而定。
5.按權利要求3所述的高壓變頻調速裝置，其特征在于第1變壓器(2.1)、第2變壓器(2.2)、第3變壓器(2.3)其原邊與副邊的變比分別為n1∶N1＝2∶1、n2∶N2＝2∶1、n3∶N3＝2∶。
6.按權利要求3所述的高壓變頻調速裝置，其特征在于逆變器組所串聯的每個逆變器單元均為電壓源型單相橋式逆變電路，如圖1a所示即為逆變器組所串聯的單相逆變器單元拓撲結構圖。
全文摘要
本發明公開了基于α－β電流分量直接注入的變頻調速方法，由兩個單相逆變器組構建三相逆變器實現電機的變頻調速，該變頻調速控制的實現算法基于電機的矢量控制，其實現過程如下①引入“等量”坐標變換原理；②運用三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止垂直坐標系(α，β)的變換方法推導出三相電流源模型對應的兩相模型，將給定的轉矩電流分量和勵磁電流分量經Park逆變換，即兩相旋轉直角坐標系向兩相靜止坐標系的變換，得到i
文檔編號H02P23/04GK1889359SQ20061008828
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月7日 優先權日2006年7月7日
發明者查曉明, 陶桂洪 申請人:南京同步科技有限公司