專利名稱：逆變器裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種逆變器裝置及其控制方法，尤其涉及一種正弦脈寬調制(SPWM) 單相全橋式逆變器(FBI)的串并聯式多電平逆變器的基本工作原理與控制方法。
背景技術：
傳統的二極管箝位多電平逆變器及其控制系統或者是飛跨電容箝位多電平逆變 器及其控制系統，常常因為結構復雜，與其他裝置不太兼容等問題而出現操作上和生產上 的不便捷，例如(1)當輸出電壓電平數相同時，存在均壓問題，且所使用的元件數量比較 多，更容易出現許多不可預知的問題，且不可以使用性能較好的IGBT作開關；(2)輸出功率各不相同，不易實現模塊化，也不容易實現軟開關，在生產中不符合 現代高簡約信息化的趨勢，且浪費空間和資源；(3)控制電路復雜，在電學及電路設計上不易實現，且出錯率較高；(4)對輸出電壓波形的改善效果也不盡如人意。因此，正是由于上述的種種原因，傳統的逆變器裝置及其控制方法已暴露太多的 弊端，一種新型的克服上述缺陷的逆變器裝置及其控制方法的發明勢在必行。
發明內容
針對背景技術中所涉及的問題，即在傳統逆變器裝置及其控制方法的設計中經常 會出現如下后果，(1)當輸出電壓電平數相同時，存在均壓問題，且所使用的元件數量比較 多，(2)輸出功率各不相同，不易實現模塊化，也不容易實現軟開關，(3)控制電路復雜，且 出錯率較高；(4)對輸出電壓波形的改善效果也不盡如人意。為克服上述缺陷，本發明采用了一種新的技術方案，一種逆變器裝置，其包括正 弦脈寬調制(SPWM)單相全橋式逆變器(FBI)的串并聯式多電平逆變器所述SPWM-FBI的 應用聯接方式包括有單獨應用、串聯應用、并聯應用和串并聯應用；所述SPWM-FBI可采用 IGBT作開關；所述SPWM-FBI的單獨應用，在三相逆變器電路中相當于一個三相全橋式逆變 器，其輸出電壓u即為三相逆變器的相電壓；所述N個SPWM-FBI的串聯應用，在三相電路中 組成一 A相逆變器，其采用直接串聯疊加的方式獲得可以消除相電壓中NF士 1次以下的諧 波的SPWM多電平輸出；所述N個SPWM-FBI的并聯應用和串并聯應用時必須采用平衡電抗
ο一種逆變器裝置的控制方法，其采用N個正弦脈寬調制(SPWM)單相全橋式逆變 器(FBI)的串并聯式多電平逆變器串聯疊加及相量演算V/f控制方式的變頻器電路利用電 動機的基本數學方程式(穩態或動態)導出速度的方程式進行演算，給出反應電機轉矩的 電流給定值分量Id*和勵磁電流給定值分量Ip* ；將逆變器輸入到電機定子繞組的，包含勵 磁電流分量和轉子電流分量的三相電流ia、ib、ic，通過電流互感器的檢測并利用式(10) 將其進行三相到二相的坐標變換；將定子電流分解成實際的轉矩分量Id和勵磁分量Iq，用 IcUIq與給定值Id*、Iq*進行比較，得到轉矩與勵磁電流的偏差值Δ Id、Δ Iq ；此偏差值經過PI調節器變換成與其成比例的電壓給定值Vd*、Vq*，將Vd*、Vq*通過下面的變換式進行 二相到三相的坐標變換，得到定子電壓的設定值uA*、uB*、uC* ；然后用Va*、Vb*、Vc*作為正 弦調制波信號，通過對載波三角波的比較就可以生成多電平逆變器的SPWM驅動信號，去驅 動控制逆變器，實現對電動機的V/f協調控制；所述當逆變器采用并聯或串_并聯疊加時， 用同樣的電路也可以實現電動機的V/f協調控制。本發明的有益效果是具有獨立直流電源的SPWM單相逆變橋(SPWM-FBl)直接串 聯疊加的多電平逆變器控制簡單，輸出波形好，由于各個FBI的輸出功率相同，因而易于模 塊化，可用IGBT作開關器件。這些優點，將使這種拓撲獲得廣泛應用。
具體實施例方式本發明介紹了一種新的采用正弦脈寬調制(SPWM)單相全橋式逆變器(FBI)的串 并聯式多電平逆變器的基本工作原理與控制方法。所述SPWM單相逆變橋(SPWM-FBI)直接 串聯疊加的多電平逆變器，是繼二極管箝位和飛跨電容箝位多電乎逆變器之后開發出來的 又一種多電平逆變器。它與前兩種多電平逆變器相比，具有以下優點。(1)當輸出電壓電平數相同時，所使用的元件最少，且不存在均壓問題，可以用 IGBT作開關；(2)各個FBI的輸出功率相同，容易實現模塊化，也容易實現軟開關；(3)控制電路 簡單；(4)對輸出電壓波形的改善效果好。所述SPWM-FBl的輸出電壓表示如下所述調制波為正弦波，載波為三角波，可以 采用同步調制(F恒定)和非同步調制(F可變)。在用于非同步調制時.SPWM凋制波各周 期中所包含的脈沖數及模式沒有重復性，因而不能以調制波角頻率為基準進行分析，而只 能以載波三角波角頻率為基準來分析它的邊頻帶分布情況比較合適，也就是采用雙重傅里 葉級數分析法。用正弦調制波與載波三角波進行比較。對于正弦調制波的正半周，在正弦 波大于三角波的部分，得到正半周SPWM波形的正脈沖，在正弦波小于三角波的部分，得到 正半周SPWM波形的零電平；對于正弦波的負半周，在正弦波小于三角波的部分，得到負半 周SPWM波形的負脈沖，在正弦波大于三角波的部分，得到負半周SPWM波形的零電平。為了分析方便，把載波三角波用分段線性函數表示，它的兩個線性函數的斜率分
別為十·和，初始值分別為零和Uc，Uc為載波三角波的幅值。假定三角波的角頻率 TT IT
為《C，初相位角為α，則載波三角波的數學表示式為 其中k = 1,2,3,……。正弦調制波的初相位角為零，則μ s的表達式為 載波比&叢 \ ,調制度財
，SPWM波的采樣點在Us與Us的交點處，即在在采樣點 a 令ω st = Y ； ω ct = X，則得 在采樣點b，同上可以求得 可知Χ = ω ct在2 π k+ α至Ij 2 π (k+1) + α區間，在a、b點之間得到up的正脈沖， 故可以得到UP的SPWM波形的時間函數為 時間函數式Up(X，Y)可以用雙承傅里葉級數表示 U9 (X , ￥)= …A Μ,+ Σ (A imCQ^nX +Βαβ ηη F)+
式中/1咖+j B哪^
將式(3)代入上式得
由貝塞爾函數得 當η為零或偶數時，l-eJ" = 0，Amn+jBmn = 0，當η為奇數時，= 2，所以 當m = 時，=丄，貝ij
因為Up(X，Y)從波形看是奇函數，故得Α。η = 0 當η = 1時，Bol = ME ；當η乒1時，ΒοΙΟ，故得up的SP麗波形的雙重傅里葉級 數表示式，亦即SPWM-FBI的輸出電壓表示式為 由式(5)算出SPWM-FBI輸出電壓up的頻譜，在up中將會消除F士 1次以下的諧 波，UP的幅值隨著M的增加呈線性增大。up為三電平電壓波形。所述SPWM-FBI的應用聯接方式為SPWM_FBI的應用聯接方式有4種即單獨應 用、串聯應用、并聯應用和串_并聯應用。SPWM-FBI的單獨應用，在三相逆變器電路中相當于一個三相全橋式逆變器，它的 輸出電壓up即為三相逆變器的相電壓，即ua = up。N個SPWM-FBI的串聯應用，在三相電路中組成的A相逆變器，采用直接串聯疊加的 方式獲得SPWM多電平輸出，以消除相電壓中NF士 1次以下的諧波。假定各個SPWM-FBl所采 用的直流電源電壓相同且都等于E，它們的載波三角波幅值為Uc，初相位角依次滯后2 π / N。如果第一個三角波的初相位角為α 1 = 0，則第二、第三…第N個三角波的初相位角依次
“。用同一個A相的正弦波電壓作為調制
波進行控制，即可得到輸出電壓upl upn，而且upl upn應具有相同的基波電壓。
根據式(5)及載波三角波的初相位角可得到upl upn的傅里葉級數c 由于 up1~upn
具有相同的基波電壓，則
于偶數時N取正號)。所以，A相輸出電壓Ua為
(6) 從式(6)可知，N個SPWM-FBI的串聯疊加，可以消除NF士 1次以下的諧波，并使輸
，作生=-6-^=120時，在A相
出電壓的幅值增大了 N倍。當N = 5，開關頻率
輸出電壓的雙重傅里葉級數方程式中，將可以消除5X120士 1 = 600士 1以下的諧波，并且 uA的幅值也增大到原有值的5倍。 N個SPWM-FBI的并聯應用，在三相電路中組成的A相逆變器。采用并聯疊加的 方式獲得SPWM多電平電壓輸出，以消除相電壓中NF士 1次以下的諧波。各個SWPM-FBI 采用相同的直流電源電壓Ε.它們的載波三角波初相位角依次滯后2π/Ν。如果第角波的初相位角為α 1 = 0，則第二、第i…第N個三角波的初相位角依次為
用同一個A相的正三弦波電壓作為
N '"J ^ ” N ‘ 、 ‘ 調制波進行控制，即可得到輸出電壓upl upn，而且upl upn應具有相同的基波電壓。 由于up f upn的瞬時值是不相同的，故必須采用平衡電抗器并聯。
根據電工學中的節點電壓法可得 當X1=X2=X=...=XN時 由式(6)可得
將此結果代入式(7)可得 由式⑶可知，N個SPWM-FBI的并聯疊加，可以消除NF士 1次以下的諧波，但不能 增大輸出電壓的幅值。由于upl upn的瞬時值不同，因此并聯疊加時必須采用平衡電抗 器，這是與串聯疊加的不同之處。N個SPWM-FBI的串-并聯應用，在三相電路中組成的A相逆變器。采用串并 聯疊加的方式獲得SPWM多電平電壓輸出，以消除相電壓中NF士 1次以下的諧波。各個 SffPM-FBT采用相同的直流電源電壓E，它們的載波三角波初相位角依次滯后2 π /N。如
果第一個三
角波的初相位角為α 1 = 0，則第二、第三…第N三角波的初相位角依次為
波，得到輸出電壓UPl
I，·。并用同一個A相的正弦波電壓作為調制
upn將具有相同的基波。當A相逆變器由K個串聯支路并聯組成， 每一個串聯支路由N/K個SPWM-FBI串聯時，則每一個SPWM-FBI在A相電路中的排列位置 第一個串聯支路中SPWM-FBI的排列順序為l，i+K，…，N-(K-I) = N-K+1 ；第二個串聯支路 中SPWM-FBI的排列順序為2，2+K，...，N-(K_2) = N-k+2,…，第個串聯支路巾SPWM FBI 的排列順序為K，K+K，…，N-(K-K) =N0假設各個串聯支路的輸出電壓依次為ul uk具 有相同的基波電壓，但它們的瞬時值并不相司，因此必須采用平衡電抗器進行并聯疊加。根據電工學中的節點電壓法可得
當Xi = X2=…=Xk時 根據式(6)，則 由式(9)可知N個SPWM-FBI的串-并聯疊力Π，可以消除NF士 1次以下的諧波，uA
基波電壓的幅值為單個SPWM-FBI輸出電壓up幅值的f =當K = I時式(9)與串聯應用時
的式(6)相同；當K = N時式(9)與并聯應用時的式(8)相同。在采用串-并聯疊加應用 時，N應取K的整倍數。再者，SPWM-FBI各種疊加應用時的控制方式如下所述N個SPWM-FBI串聯、并聯和串-并聯疊加的原理控制電路，它由三部分組成一部 分是產生N個依次滯后相位角的三角波載波發生器；另一部分是產生可以調幅凋頻
的三相正弦波發生器第三部分是用正弦波信號與載波三角波進行比較，產生出SPWM驅動 信號的比較器。這種控制方式可以使逆變器應用于變頻器或逆變電源。當用于變頻器時可 以實現V/f調控制、相量控制、直接轉矩控制或無速度傳感器相量控制等。在具體運用中，采用N個SPWM-FBI串聯疊加及相量演算V/f控制方式的變頻器電 路。利用電動機的基本數學方程式(穩態或動態)導出速度的方程式進行演算，給出反應 電機轉矩的電流給定值分量Id*和勵磁電流給定值分量Ip*。將逆變器輸入到電機定子繞 組的，包含勵磁電流分量和轉子電流分量的三相電流ia、ib、ic，通過電流互感器的檢測并 利用式(10)將其進行三相到二相的坐標變換。
(10)將定子電流分解成實際的轉矩分量Id和勵磁分量Iq，用Id、Iq與給定值Id*、Iq* 進行比較，得到轉矩與勵磁電流的偏差值ΔΙ(1、ΔΙ( 。此偏差值經過PI調節器變換成與其 成比例的電壓給定值Vd*、Vq*，將Vd*、Vq*通過下面的變換式進行二相到三相的坐標變換， 得到定子電壓的設定值uA*、uB*、uC*。然后用Va*、Vb*、Vc*作為正弦調制波信號，通過對 載波三角波的比較就可以生成多電平逆變器的SPWM驅動信號，去驅動控制逆變器，實現對 電動機的V/f協調控制。 當逆變器采用并聯或串-并聯疊加時，用同樣的電路也可以實現電動機的V/f協調控制。
綜上所述具有獨立直流電源的SPWM單相逆變橋(SPWM-FBl)直接串聯疊加的多 電平逆變器控制簡單，輸出波形好，由于各個FBI的輸出功率相同，因而易于模塊化，可用 IGBT作開關器件。這些優點，將使這種拓撲獲得廣泛應用。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。任 何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，利用上述揭示的方法內 容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，均屬于權利要求書保護的范圍。
權利要求
一種逆變器裝置，其包括正弦脈寬調制(SPWM)單相全橋式逆變器(FBI)的串并聯式多電平逆變器，其特征在于所述SPWM-FBI的應用聯接方式包括有單獨應用、串聯應用、并聯應用和串-并聯應用。
2.如權利要求1所述的逆變器裝置，其特征在于所述SPWM-FBI可采用IGBT作開關。
3.如權利要求2所述的逆變器裝置，其特征在于所述SPWM-FBI的單獨應用，在三相 逆變器電路中相當于一個三相全橋式逆變器，其輸出電壓u即為三相逆變器的相電壓。
4.如權利要求2所述的逆變器裝置，其特征在于所述N個SPWM-FBI的串聯應用，在三 相電路中組成一 A相逆變器，其采用直接串聯疊加的方式獲得可以消除相電壓中NF士 1次 以下的諧波的SPWM多電平輸出。
5.如權利要求2所述的逆變器裝置，其特征在于所述N個SPWM-FBI的并聯應用和 串_并聯應用時必須采用平衡電抗器
6.一種逆變器裝置的控制方法，其特征在于1)采用N個正弦脈寬調制(SPWM)單相全橋式逆變器(FBI)的串并聯式多電平逆變器 串聯疊加及相量演算控制方式的變頻器電路利用電動機的基本數學方程式(穩態或動態) 導出速度的方程式進行演算，給出反應電機轉矩的電流給定值分量和勵磁電流給定值分量。2)將逆變器輸入到電機定子繞組的，包含勵磁電流分量和轉子電流分量的三相電流， 通過電流互感器的檢測并將其進行三相到二相的坐標變換。3)將定子電流分解成實際的轉矩分量和勵磁分量，用與給定值進行比較，得到轉矩與 勵磁電流的偏差值。4)此偏差值經過調節器變換成與其成比例的電壓給定值，將通過變換式進行二相到三 相的坐標變換，得到定子電壓的設定值。5)然后通過對載波三角波的比較就可以生成多電平逆變器的SPWM驅動信號，去驅動 控制逆變器，實現對電動機的協調控制。
7.如權利要求6所述的逆變器裝置的控制方法，其特征在于所述當逆變器采用并聯 或串-并聯疊加時，用同樣的電路也可以實現電動機的協調控制。
全文摘要
本發明公開了一種逆變器裝置，其包括正弦脈寬調制(SPWM)單相全橋式逆變器(FBI)的串并聯式多電平逆變器所述SPWM-FBI的應用聯接方式包括有單獨應用、串聯應用、并聯應用和串-并聯應用；本發明的有益效果是具有獨立直流電源的SPWM單相逆變橋(SPWM-FB1)直接串聯疊加的多電平逆變器控制簡單，輸出波形好，由于各個FBI的輸出功率相同，因而易于模塊化，可用IGBT作開關器件。這些優點，將使這種拓撲獲得廣泛應用。
文檔編號H02M7/42GK101882882SQ20091005076
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月7日 優先權日2009年5月7日
發明者舒俊 申請人:上海滬工電焊機制造有限公司