单相和三相功率变换器的统一控制的制作方法.docx

单相和三相功率变换器的统一控制的制作方法专利名称：：单相和三相功率变换器的统一控制的制作方法技术领域：：本发明是关于功率变换器的控制，尤其是针对单相和三相功率变换器的统一控制背景技术：：现在已发展出许多针对单相和三相功率变换器的电压调压和电流整形的控制方法已知的控制器包括正弦占空比调制以及双位(bang-bang)型的控制器但是，有限的动态范围，高损耗和谐波失真，以及各相间可能产生的控制冲突，使得它们不如基于空间矢量调制(SVM)的控制器那么普及作为现在最普及的控制方法，基于SVM的控制器有着良好的特性；但是，其不可或缺的d/q变换需要高速的数字信号处理器(DSP)以及高采样率的模数(A/D)变换，这些都极大程度地增加了设计难度和成本因此，需要有一种适用于不同功率变换器的统一控制方法，它能使变换器具有良好性能，却不需类J象基于SVM的控制器那样的复杂度和高成本发明内容本文所描述的是对单相和三相控制器的统一控制方法以及实现方式通过具体实施范例，本文提出了一个统一控制器，以用来控制三相三线、三相四线电压源型变换器、用来电流整型的三相式变换器以及单相全桥电压源型变换器此统一变换器包括一个反馈信号处理器，一个选区器，一个控制信号选择器，一个控制核心，和一个门信号分配器。

基于对功率变换器交流电压过零点的检测，选区器把每个电周期分成不同的有效区反馈信号处理器把从功率变换器反馈的电压和/或电流信号处理后生成中间级信号(例如，相电压)控制信号选择器从反馈信号处理器接收中间级信号(例如，相电压)，并根据选区器给出的有效区选择一个或多个中间级信号(例如，相电压)来组成控制信号控制核心则才艮据控制信号选择器产生的控制信号来生成占空比信号门信号分配器才艮据选区器给出的有效区把占空比信号分别送给功率变换器中适当的开关本文例举了用以控制不同功率变换器的不同的反馈信号处理器的实现方式控制信号选择器和门信号分配器均可用逻辑电路实现，其实现方式是在测出的有效区内，根据相应的逻辑表来选择中间级信号(例如，相电压)作为控制信号，以及发送由控制核心生成的占空比信号不同的逻辑表可用来控制不同的功率变换器控制核心的实现范例包括脉宽调制控制(PWM)以及单周控制(OCC)以上所列的实施以及实现方式仅为范例，并非用以限定此发明所涵盖范围以下的图表以及详细说明应足以向行内人士说明此发明的其他系统、方式、特点和优点所有说明中所包括的附加系统、方法、特点和优点都属本专利范畴，并受到相应的所有权保护。

本专利不局限于需要实施范例的细节通过研习附加的图表，可以在一定程度上理解本专利的细节，包括制作，结构以及操作这里图表的编号和引文中的编号相对应图1所示的是一个三相四线电压源逆变器(VSI)型的电压发生器，以及一个三相三线电压源逆变器型的电压发生器(除去虚线部分)图2所示的是一个具有电流整形功能的三相功率变换器图3所示的是一个单相全桥电压源逆变器(VSI)型的电压发生器图4所示的是一个三相交流电压的例子图5所示的是一个单相交流电压的例子图6所示的是一个门信号驱动的时序图例子图7所示的^1根据本发明的一个具体实施例子得出的统一控制器框图图8所示的;i才艮据本发明的一个具体实施方式得出的可用于电压调压的三相^Jt信号处理器图9所示的;l根据本发明的一个具体实施方式得出的可用于电流整形的三相^Jf信号处理器图IO所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的可用于电压调压的单相反馈信号处理器图11所示的^1才艮据本发明的一个具体实施方式得出的一个三相脉宽调制(PWM)控制核心.图12所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的一个三相单周控制(OCC)控制核心图13所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的一个单相单周控制(OCC)控制核心。

图14所示的是三相四线电压源逆变器带三个单相非线性负载的实验波形具体实施例方式在此处所描述的是可用于控制以下功率变换器的统一控制方法以及实现方式1.三相四线电压源逆变器(VSI)作为电压发生器，2.三相三线电压源逆变器(VSI)作为电压发生器，3.具有电流整形功能的三相功率变换器，以及4.单相全桥电压源逆变器作为电压发生器以下例举了这些功率变换器图1例举的是一个在不间断电源系统(UPS)以及马达驱动中常用来产生三相电压的三相四线VSI此三相VSI把直流电压转换成三相交流电压此VSI包括开关T叩-Txn以及由电感LA-Lx和电容CA-Cc组成的滤波器，它们连接直流源以及三相交流负载通过让开关按一个控制器产生的占空比门驱动信号来^Mt，此VSI可以产生如图4所示的三相交流电压若移走虚线内的元件(即中线开关Txp和Txn，中线电感Lx和负栽中性点和电容中性点间的连接)，图1所示的VSI(仅有实线)则代表了一个三相三线VSI型的电压发生器三相三线VSI适用于对称的三相负载，而三相四线VSI可用于不对称负载图2例举的是一个常用于的三相功率变换器，例如功率因素矫正型整流器，有源功率滤波器，或者无功发生器。

此功率变换器包括六个开关Tap-lcn和三个电感LA-LC，用以连接直流母线E和三相交流源流过电感的电流可以通过让开关按一个控制器产生的占空比门驱动信号来操作而得到整形.图3例举的是一个单相全桥VSI,它是图1所示的三相VSI在单相应用中的对应电路此单相全桥VSI由四个开关T化-T2n和一个LC滤波器组成通过让开关按由一个控制器决定占空比的门驱动信号来操作，此单相VSI可以向负载提供如图5所示的单相正弦电压V这些开关通常是由半导体开关来实现，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，绝,双极晶体管(IGBT)或带反向并联二极管的碳化硅(SIC)开关同一个桥臂上的两个开关按互补方式运行例如，图1的开关T叩和Tan在同一个M上，它们运行方式是互补的，当Tap导通时，Tan关断，>^之亦然图6所示的是一个进到半导体开关的门驱动信号的时序图例子当门驱动信号为高时，开关导通；为低时，开关关断开关工作在从几KHz到几百KHz不等的开关频率上如图6所示，门驱动信号在一个开关周期Ts内有T旭的时间为高开关的占空比定义为开关的导通时间T皿和一个开关周期T,的比值图4所示的三相交流电压描述了图1电路所产生的理想的电压参考波形，或是图2电路中的交流电压源波形。

在图4中，三个交流电压有相同的频率，如60Hz，但120的相位差图5所示的单相电压描述了图3电路向负载提供的理想的电压参考波形在图4中，一个电周期可以依据交流电压的it^点被分成六个区，每个区为60°在图5中，一个电周期可以依据单相交流电压的it^点被分成两个区例如图5中的电周期被分成了0°~180和180°~360°的两个区图7表示本发明的一个实现电压发生和具有电流整形功能的功率变换的统一控制器的一个较优的实施方式此统一控制器由一个反馈信号处理器110，一个选区器115，一个控制信号选择器120,—个控制核心125，和一个门信号分配器130组成反馈信号处理器110处理来自功率变换器的反馈电压和/或电流信号，并把结果(由Vp代表)iH/v控制信号选择器120基于对功率变换器如图4或图5所示的交流电压过零点的检测，选区器115判断出有效工作区选区器115把有效区信号iH^控制信号选择器120以及门信号分配器130中控制信号选择器120根据选区器115给出的有效区域信息，选出了来自反馈信号处理器110输出(由Vp代表)的有效控制信号(由CON代表)被选中的有效控制信号(由CON代表)经控制核心125处理后产生占空比信号(由d^JJ。

门信号分配器130根据选区器115选择的有效区把占空比信号分别送给功率变换器中适当的开关(由T代表)以下提供了此统一控制器各构成要素的实现方式的例子^J^信号处理器的实现方式可以实现反馈信号处理器110的方式很多实现方式取决于，例如，此统一控制器是否用在三相电压产生器上以进行三相电压调压(如图1所示)，用于功率变换器上进行三相电流整形(如图2所示)，或单相电压产生器上进行单相电压调压(如图3所示)图8表示可用于三相电压发生器(如图l所示)上进行电压调压的反馈信号处理器的实现实例在此实现方式中，三相电压发生器的三相相电压VA、Vb、Vc检测后乘增益Hsv再和三相参考电压VA_ref、VB_ref、Vc_ref相比较它们的差异被i^三个比例积分微分(PIDWh(尝器PID补偿器的输出减去被测电流Iaf画Icf乘以增益Hsi以及传递函数Hfllter，其结^it大Ki倍后可构成电压VP_A、Vp.b和Vp.c，它们被iHA^控制信号选择器120如表l所示，被测电流IAT-ICF可以为零，电感电流t，电容电流Ic，或者经过高频滤波器Hhpf的电容电流Ic表1列举了可成为IaF一IcF的不同的被测电流和相应的Hfflter。

如表1所示，被测电流IAF-ICF，可从三相电压发生器(如图l所示)的电感LA-Lc的电流lLA-Itc中检测或从电容CA-Cc的电流中检测得到电流可由电阻检测，这样反馈信号处理器中的被测电流以正比于被测电流的电压形式存在表l.三相双环补偿器控制^ttableseeoriginaldocumentpage9图9例举了一个用在具有电流整形功能的功率变换器(如图2所示)的反馈信号处理器110的实现在此实现中，直流母线电压E按HDC的比例被检测并和参考电压Vref比较PID补偿器补偿它们的差别以保持直流母线电压稳定PID补偿器的输出乘以由增益Hsv检测出的三相交流电压(如图4所示)，其结果和乘以增益Hsi的检测出的电感电流Ila、i!3和tc相加后构成电压Vp_a、Vp_b、Vp.c，它们被iH/v控制信号选择器领先或落后于交流电压90的无功功率参考电压，被加入Vp-a、VP_B和Vp.c中以产生无功(VAR)(如虚线内所示)当无功功率参考电压的幅值为零时，功率源电流不包含VAR成分图IO例举了一个用于单相电压发生器(如图3所示)电压调压的反馈信号处理器110的实现在此实现中，电压V按HDC的比例被检测并和参考电压Vref比较，它们的差别由PID补偿器4M尝。

PID补偿器的输出减去被测电流Ip乘以增益玩i和传递函数Hfllter，其结&故大IQ倍后可构成电压Vp，它们被iltV控制信号选择器120如表2所示，被测电流IF可以为零，电感电流t，电容电流Ic，或者经过高通滤波器Hhpf的电容电流Ic表2.单相双环补偿器控制^无电$充^卜偿lL补偿器Ic补偿器带高通滤波器的Ic补偿器If0IcIcHfiiter011Hhpf控制信号选择器和门信号分配器的实现控制信号选择器120和门信号分配器130可以由纯逻辑电路实现控制信号选择器120选择出有^目电压并把它们"控制核心125，而门信号分配器:fc^控制核心来的占空比信号分配给适当的开关表3列出了控制三相功率变换器(如图l和2所示)的逻辑，表4列出了控制单相功率变换器(如图3所示)的逻辑在表3中，控制信号选择器120>^^^馈信号处理器110产生的VP_A、Vp—b和Vp.c中选出有效信号CONp、CONn、CON"符号Vp.ab代表VP.A减去Vp-b，同样的标志方式也用于Vp.ac、Vp.Bc，等等符号dp、dn和dx是从控制核心125输出的占空比信号，它们由门信号分配器130分配给图1和2所示的功率变换器的适当的开关Tap-Txn。

符号dt是在整个区都导通的占空比信号CONx和dx的选择逻辑只有图1所示的三相四线VSI需要10tableseeoriginaldocumentpage11例如，在0区，有效信号CONp、CONn、CONx分别是Vp-AB、Vp-CB和-Vp.B占空比信号dp、dn和dx被分别分配到开关Tan、Tcn~Txn，而Tbn在整个区都导通因为其他的开关Tap、。