一種帶開關續流電容的交直交變頻器及其控制方法

一種帶開關續流電容的交直交變頻器及其控制方法
【專利摘要】本發明公開一種帶開關續流電容的交直交變頻器及其控制方法，將普通變頻器逆變橋并聯的大電容換成小電容并與小電容串聯一個有續流二極管的功率開關器件。該拓撲結構下并聯的電容沒有對整流輸出的直流電有濾波作用。當負載中有電感并且向直流母線端有續流電流時，會造成直流母線電壓的升高即造成泵升電壓，當泵升電壓達到設置的閾值電壓時微控制器會發出觸發脈沖觸發功率開關管V7的導通使電容C1接入電路形成電感的續流回路。本發明的拓撲形式減小了變頻器的體積降低了成本，并且通過選擇基于正弦波脈寬調制(SPWM)的控制方式和直接轉矩控制方式實現變頻器的高性能。
【專利說明】一種帶開關續流電容的交直交變頻器及其控制方法 【技術領域】
[0001 ]本發明涉及交直交變頻器技術領域，特別涉及一種帶開關續流電容的交直交變頻 器及其控制方法。 【【背景技術】】
[0002] 目前普通帶續流電容的交直交變頻器主要功能先是將輸入的三相交流電經過變 頻器的三相整流橋轉換為直流電，然后整流出來的直流電經過變頻器三相逆變橋轉換為交 流電。如圖1為普通變頻器的電路拓撲形式，在工頻三相電通過三相整流橋后輸出具有波動 的直流電壓經過大電容C的濾波后變成沒有波動的穩定的直流電。此時沒有波動的直流電 輸入三相逆變橋的輸入端，通過微控制器的控制觸發圖1中的功率開關器件。如圖1，由六個 二極管構成的三相不可控整流電路。整流電路上橋臂的三個二極管共陰極連接，下橋臂的 三個二極管共陽極連接。在整流橋的輸出端并聯一個大電容C，經過電容C濾波的直流電輸 入三相逆變橋的輸入端，三相逆變橋由六個并聯續流二極管的功率開關器件構成。控制三 相逆變橋的功率開關管的開關狀態使逆變橋的交流側輸出PWM波形的交流電。從上述分析 可知在普通變頻器的三相逆變橋的輸入端通常并聯一個大電容，大電容對三相整流橋輸出 的直流電有很好的濾波作用，可以消除整流橋輸出直流電的紋波穩定直流輸入電壓。在直 流母線并聯電容便于感性負載電感的續流，吸收負載端回饋的無功功率，因此直流側電容 也起到緩沖無功能量的作用。大電容往往要求有更高的耐壓值所以對材料的生產工藝有更 高的要求因此大電容的價格較高體積也很大。因此由于大電容的存在使普通變頻器的體積 較大成本更高。變頻器中的其他器件相對于電解電容更不容易損壞，因此變頻器的壽命主 要由電解電容決定，大的電容更容易損壞從而影響了變頻器的壽命。
[0003] 普通變頻器為了保證其穩定性和高性能需在直流側并聯大電容，但與此同時增加 了變頻器體積和成本。 【
【發明內容】
】
[0004] 為解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種帶開關續流電容的交直交變頻器 及其控制方法，該交直交變頻器是在變頻器的三相逆變橋的輸入側并聯一個小電容，并與 電容串聯一個有并聯二極管的功率開關器件。這種拓撲結構不僅能實現普通變頻器的高性 能而且減小了變頻器的體積降低了成本增加了變頻器的壽命。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用以下技術內容：
[0006] 一種帶開關續流電容的交直交變頻器，包括三相整流橋、電容C1、三相逆變橋和微 控制器;所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進線端通過直流母線連接，所述的電容 C1并聯在直流母線上，電容支路上設置有與電容C1串聯的帶有反并聯二極管V7的功率開關 器件D7;三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端分別與電網和負載連接形成主回路;所 述的微控制器與功率開關器件D7及三相逆變橋的功率開關器件均連接。
[0007] 三相逆變橋由六個并聯續流二極管的功率開關器件構成六個橋臂，其中開關器件 VI與開關器件V4構成上下橋臂，開關器件V3、開關器件V6構成上下橋臂，第五開關器件V5、 第二開關器件V2構成上下橋臂。
[0008] 直流母線側設置有電壓傳感器，電壓傳感器檢測直流母線的電壓信息并反饋到微 控制器中。
[0009] 所述的電容C1的容值為100~1000UF。
[0010] -種帶開關續流電容的交直交變頻器的控制方法，包括以下步驟：
[0011]主回路結構中三相交流電先通過三相整流橋，整流輸出的直流電輸入三相逆變橋 的直流側，微控制器控制三相逆變橋的功率開關器件的開關時間和順序使變頻器處于不同 的工作方式給負載供電，同時通過控制與電容C1串聯的功率開關管D7的關斷來控制并聯電 容C1是否接入電路中；微控制器的控制策略包括基于正弦波脈寬調制的控制方式和直接轉 矩控制方式。
[0012] 當處于正弦波脈寬調制的控制方式時，三相逆變橋的上下橋臂交替導通，在橋臂 切換時負載中的電感會有續流電流產生，續流電流流向直流母線導致直流母線產生栗升電 壓；當栗升電壓達到閾值電壓時，微控制器控制功率開關器件V7導通使電容C1接入電路中， 此時電感的續流電流流向電容C1;當續流完成后，當電容C1兩端電壓大于直流母線的電壓 時，電容C1中儲存的能量會通過二極管VD7回饋到負載中。
[0013] 正弦波脈寬調制的控制方式是指以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為 調制波，以頻率比期望高的等腰三角形作為載波，當調制波與載波相交時，由它們的交點確 定逆變器功率開關器件的通斷時刻，控制逆變橋功率開關開通使逆變輸出獲得幅值相等、 寬度按正弦規律變化的脈沖序列。
[0014] 當處于直接轉矩控制方式時，三相整流橋的直流輸出側接入逆變橋的輸入側，時 刻檢測交流電機的定子磁鏈與電磁轉矩，并將檢測的結果與期望值進行比較，微控制器通 過比較的結果選取相應的電壓空間矢量進而開通三相逆變橋對應的功率開關器件，減小定 子磁鏈與電磁轉矩與期望值的差距;在直接轉矩控制有電感的負載時，電感產生續流電流 通過逆變橋的開關器件回流到負載的內部，最終電感儲蓄的能量由內部內阻消耗。
[0015] 直接轉矩的控制方式是根據定子磁鏈幅值偏差A WS的大小和電磁轉矩偏差A 的大小，再依據當前定子磁鏈矢量Ws所在的位置，選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁 鏈幅值和電磁轉矩的偏差，實現電磁轉矩和定子磁鏈的控制。
[0016] 直接轉矩控制采用兩點式或三點式滯環控制器對磁鏈和轉矩進行控制。
[0017] 相對于現有技術，本發明具有以下技術效果：
[0018] 本發明將普通變頻器的直流母線并聯的大電容換成小的電容并與小電容串聯一 個有反并聯二極管的功率開關器件。這種拓撲形式不僅減小了變頻器的體積而且也可以實 現變頻器的高性能，減小了變頻器的體積便于變頻器的攜帶運輸也降低了成本，與此同時 小電容不容易損壞從而增加了變頻器的壽命。綜上所述，本發明帶開關續流電容拓撲形式 的交直交變頻器不僅具有體積小成本較低壽命長的優點，而且在負載是異步電機時可以通 過選擇不同的控制策略實現出系統的高性能。
[0019] 該拓撲下的變頻器三相整流橋輸出的電壓沒有經過并聯電容進行濾波穩壓，即在 整流輸出時與電容串聯的功率開關管沒有開通使電容接入電路。該拓撲形式下的并聯電容 可以起到交流側電感續流的作用，即當負載中有電感且向逆變橋的直流側有續流時功率開 關管會開通使電容接入電路形成續流回路。
[0020] 進一步，在直流母線側安裝一個電壓傳感器并設置一個閾值電壓，電壓傳感器時 刻檢測直流母線的電壓，并將檢測電壓大小的信息反饋到微控制器中。當負載中電感向直 流側續流時會產生栗升電壓，當栗升電壓達到閾值電壓時微控制器發出信號觸發與電容串 聯的功率開關管使電容接入電路。
[0021] 本發明的控制電路中工頻電依次通過三相整流橋和三相逆變橋后給負載供電，供 電過程電容沒有對整流輸出的直流電有濾波作用，并通過選擇基于正弦波脈寬調制的控制 方式和直接轉矩控制方式實現變頻器的高性能。當負載中有電感并且向直流母線端有續流 電流時，會造成直流母線電壓的升高即造成栗升電壓，當栗升電壓達到設置的閾值電壓時 微控制器會發出觸發脈沖觸發功率開關管的導通使電容接入電路形成電感的續流回路。
[0022] 正弦波脈寬調制是通過控制逆變橋功率開關器件的開關狀態使逆變輸出獲得幅 值相等、寬度按正弦規律變化的脈沖序列，這種方法就是正弦波脈寬調制。本發明拓撲形式 下，整流電路輸出的直流電沒有經過電容的濾波穩壓，所以輸出的直流電是波動的。在本發 明拓撲結構下使用正弦脈寬調制的方法控制逆變電路功率開關器件的開關狀態輸出幅值 按正弦規律變化的交流電。當負載為三相交流電機時，本發明結構下利用正弦脈寬調制的 方法控制逆變橋功率開關器件的狀態輸出的交流電與普通變頻器用正弦脈寬調制的方法 控制輸出的交流電作用效果是相同的。根據變頻器所接負載的要求利用微控制器控制逆變 橋每個橋臂的開關器件的開通和關斷，使變頻器的輸出滿足要求。
[0023] 直接轉矩控制是根據定子磁鏈幅值偏差的大小和電磁轉矩偏差的大小，再依據當 前定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值和電磁轉 矩的偏差，實現電磁轉矩和定子磁鏈的控制。本發明結構下由于直流側輸出電壓是波動的， 所以得到的空間電壓矢量幅值是波動的。但是各個基本電壓矢量作用的時間可以計算出來 使最終的作用效果與普通變頻器的相同，都達到了減小定子磁鏈和電磁轉矩與期望值差距 的效果。實現變頻器的高性能。 【【附圖說明】】
[0024] 圖1為普通變頻器的電路拓撲結構。
[0025]圖2為本發明一種帶開關續流電容的交直交變頻器主回路結構拓撲圖。
[0026]圖3是附圖2中工頻三相電經過整流橋輸出的電壓波形。在不可控整流電路中直流 側輸出的交流線電壓中最大的一個所以得到了附圖3的電壓波形。
[0027]圖4是在具有波動的直流電Udt作用下輸出的PWM波形。
[0028]圖5是穩定直流電Ud作用下輸出的PWM波形。
[0029]圖6是相電壓空間矢量圖。
[0030]圖7是基本的電壓空間矢量圖。
[0031 ] 圖8是兩點式磁鏈滯環控制器的原理框圖。當A W彡ev時，Fw=l;當A 時， Pv = _l;當_￡v〈 A $〈￡^日寸，Pv = 0〇
[0032] 圖9是三點式轉矩雙滯環控制器的原理框圖。當A Te彡eT時，Ft= 1;當A Te彡_eT時， Ft=_1 ;當-￡t〈 a Te〈0,0〈 A Te〈￡T時，Ft不變；當 a Te = 0時，Ft = 0。
[0033]圖10是普通變頻器下逆變橋產生基本電壓矢量化電壓幅值圖形。
[0034] 圖11是帶續流電容的變頻器中逆變橋產生基本電壓矢量< 電壓幅值波形。 【【具體實施方式】】
[0035] 下面參照附圖對本發明作進一步說明。
[0036] 如圖2中，本發明一種帶開關續流電容的交直交變頻器，將大電容換為小的電容并 與電容串聯一個反并聯續流二極管的功率開關器件。工頻三相電先通過三相橋式不可控整 流電路轉換為直流電輸出。與整流橋的輸出相連的是三相逆變橋，三相逆變橋由六個并聯 續流二極管的功率開關器件構成六個橋臂，其中開關器件VI與開關器件V4構成上下橋臂， 開關器件V3、開關器件V6構成上下橋臂，第五開關器件V5、第二開關器件V2構成上下橋臂。 整流輸出與逆變橋的輸入并聯一個電容C1，與C1串聯一個有反并聯續流二極管VD7的功率 開關器件V7。
[0037]當變頻器接入有電感的負載，三相逆變橋若開通的功率管是VI、V6、V2且三個橋 臂，當V1、V6、V2同時關斷時電感會向直流側產生續流電流。續流電流流向是：負載電感- VD3、VD5-V7-C1-VD4-負載電感。電感續流時間是很短的，在短時間的續流過程會產生 尖峰脈沖而直流母線并聯小電容可以起到續流吸收尖峰脈沖的作用。
[0038]普通變頻器當輸入功率為1KW時，并聯在直流母線的電解電容的大小約為1 OOOuF， 而本發明在相同輸入功率下完全可以并聯一個容值只需普通變頻器并聯電容的十分之一 的電容也就是容值為lOOuF的電容。因此本發明在減小了變頻器的體積便于變頻器的攜帶 運輸也降低了成本，與此同時小電容不容易損壞從而增加了變頻器的壽命。
[0039]主電路結構中三相交流電先通過三相橋式整流橋。整流輸出的直流電輸入三相逆 變橋的直流側，選擇逆變橋的控制策略利用微控制器MCU控制逆變橋功率開關器件的開關 時間和順序使變頻器處于不同的工作方式。
[0040]若負載中是具有電感的，當處于SPWM的控制方式中時，在此種控制方式下逆變橋 的上下橋臂交替導通。即在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。可能是上面一個橋臂下面兩 個橋臂，也可能是上面兩個橋臂下面一個橋臂同時導通。在橋臂切換時負載中的電感會有 續流電流產生。如當開關器件V1、V2、V3由開通狀態轉為關斷，開關器件V4、V5、V6由關斷轉 為開通時，會有續流電流流向直流母線導致直流母線產生栗升電壓。當栗升電壓達到閾值 電壓時功率開關器件V7導通使電容C1接入電路中，此時電感的續流電流流向電容C1。在續 流過程續流路徑是：負載電感4VD54V7-C14VD4、VD64負載電感。當續流完成后，當電容 兩端電壓大于直流母線的電壓時，電容中儲存的能量會通過二極管VD7回饋到負載中。
[0041 ]當處于直接轉矩控制方式時，三相整流橋的直流輸出側直接入逆變橋的輸入側。 時刻檢測交流電機的定子磁鏈與電磁轉矩，并將檢測的結果與期望值進行比較。通過比較 的結果選取相應的電壓空間矢量進而開通三相逆變橋對應的功率開關器件，減小定子磁鏈 與電磁轉矩與期望值的差距。如Fw=1，Ft = -1，且磁鏈在第一扇區時，查表知對應的電壓空 間矢量為 <，對應圖2開通的功率開關管是VI、V5、V6。若Fw、Ft的值保持不變，當磁鏈旋轉到 第二扇區時相應的電壓空間矢量是為，對應圖2開通的功率開關器件是￥1，2、￥6。在開關器 件的切換過程中負載電感有續流電流產生，續流路徑是:負載電感-V6-VD2、VD4-負載電 感。可知在直接轉矩控制有電感的負載時，電感產生續流電流不會回饋到直流母線而是由 通過逆變橋的開關器件回流到負載的內部，最終電感儲蓄的能量由內部內阻消耗。因此在 直接轉矩的控制方式下逆變橋的直流側并聯的續流電容沒有接入電路形成續流回路。
[0042]本發明以三相交流電源（圖2中A、B、C)供電，在變頻器所接負載中有電感且向直流 側續流產生栗升電壓時并聯電容才會接入電路，因此并聯電容沒有對直流電有穩壓濾波作 用，整流輸出的直流電是波動的如圖3所示。根據變頻器所接負載的要求利用微控制器控制 逆變橋每個橋臂的開關器件的開通和關斷，使變頻器的輸出滿足要求。當變頻器接入有電 感的負載如三相異步電機，當負載中的電感有續流電流流向直流母線時，此時需要通過微 控制器控制三相逆變橋直流側開關器件V7的開通使電容C1接入電路中此時三相逆變橋直 流側的電容起到續流和吸收回饋無功功率的作用。
[0043]本發明在三相逆變橋的直流側接入電壓傳感器并設置一個閾值電壓，若當負載中 有電感且向直流側續流時，由于三相整流電路的電路特性使電感的續流電流不會回饋到電 網中去從而會使直流側的電壓UEF升高，在U EF的值達到預設的閾值時微控制器MCU會向全控 器件V7發出觸發信號觸發V7的導通。V7的導通使電容C1接入到電路中，此時逆變橋交流側 的電感的續流電流會流向電容C1將無功功率傳遞到電容中。當負載中的電感不再續流時， 由于直流母線的電壓是波動的，當電容電壓大于直流母線電壓時，電容C1會通過二極管VD7 向交流側回饋能量。
[0044]當負載為三相異步電機時，使用該拓撲結構的變頻器有兩種控制策略，分別是： [0045] (1)基于正弦波脈寬調制(spm〇的控制方式
[0046] 以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調制波，以頻率比期望高的多的等 腰三角形作為載波，當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器功率開關器件的通 斷時刻，這種確定逆變橋功率器件開關的方法稱作"自然采樣法"，用自然采樣法控制逆變 橋功率開關開通使逆變輸出獲得幅值相等、寬度安正弦規律變化的脈沖序列，這種方法就 是正弦波脈寬調制。
[0047] 在本發明的變頻器的拓撲形式下三相整流橋的輸出是具有波動的直流電壓如圖3 所示。在具有波動直流電輸入下，三相逆變橋輸出幅值按正弦規律變化的PWM波形如圖4所 示，在直流母線電壓低的時候輸出HVM的波形的幅值低，在直流母線電壓高的時候輸出PWM 波形的幅值高。在相同工頻三相電輸入下，帶續流電容變頻器輸出的PWM波形如圖5所示。在 圖4和圖5中找出任意時間點的一個PWM脈沖周期，在圖5的一個脈沖周期中電壓的時間積分 t-bT S -W/f，由于實際變頻器輸出PWM波形頻率很高，可以認為圖4中PWM波形
中的每個脈沖周期正負脈沖的幅值是相同的，如圖4中所示的一個脈沖周期中電壓的時間積分 WS 民尸I~~Am-，令Si = s2,進而得出 'I 在實際操作中利用上述方法確定圖4中每個脈沖周期^^、^~，然后利用微控制器改變調 制波使本發明拓撲形式下輸出的PWM波形每個脈沖周期的^^。^滿足要求。
[0048] 當電機轉速不是很低時，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的關系近似為 ^ ~ | usdt, r+.r
[0049] 在圖4中一個脈沖周期電壓作用產生的磁鏈矢量屮、jV/，//:，在圖5中磁鏈矢 t t+T 量免，= >,聲，由& = &易得中S1 =中通過微控制器的控制可使本發明拓撲形式下 t 變頻輸出PWM波形每個脈沖周期電壓產生磁鏈的效果與普通變頻器輸出PWM波形產生的效 果相同，進而使兩種拓撲形式下作用電機的總體效果是一樣的。
[0050] (2)直接轉矩控制方式
[0051] 直接轉矩的控制方式的基本思想是根據定子磁鏈幅值偏差A WS的大小和電磁轉 矩偏差A 的大小，再依據當前定子磁鏈矢量WS所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢 量，減小定子磁鏈幅值和電磁轉矩的偏差，實現電磁轉矩和定子磁鏈的控制。直接轉矩控制 采用兩點式或三點式滯環控制器對磁鏈和轉矩進行控制。
[0052] 考慮交流電機繞組的空間位置，可以定義三個定子相電壓的空間矢量如圖6所示。 在普通的變頻器拓撲結構下，由逆變橋開關器件的八種開關狀態可得到八種基本的空間矢 量:ii。~如圖7所不，其中有效工作矢量是4~，而電壓矢量<、為零矢量。
[0053] 在電機運行時時刻檢測電機的電磁轉矩與定子的磁鏈并將檢測值與期望值進行 比較。如圖8所示為兩點式磁鏈滯環控制器，w為控制器的帶寬。當A W彡師時，Fw= 1，選擇 相應的電壓矢量使Ws增加；當A 時，Fw=_l，選擇相應的電壓矢量使WS減小；當 〈A 時，Fw = 0,保持原來的電壓矢量不變。圖9為三點式轉矩滯環控制器，eT為控制器 的帶寬。當A Te彡eT時，Ft = 1，選擇相應的電壓矢量使Te增加；當A K_eT時，Ft = -1，選擇 相應的電壓矢量使TV咸小；當_eT〈 A TX0，0〈 A TXet時，Ft不變，保持原來的電壓矢量不變； 當A Te = 0時，Ft = 0，選擇相應的電壓矢量使轉矩保持不變。根據Fw、Ft的值用查表法選取 電壓空間矢量，零矢量按照開關損耗最小的原則選取。
[0054] 當定子磁鏈位于第一扇區時，若此時!^=1、？1=1，則根據查表可知應該選取的空 間電壓矢量為七，此時對應三相逆變橋開通的功率開關器件是VI、V2、V3。當磁鏈旋轉到第 二扇區時，若Fw = 1、FT= 1，查表可得則對應的電壓空間矢量是義，此時對應三相逆變橋開 通的功率開關器件是￥2、￥3、￥4。選取的空間電壓矢量從1^轉換到々 3時，逆變橋功率開關器 件導通的狀態也發生了變化。如圖2有上述在功率管VI關斷V4導通時，電機中電感會有續流 電流產生，續流電流的流通路徑是：負載4V2-VD4、VD6-負載。由上述續流電流的路徑可 知利用直接轉矩控制三相異步電機時，電機的內部的電感的續流不會回饋到直流母線側產 生栗升電壓，電感中儲存的能量最終由電機內阻消耗。在這種控制策略下并聯在直流側的 電容不會接入電路起到續流作用。
[0055] 在本發明結構下的變頻器由于直流母線電壓是波動的，所以由逆變器八種開關狀 態得到的八種基本空間電壓矢量的幅值大小是波動的。以電壓空間矢量&為例，帶續流電 容變頻器逆變橋輸出得到的
，而帶開關續流電容變頻器逆變橋輸出的
，k為整數。其中udt的 波形和圖3的電壓波形是相同的。
[0056]義的幅值波形如圖10所示，在直接轉矩控制時若選擇的空間電壓矢量:化作用的時 間為Ti，在產生相同的作用效果下選擇電壓矢量< 作用時間為T2如圖11所示。在圖10中化作 用下產生的磁鏈大小
，在圖11中<作用下產生的磁鏈大小
，可得T2,利用上述方法利用微控制器控制所選 擇的在直流電壓Ud t輸入下逆變橋輸出的空間電壓矢量作用時間。從而確定和電壓矢量6,作 用效果相同空間電壓矢量％所作用的時間。
[0057]通過上述描述，帶開關續流電容變頻器仍然可以使用直接轉矩控制的策略，實時 監測電機定子磁鏈與電磁轉矩并與期望值進行比較，再根據比較的結果選擇合適的空間電 壓矢量，使定子磁鏈與電磁轉矩與期望值差距減小。由于本發明拓撲形式下的形成的基本 空間電壓矢量的幅值是變動的，但是各個基本電壓矢量作用的時間可以計算出來使最終的 作用效果與普通變頻器的相同，都達到了減小定子磁鏈和電磁轉矩與期望值差距的效果。 綜上所述，帶開關續流電容結構的變頻器也可以使用直接轉矩控制。
[0058]由上可知，基于正弦波脈寬調制(SPWM)的控制方式中，在直流側電壓是Udt時，通過 比較計算得到每個脈沖周期正向脈沖和反向脈沖的作用時間使在每個脈沖周期脈沖電壓 產生的磁鏈效果與當直流側電壓是Ud作用時對應每個脈沖周期脈沖電壓的作用效果相同。 在使用直接轉矩控制的方式中，時刻檢測電磁轉矩與定子磁鏈并與并分別與各自期望的值 進行比較。根據比較的結果選取合適的電壓空間矢量對電機轉矩與定子磁鏈進行調節進而 提尚了系統的性能。
[0059]綜上所述，本發明帶開關續流電容拓撲形式的交直交變頻器不僅具有體積小成本 較低壽命長的優點，而且在負載是異步電機時可以通過選擇不同的控制策略實現出系統的 生會
【主權項】
1. 一種帶開關續流電容的交直交變頻器，其特征在于:包括三相整流橋、電容Cl、三相 逆變橋和微控制器;所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進線端通過直流母線連接， 所述的電容Cl并聯在直流母線上，電容支路上設置有與電容Cl串聯的帶有反并聯二極管V7 的功率開關器件D7;三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端分別與電網和負載連接形 成主回路;所述的微控制器與功率開關器件D7及三相逆變橋的功率開關器件均連接。2. 根據權利要求1所述的一種帶開關續流電容的交直交變頻器，其特征在于:三相逆變 橋由六個并聯續流二極管的功率開關器件構成六個橋臂，其中開關器件Vl與開關器件V4構 成上下橋臂，開關器件V3、開關器件V6構成上下橋臂，第五開關器件V5、第二開關器件V2構 成上下橋臂。3. 根據權利要求1所述的一種帶開關續流電容的交直交變頻器，其特征在于:直流母線 側設置有電壓傳感器，電壓傳感器檢測直流母線的電壓信息并反饋到微控制器中。4. 根據權利要求1所述的一種帶開關續流電容的交直交變頻器，其特征在于:所述的電 容Cl的容值為100~lOOOuF。5. -種基于權利要求1所述的帶開關續流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在 于:包括以下步驟： 主回路結構中三相交流電先通過三相整流橋，整流輸出的直流電輸入三相逆變橋的直 流側，微控制器控制三相逆變橋的功率開關器件的開關時間和順序使變頻器處于不同的工 作方式給負載供電，同時通過控制與電容Cl串聯的功率開關管D7的關斷來控制并聯電容Cl 是否接入電路中；微控制器的控制策略包括基于正弦波脈寬調制的控制方式和直接轉矩控 制方式。6. 根據權利要求5所述的帶開關續流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 當處于正弦波脈寬調制的控制方式時，三相逆變橋的上下橋臂交替導通，在橋臂切換 時負載中的電感會有續流電流產生，續流電流流向直流母線導致直流母線產生栗升電壓； 當栗升電壓達到閾值電壓時，微控制器控制功率開關器件V7導通使電容Cl接入電路中，此 時電感的續流電流流向電容Cl;當續流完成后，當電容Cl兩端電壓大于直流母線的電壓時， 電容Cl中儲存的能量會通過二極管VD7回饋到負載中。7. 根據權利要求6所述的帶開關續流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 正弦波脈寬調制的控制方式是指以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調制 波，以頻率比期望高的等腰三角形作為載波，當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆 變器功率開關器件的通斷時刻，控制逆變橋功率開關開通使逆變輸出獲得幅值相等、寬度 按正弦規律變化的脈沖序列。8. 根據權利要求6所述的帶開關續流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 當處于直接轉矩控制方式時，三相整流橋的直流輸出側接入逆變橋的輸入側，時刻檢 測交流電機的定子磁鏈與電磁轉矩，并將檢測的結果與期望值進行比較，微控制器通過比 較的結果選取相應的電壓空間矢量進而開通三相逆變橋對應的功率開關器件，減小定子磁 鏈與電磁轉矩與期望值的差距;在直接轉矩控制有電感的負載時，電感產生續流電流通過 逆變橋的開關器件回流到負載的內部，最終電感儲蓄的能量由內部內阻消耗。9. 根據權利要求8所述的帶開關續流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 直接轉矩的控制方式是根據定子磁鏈幅值偏差A Ψ5的大小和電磁轉矩偏差△ Te3的大 小，再依據當前定子磁鏈矢量所在的位置，選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅 值和電磁轉矩的偏差，實現電磁轉矩和定子磁鏈的控制。10.根據權利要求9所述的帶開關續流電容的交直交變頻器的控制方法，其特征在于： 直接轉矩控制采用兩點式或三點式滯環控制器對磁鏈和轉矩進行控制。
【文檔編號】H02M7/5387GK105958836SQ201610505248
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】段明亮, 榮為青, 高澤宇, 李鳴, 吳輝, 賈娟娟, 孟彥京, 董保勝
【申請人】陜西科技大學, 陜西和創自動化工程有限公司