專利名稱：對(duì)采用四個(gè)開(kāi)關(guān)的三相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难b置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)在采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器中產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置和方法，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償以對(duì)由于電壓脈動(dòng)施加到3相電壓上的嚴(yán)重失真進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置和方法。
通常，如

圖1所示，已知的3相逆變器電路使用6個(gè)功率元件產(chǎn)生a、b和c相電壓。當(dāng)將這些相電壓施加到電機(jī)上時(shí)，電機(jī)就旋轉(zhuǎn)。
然而，這種逆變器電路昂貴，因?yàn)樗鼈兪褂昧?個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件。為了降低這種逆變器電路的成本，所以建議了一種使用4個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制3相電機(jī)的逆變器電路。圖2示出這種電路的一個(gè)實(shí)例。
圖2示出采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)3相逆變器的原理電路圖。如圖2所示，傳統(tǒng)3相逆變器，例如用于控制3相電動(dòng)機(jī)1的電機(jī)控制器包括一對(duì)DC耦合電容器，即上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2，它們互相串聯(lián)連接，適用于接收由AC電壓整流獲得的DC電壓，而且還適用于在其內(nèi)存儲(chǔ)DC電壓。3相電機(jī)控制器還包括B4逆變器2級(jí)，它被配置成當(dāng)由電容器C1和C2分別供給DC電壓時(shí)響應(yīng)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)被接通和斷開(kāi)，從而提供適用于驅(qū)動(dòng)3相電機(jī)1的3相電壓。將3相電機(jī)1連接到與B4逆變器2的各開(kāi)關(guān)引腳相連的上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)。
采用4個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，省略了與c相有關(guān)的元件。在這種情況下，電機(jī)的c相端被連接到上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)。
在上述配置中當(dāng)將DC電壓施加到上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2時(shí)，所施加的電壓就對(duì)電容器C1和電容器C2進(jìn)行充電。將各電容器的充電電壓施加到B4逆變器2。
當(dāng)其開(kāi)關(guān)被接通或斷開(kāi)時(shí)，被施加充電電壓的B4逆變器2對(duì)電機(jī)1施加相電壓。如圖4a至4b所示，B4逆變器2具有4個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。下面將說(shuō)明3相電機(jī)為Y連接時(shí)的情況。在以下的說(shuō)明中，“0”指B4逆變器2中下開(kāi)關(guān)元件的ON狀態(tài)，而“1”指上開(kāi)關(guān)元件的ON狀態(tài)。當(dāng)B4逆變器2為<0，0>狀態(tài)時(shí)，引腳S1和S2的各下開(kāi)關(guān)被接通，而引腳S1和S2的各上開(kāi)關(guān)被斷開(kāi)。
僅當(dāng)對(duì)應(yīng)于B4逆變器2的4個(gè)電壓向量的各上開(kāi)關(guān)被接通時(shí)，即處于狀態(tài)<1，1>時(shí)，上DC耦合電容器C1內(nèi)的充電電壓V1被施加到3相電機(jī)1。在這種情況下，下DC耦合電容器C2不對(duì)3相電機(jī)施加電壓。
相反，僅當(dāng)下開(kāi)關(guān)被接通時(shí)，即處于<0，0>狀態(tài)時(shí)，下部連接電容器C2內(nèi)的充電電壓V2被施加到3相電機(jī)1。在這種情況下，上DC耦合電容器C1不對(duì)3相電機(jī)施加電壓。
為了使3相電機(jī)1旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，必須產(chǎn)生相互相差為120°的3相電壓Va、Vb和Vc。
為了產(chǎn)生這種三相電壓，由B4逆變器2分別施加到3相電機(jī)1的該3相電壓向量之一被連接到上DC耦合電容器C1與下部連接電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)，而其余的兩個(gè)電壓向量被連接到上開(kāi)關(guān)與相關(guān)下開(kāi)關(guān)之間的各引腳。
此外，還將被倒相的電壓向量施加到上部連接電容器C1與下部連接電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)，以產(chǎn)生與平衡3相電壓具有相同作用的電壓。結(jié)果，產(chǎn)生在圖3中分別被表示為“Vu”和“Vw”的兩個(gè)電壓向量。這兩個(gè)電壓向量分別起切換B4逆變器2內(nèi)的引腳S1和S2的作用。
電壓向量Vu和Vw用于產(chǎn)生平衡3相電壓以及零相電壓。即利用4個(gè)開(kāi)關(guān)可以獲得3相平衡電壓。
如圖3所示，B4逆變器2產(chǎn)生的兩個(gè)電壓向量Vu和Vw之間具有60°的相差。如上所述，當(dāng)3相電機(jī)的c相被連接到上DC耦合電容器C1與下DC耦合電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，電壓向量Vu的相位從a相電壓Va滯后30°。
因此，當(dāng)利用脈寬調(diào)制(PWM)脈沖對(duì)B4逆變器2進(jìn)行控制時(shí)，就可以利用由等式1表示的B4逆變器2的開(kāi)關(guān)邏輯對(duì)3相電機(jī)1進(jìn)行控制[等式1]Vu=Va_dc=[12+12·ma·sin(θ-π6)]·Tsamp]]>Vw=Vb_dc=[12+12·ma·sin(θ-π6)]·Tsamp]]>其中“θ”表示轉(zhuǎn)子的位置，“ma”表示調(diào)制率，“Tsamp”表示開(kāi)關(guān)采樣時(shí)間。
上述等式1表示3相電機(jī)的c相被連接到上DC耦合電容器與下DC耦合電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)的情況。參考等式1，可以發(fā)現(xiàn)電壓Vw與Vu之間的相差為60°，并且電壓Vu的相位較電壓Va的相位滯后30°。即在相差與相位延遲內(nèi)存在ON時(shí)間用作采樣時(shí)間。
因此，利用ON時(shí)間可以控制采樣時(shí)間。所以可以利用4個(gè)開(kāi)關(guān)元件對(duì)3相電機(jī)進(jìn)行控制。
根據(jù)B4逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，上述傳統(tǒng)B4逆變器內(nèi)的線間電壓或者與跨在上DC耦合電容器兩端的電壓對(duì)應(yīng)或者與跨在下DC耦合電容器兩端的電壓對(duì)應(yīng)。然而，由于線間電壓是僅由一個(gè)電容器(即，或者上DC耦合電容器或者下DC耦合電容器)提供的電流產(chǎn)生的，所以各電容器表現(xiàn)出非常高的電壓脈動(dòng)。當(dāng)跨在各電容器兩端的各電壓相互等同時(shí)，3相電壓向量就不產(chǎn)生相位變化。然而，當(dāng)分別跨在各電容器兩端的電壓相互不同時(shí)，與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的各線間電壓具有不同的電平和不同的相位，因此會(huì)降低性能。例如，如圖5的左側(cè)所示，當(dāng)跨在上DC耦合電容器兩端的電壓V1與跨在下DC耦合電容器兩端的電壓V2相互等同時(shí)，由B4逆變器產(chǎn)生的電壓向量互相正交。然而，如圖5的右側(cè)所示，當(dāng)電壓V1與V2相互不同時(shí)，產(chǎn)生的電壓向量的電平和相位均發(fā)生失真。此外，如圖6左側(cè)所示，當(dāng)電壓V1與V2相互等同時(shí)，施加正常電壓V*。然而，如圖6右側(cè)所示，當(dāng)V1與V2相互不同時(shí)，施加了電平和相位發(fā)生失真的電壓，這樣就會(huì)降低性能。
本發(fā)明是鑒于相關(guān)技術(shù)中存在的上述問(wèn)題而實(shí)現(xiàn)的，并且本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種對(duì)利用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相電機(jī)進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难b置和方法，這種電壓補(bǔ)償裝置和方法可以對(duì)電壓脈動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種對(duì)利用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相電機(jī)進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难b置和方法，在這種電壓補(bǔ)償裝置和方法中，適用于將電壓施加到B4逆變器的上DC耦合電容器和下DC耦合電容器的各充電路徑相互不同，因此降低電壓不平衡從而避免降低性能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種對(duì)利用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相電機(jī)進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难b置和方法，在這種電壓補(bǔ)償裝置和方法中，將兩個(gè)相互串聯(lián)相連的電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)上的電壓與對(duì)電容器待充電的DC耦合電壓進(jìn)行比較，以根據(jù)三角波比較算法，利用與比較電壓之間的差值對(duì)應(yīng)的DC偏置，對(duì)開(kāi)關(guān)作用進(jìn)行補(bǔ)償，從而對(duì)電壓脈動(dòng)產(chǎn)生的3相施加電壓的嚴(yán)重失真進(jìn)行補(bǔ)償。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相電機(jī)進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难b置和方法，這種電壓補(bǔ)償裝置和方法可以根據(jù)三角波比較算法，進(jìn)行開(kāi)關(guān)函數(shù)電壓補(bǔ)償，而與待控制的電機(jī)的接法(例如Y連接方法或Δ接法)無(wú)關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难b置，該電壓補(bǔ)償裝置包括上DC耦合電容器和下DC耦合電容器，它們相互串聯(lián)相連，用于接收輸入DC電壓并適用于對(duì)其進(jìn)行DC電壓充電；B4逆變器，當(dāng)它從各DC耦合電容器接收充電電壓時(shí)，使用4個(gè)開(kāi)關(guān)將電壓施加到3相電機(jī)1；整流裝置，用于從AC電壓源接收AC電壓、將接收AC電壓整流為DC電壓，然后將整流DC電壓施加到上DC耦合電容器和下DC耦合電容器；以及三端雙向可控硅元件，其輸入端連接到AC電壓源的一條引線，而其輸出端連接到上DC耦合電容器與下DC耦合電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)，此三端雙向可控硅元件用于控制是否用DC電壓分別對(duì)上DC耦合電容器和下DC耦合電容器進(jìn)行充電。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ撾妷貉a(bǔ)償方法包括步驟利用頻率為120Hz的中斷信號(hào)檢測(cè)輸入的AC電壓的過(guò)零點(diǎn)；讀取利用輸入電壓充電的分別跨在上DC耦合電容器和下DC耦合電容器兩端的電壓，因此對(duì)包含在電容器電壓內(nèi)的電壓脈動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)；根據(jù)檢驗(yàn)的電壓脈動(dòng)，對(duì)根據(jù)過(guò)零點(diǎn)的延遲時(shí)間進(jìn)行控制；以及經(jīng)過(guò)控制的延遲時(shí)間，產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)，用于接通該三端雙向可控硅元件。
產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)的步驟包括分步驟如果跨在上DC耦合電容器兩端的電壓高于跨在下DC耦合電容器兩端的電壓，則響應(yīng)于輸入AC電壓的負(fù)極(-)產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)。
產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)的步驟進(jìn)一步包括分步驟如果跨在下DC耦合電容器兩端的電壓高于跨在上DC耦合電容器兩端的電壓，則響應(yīng)于輸入AC電壓的正極(-)產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)。
三端雙向可控硅元件控制信號(hào)是在輸入AC電壓具有預(yù)定電壓值時(shí)產(chǎn)生的。
通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的上述目的以及其它特征和優(yōu)勢(shì)將變得更加明顯。附圖包括圖1是說(shuō)明采用6個(gè)開(kāi)關(guān)元件的傳統(tǒng)3相逆變器的原理電路圖；圖2是說(shuō)明采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)3相逆變器的原理電路圖；圖3示出互相之間的相差為120°的3相電壓向量，以及互相之間的相差為60°的2相電壓向量，這些電壓向量用于轉(zhuǎn)動(dòng)3相電機(jī)；圖4a至圖4d是分別根據(jù)圖2所示的配置的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)，分別說(shuō)明在Y接法的3相電機(jī)與DC耦合之間建立的不同連接的原理電路圖；圖5示出在圖2所示的配置中，在跨在上電容器兩端的電壓與跨在下電容器兩端的電壓相互等同的情況下產(chǎn)生的電壓向量圖，以及在跨在下電容器兩端的電壓高于跨在上電容器兩端的電壓的情況下產(chǎn)生的電壓向量圖；圖6示出在圖2所示的配置中，在跨在上電容器兩端的電壓與跨在下電容器兩端的電壓相互等同情況下產(chǎn)生的實(shí)際電壓向量圖，以及在跨在下電容器兩端的電壓高于跨在上電容器兩端的電壓情況下產(chǎn)生的實(shí)際電壓向量圖；圖7A是說(shuō)明通過(guò)將整流電路應(yīng)用于圖2所示的配置所實(shí)現(xiàn)的逆變器的原理電路圖；圖7B是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓脈動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾娐返脑黼娐穲D；圖8是說(shuō)明通過(guò)將電壓分配電路應(yīng)用于圖2所示的配置所實(shí)現(xiàn)的逆變器的原理電路圖；圖9是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路的原理電路圖；圖10A和圖10B分別示出根據(jù)三端雙向可控硅元件的開(kāi)關(guān)運(yùn)作在圖9所示的配置中出現(xiàn)的充電運(yùn)作和放電運(yùn)作的電路路徑圖；圖11示出根據(jù)施加的AC電壓對(duì)三端雙向可控硅元件進(jìn)行控制的波形圖；以及圖12示出根據(jù)本發(fā)明對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償方法的流程圖。
圖9是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路的原理電路圖。如圖9所示，該電壓補(bǔ)償電路包括相互串聯(lián)相連的上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2，它們適用于接收輸入DC電壓并適用于對(duì)其進(jìn)行DC電壓充電。該電壓補(bǔ)償電路還包括B4逆變器2級(jí)，當(dāng)它從各DC耦合電容器C1和C2接收充電電壓、二極管電橋從AC電壓源接收AC電壓以及將AC電壓整流為DC電壓，即輸入DC電壓時(shí)，它采用4個(gè)開(kāi)關(guān)將電壓施加到3相電機(jī)1。該電壓補(bǔ)償電路進(jìn)一步包括三端雙向可控硅元件T，其輸入端連接到AC電壓源的一條引線，而其輸出端連接到上DC耦合電容器C1與下DC耦合電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)。三端雙向可控硅元件T用于控制是否用DC電壓分別對(duì)電容器C1和C2進(jìn)行充電。
現(xiàn)在，將詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明具有上述配置的電壓補(bǔ)償電路的運(yùn)作、功能以及效果。
圖7A示出為了對(duì)電壓脈動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，將B4逆變器級(jí)應(yīng)用于一般整流電路的情況。
在圖7A所示的情況下，當(dāng)二極管電橋整流的DC電壓被施加到B4逆變器級(jí)時(shí)，它始終沿路徑Path1對(duì)電容器C1和C2進(jìn)行充電。因此電容器C1和C2被充入相同的電荷量。
盡管由于采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的B4逆變器級(jí)的特性使得跨在電容器C1兩端的電壓低于跨在電容器C2兩端的電壓，但是由于電容器C1和C2被充入相同的電荷量，所以電容器C1被充電的電壓為110V，而電容器C2被充電的電壓為220V?？缭陔娙萜鰿1兩端的電壓高于跨在電容器C2兩端的電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相同的效果。
為此，當(dāng)產(chǎn)生高電壓脈動(dòng)時(shí)，必須利用考慮了充電路徑的硬件提供電壓補(bǔ)償。當(dāng)然，當(dāng)產(chǎn)生低電壓脈動(dòng)時(shí)，使用軟件就可以進(jìn)行電壓補(bǔ)償。
因此，在本發(fā)明中，試圖利用電壓分配電路的特性實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償。
在說(shuō)明本發(fā)明之前，先結(jié)合電壓分配電路被應(yīng)用于B4逆變器級(jí)的情況(如圖8所示)對(duì)電壓分配電路進(jìn)行說(shuō)明。
在圖8所示的電路配置中，電容器C1和C2分別具有不同的充電路徑。由于不會(huì)出現(xiàn)電容器C1和C2被同時(shí)充電的情況，所以只有產(chǎn)生電壓脈動(dòng)的電容器被充電。
然而，這種電壓分配電路只能用于220V電源分配的區(qū)域，DC耦合電壓超過(guò)660V，即超過(guò)功率開(kāi)關(guān)元件的額定電壓。為此，不可能應(yīng)用電壓分配電路。
因此，根據(jù)本發(fā)明，利用電壓分配電路和一般整流二極管的特性，可以實(shí)現(xiàn)要求的電壓補(bǔ)償。將結(jié)合圖9對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。
在圖8所示的配置中，當(dāng)輸入AC電壓時(shí)，由二極管電橋BD對(duì)它進(jìn)行整流，然后傳送到上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2，對(duì)上DC耦合電容器C1和下部連接電容器C2進(jìn)行充電。
如圖10A所示，當(dāng)在上述充電運(yùn)作期間，三端雙向可控硅元件T處于OFF狀態(tài)時(shí)，利用整流電壓同時(shí)對(duì)上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2進(jìn)行充電。如圖10B所示，當(dāng)三端雙向可控硅元件T被切換到ON狀態(tài)時(shí)，由于AC電壓源的一條引線連接到互相串聯(lián)的上DC耦合電容器C1與下DC耦合電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)，而建立不同的充電路徑，即路徑Path1和Path2。
如圖11A所示，AC電壓具有分別被定義為正電壓和負(fù)電壓的極性。由于二極管電橋的特性，分別對(duì)應(yīng)于正電壓和負(fù)電壓的電流互不相同。在圖10A所示的情況下，當(dāng)AC電壓為正極性時(shí)，電流沿實(shí)線箭頭所指的方向流動(dòng)。相反，當(dāng)AC電壓為負(fù)極性時(shí)，電流沿虛線所指的方向上流動(dòng)。當(dāng)然，在這種狀態(tài)下，三端雙向可控硅元件處于OFF狀態(tài)。在圖10B所示的情況下，當(dāng)AC電壓的極性為正時(shí)，上DC耦合電容器C1被充電。相反，當(dāng)AC電壓為負(fù)極性時(shí)，下DC耦合電容器C2被充電。
因此，在所檢測(cè)的跨在上DC耦合電容器C1兩端的電壓低于跨在下DC耦合電容器C2兩端的電壓的情況下，當(dāng)輸入電壓為正極性時(shí)，三端雙向可控硅元件被切換到ON狀態(tài)，而建立第一電流路徑。在所檢測(cè)的跨在下DC耦合電容器C2兩端的電壓低于跨在上DC耦合電容器C1兩端的電壓的情況下，當(dāng)輸入電壓為負(fù)極性時(shí)，三端雙向可控硅元件被切換到OFF狀態(tài)，而建立第二電流路徑。
這樣，通過(guò)利用不同的充電路徑對(duì)這兩個(gè)電容器進(jìn)行充電，就可以解決同時(shí)對(duì)上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2進(jìn)行充電產(chǎn)生的問(wèn)題。
因此，必須通過(guò)對(duì)分別跨在電容器C1與C2兩端的電壓進(jìn)行比較，根據(jù)輸入電壓的極性對(duì)三端雙向可控硅元件進(jìn)行控制。由于不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)三端雙向可控硅元件的斷開(kāi)控制，所以由三端雙向可控硅元件切換到ON狀態(tài)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)來(lái)確定實(shí)際充電時(shí)間。換句話說(shuō)，如圖11所示，由于延遲時(shí)間縮短了，所以三端雙向可控硅元件處于ON狀態(tài)時(shí)對(duì)電容器C1和C2進(jìn)行充電的時(shí)間周期會(huì)延長(zhǎng)。在輸入電壓的特定點(diǎn)產(chǎn)生接通三端雙向可控硅元件的中斷信號(hào)。該中斷信號(hào)適用于控制充電電壓量。為了用相同的電壓對(duì)電容器C1和C2進(jìn)行充電，必須對(duì)未充分充電的電容器進(jìn)行充電程度控制。充電程度是由接通三端雙向可控硅元件的時(shí)間點(diǎn)早于輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)多長(zhǎng)時(shí)間確定的。
因此，如果適當(dāng)設(shè)定三端雙向可控硅元件的導(dǎo)通時(shí)間點(diǎn)相對(duì)于輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)的延遲時(shí)間，就可以根據(jù)在輸入電壓的特定點(diǎn)接通三端雙向可控硅元件，來(lái)控制充電程度。當(dāng)輸入電壓低于充電電壓時(shí)，三端雙向可控硅元件被斷開(kāi)，從而導(dǎo)致停止充電運(yùn)作。當(dāng)輸入電壓為60Hz時(shí)，過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間間隔為120Hz。
為了對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)跨在電容器C1和電容器C2兩端的電壓進(jìn)行相互比較可以確定三端雙向可控硅元件被接通時(shí)的輸入電壓的極性。之后，確定三端雙向可控硅元件接通狀態(tài)的延遲時(shí)間，以根據(jù)被確定的延遲時(shí)間允許在自輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)所延遲的時(shí)間點(diǎn)接通三端雙向可控硅元件。由于三端雙向可控硅元件已經(jīng)被接通，所以對(duì)相關(guān)電容器進(jìn)行充電運(yùn)作。通過(guò)適當(dāng)增加或減少延遲時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)使跨在電容器C1與電容器C2兩端的電壓相互等同的控制。
在圖11中，“Vt”表示在三端雙向可控硅元件被接通的時(shí)間點(diǎn)實(shí)際出現(xiàn)的輸入電壓電平。僅當(dāng)在三端雙向可控硅元件被導(dǎo)通時(shí)，電壓Vt高于跨在待充電的電容器兩端的電壓時(shí)，允許對(duì)電容器進(jìn)行充電。
現(xiàn)在，結(jié)合圖7B詳細(xì)說(shuō)明上述控制操作。圖7B所示的微型計(jì)算機(jī)讀取跨在上DC耦合電容器C1兩端和下DC耦合電容器C2兩端的電壓，檢驗(yàn)電壓脈動(dòng)的電平。根據(jù)電壓脈動(dòng)電平，微型計(jì)算機(jī)控制三端雙向可控硅元件ON狀態(tài)的延遲時(shí)間。
例如，當(dāng)電壓脈動(dòng)電平低時(shí)，相應(yīng)地縮短延遲時(shí)間，以延長(zhǎng)對(duì)相關(guān)電容器的充電時(shí)間。相反，當(dāng)電壓脈動(dòng)電平高時(shí)，相應(yīng)地延長(zhǎng)延遲時(shí)間，以縮短對(duì)相關(guān)電容器的充電時(shí)間。
經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間后，輸出三端雙向可控硅元件控制信號(hào)。即，當(dāng)微型計(jì)算機(jī)確定跨在上DC耦合電容器C1兩端的電壓Vc1高于跨在下DC耦合電容器C2兩端的電壓Vc2(Vc1＞Vc2)時(shí)，微型計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入AC電壓的負(fù)極性(-)產(chǎn)生如圖11b所示的三端雙向可控硅元件信號(hào)，從而接通三端雙向可控硅元件T。
如圖10B所示，由于三端雙向可控硅元件T被接通，所以通過(guò)路徑Path2對(duì)下DC耦合電容器C2進(jìn)行充電。
如圖11所示，由于AC電壓在微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)具有Vt電平，所以當(dāng)跨在電容器C2兩端的電壓低于電平Vt時(shí)，對(duì)下DC耦合電容器C2進(jìn)行充電。
相反，當(dāng)跨在下DC耦合電容器C2兩端的電壓Vc2高于跨在上DC耦合電容器C1兩端的電壓Vc1(Vc2＞Vc1)時(shí)，微型計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入AC電壓的正極性(+)產(chǎn)生三端雙向可控硅元件信號(hào)，從而接通三端雙向可控硅元件T。
如圖10B所示，由于三端雙向可控硅元件T被接通，所以通過(guò)路徑Path1對(duì)上DC耦合電容器C1進(jìn)行充電。
根據(jù)電壓脈動(dòng)電平，通過(guò)對(duì)延遲時(shí)間的控制，可以控制充電電壓。
圖7B示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3向逆變器進(jìn)行電壓脈動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妷好}動(dòng)補(bǔ)償電路。在圖7中，與圖9中的元件分別對(duì)應(yīng)的元件被表示為相同的參考編號(hào)。如圖7B所示，電壓脈動(dòng)補(bǔ)償電路包括相互串聯(lián)連接的上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2，它們適用于接收輸入DC電壓并適用于在其內(nèi)進(jìn)行DC電壓充電。電壓脈動(dòng)補(bǔ)償電路還包括B4逆變器2級(jí)，當(dāng)它從各DC耦合電容器C1和C2接收充電電壓時(shí)，適用于根據(jù)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)被接通或斷開(kāi)，以轉(zhuǎn)動(dòng)3相電機(jī)1。為了驅(qū)動(dòng)3相電機(jī)1，3相電機(jī)1被連接到B4逆變器2的開(kāi)關(guān)引腳。電壓脈動(dòng)補(bǔ)償電路進(jìn)一步包括微型計(jì)算機(jī)3，它用于將DC耦合電壓與在電容器C1與電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的電壓進(jìn)行比較，以求出電位差，然后根據(jù)獲得的電位差對(duì)DC偏置進(jìn)行補(bǔ)償。現(xiàn)在，將詳細(xì)說(shuō)明此電壓脈動(dòng)補(bǔ)償電路的運(yùn)作、功能以及效果。
在采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的情況下，當(dāng)施加DC電壓時(shí)，以DC電壓對(duì)串聯(lián)的上DC耦合電容器C1和下DC耦合電容器C2進(jìn)行充電。然后，將各電容器的充電電壓以根據(jù)B4逆變器2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的3相電壓的形式施加到3相電機(jī)1。
如圖4所示，B4逆變器2具有4種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
當(dāng)跨在上DC耦合電容器兩端的電壓V1與跨在下DC耦合電容器兩端的電壓V2相等時(shí)，B4逆變器2產(chǎn)生的電壓向量互相正交，如圖5的左側(cè)所示。然而，當(dāng)電壓V1與電壓V2不同時(shí)，產(chǎn)生電平和相位失真的電壓向量，如圖5的右側(cè)所示。此外，當(dāng)電壓V1與電壓V2相等時(shí)，施加正常電壓V*，如圖6的左側(cè)所示。然而，當(dāng)電壓V1與電壓V2不同時(shí)，施加電平和相位失真的電壓。
通過(guò)增加各電容器的電容量就可以基本解決這種問(wèn)題。然而，這樣，就喪失了采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的所獲得的成本優(yōu)勢(shì)。
為了解決此問(wèn)題，提出各種對(duì)電壓脈動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償又可以保持成本優(yōu)勢(shì)的方法?，F(xiàn)在，將說(shuō)明這種方法的一個(gè)實(shí)例。
在利用空間向量PWM方法情況下，可以利用電壓V1和電壓V2來(lái)表達(dá)開(kāi)關(guān)函數(shù)。下列等式是特定間隔時(shí)開(kāi)關(guān)函數(shù)的實(shí)例。[等式2]-π4≥aπ4]]>t00=3tvmV1+V2cos(a)-TV2-V1V1+V2]]>t10=TV2V1+V2-3TVmV1+V2cos(a+π4)]]>t01=TV2V1+V2-3TVmV1+V2cos(a-π4)]]>根據(jù)上述方法，在對(duì)電壓V1和電壓V2相等時(shí)的情況進(jìn)行比較時(shí)，每次讀取實(shí)際數(shù)值，以將它們應(yīng)用于等式2。
然而，由于此方法中包含復(fù)雜計(jì)算過(guò)程，所以需要使用高級(jí)微型計(jì)算機(jī)。
因此，本發(fā)明建議提供一種通過(guò)應(yīng)用三角波比較算法而不應(yīng)用空間向量PWM方法可以對(duì)電壓脈動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 如圖2所示，在具有B4逆變器的配置中，空間向量PWM方法中的開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2用下等式3表達(dá)[等式3]S1=12+12mfsin(θ-π6)]]>S2=12+12mfsin(θ-π6-π3)]]>其中，“mf”表示指出電壓向量的幅度的調(diào)制函數(shù)。
參考圖3所示的所施加電壓的向量圖，可以發(fā)現(xiàn)分別與開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2對(duì)應(yīng)的電壓向量Vu和Vw相對(duì)于a相電壓Va分別滯后30°和90°。盡管此滯后角度依賴于與在圖2所示情況下電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)相連的電壓的相位，仍可以獲得相同的效果。
例如，在3相電機(jī)的運(yùn)行期間，當(dāng)電壓V1和電壓V2產(chǎn)生電壓脈動(dòng)時(shí)，上DC耦合電容器C1與下DC耦合電容器C2之間的連接節(jié)點(diǎn)上的電勢(shì)發(fā)生變化。
在這種情況下，通過(guò)改變電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)上的電勢(shì)可以分別對(duì)節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b上的電位進(jìn)行偏置。
這些可以用等式的形式來(lái)表達(dá)。即，對(duì)開(kāi)關(guān)函數(shù)可以進(jìn)行如下推導(dǎo)[等式4]S1=VC2VDC+12mfsin(θ-π6)]]>S2=VC2VDC+12mfsin(θ-π6-π3)]]>其中“VDC”表示DC耦合電壓，“VC2”表示下DC耦合電容器的電壓脈動(dòng)。
當(dāng)電壓V1和電壓V2含有相同的電壓脈動(dòng)時(shí)，上述開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2與一般三角波比較算法的開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2相同。然而，根據(jù)上述方法，當(dāng)電壓V2的電壓脈動(dòng)高于電壓V1的電壓脈動(dòng)時(shí)，將與這兩個(gè)電壓脈動(dòng)之間的差值對(duì)應(yīng)的偏置分別累加到開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2。由于在這種情況下開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2的補(bǔ)償值相同，所以產(chǎn)生平衡3相電壓向量。
如果假定DC耦合電壓恒定不變，則僅根據(jù)電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。
利用這種補(bǔ)償方法時(shí)，可以使用簡(jiǎn)化三角波比較算法。此外，由于僅對(duì)DC偏置進(jìn)行電壓脈動(dòng)補(bǔ)償，所以不會(huì)增加或少量增加計(jì)算量。
換句話說(shuō)，盡管在采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器情況下，開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2隨連接到電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)的電壓相位而發(fā)生變化，但是根據(jù)本發(fā)明提出的DC偏置補(bǔ)償可以應(yīng)用于任意系統(tǒng)，并獲得相同的效果，而與開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2無(wú)關(guān)。
此外，盡管開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2隨電機(jī)的接法(例如Y接法或Δ接法)而發(fā)生變化，但是根據(jù)本發(fā)明提出的DC偏置補(bǔ)償可以應(yīng)用于任意相同，并獲得相同效果，而與開(kāi)關(guān)函數(shù)S1和S2無(wú)關(guān)。
正如從上述說(shuō)明中所明顯看到的那樣，本發(fā)明提供的電壓補(bǔ)償裝置和方法使用一般整流裝置和三端雙向可控硅元件，以允許上DC耦合電容器和下DC耦合電容器分別適用于將DC電壓施加到B4逆變器級(jí)，并通過(guò)不同的路徑被分別充電，這樣通過(guò)控制DC耦合電壓可以減少電壓脈動(dòng)并使對(duì)性能的破壞降低到最低。因此，在使用B4逆變器級(jí)的過(guò)程中存在的問(wèn)題，即由電壓脈動(dòng)引起的相位失真問(wèn)題可以被有效消除。所以，本發(fā)明使得在使用B4逆變器的過(guò)程中仍可以保持B4逆變器的成本優(yōu)勢(shì)。
盡管為了解釋本發(fā)明對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員明白，在所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種調(diào)整、補(bǔ)充和替換。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)碾妷貉a(bǔ)償裝置，該電壓補(bǔ)償裝置包括上DC耦合電容器和下DC耦合電容器，相互串聯(lián)連接，適用于接收輸入DC電壓并適用于分別在其內(nèi)充電DC電壓；B4逆變器級(jí)，使用4個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)從各DC耦合電容器接收充電電壓時(shí)用于提供3相電壓；以及三端雙向可控硅元件，其輸入端被連接到AC電壓源的一條引線，其輸出端被連接到上DC耦合電容器與下DC耦合電容器之間的串聯(lián)連接節(jié)點(diǎn)，三端雙向可控硅元件可以控制是否利用輸入DC電壓分別對(duì)上DC耦合電容器和下DC耦合電容器進(jìn)行充電。
2.一種對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)碾妷貉a(bǔ)償方法，該電壓補(bǔ)償方法包括步驟在兩次采樣輸入AC電壓的過(guò)零點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)輸入AC電壓的過(guò)零點(diǎn)；讀取利用由輸入AC電壓整流獲得的輸入DC電壓充電的分別跨在上DC耦合電容器兩端和下DC耦合電容器兩端的電壓，從而檢驗(yàn)在電容器電壓內(nèi)存在的電壓脈動(dòng)；根據(jù)檢驗(yàn)的電壓脈動(dòng)，控制自過(guò)零點(diǎn)的延遲時(shí)間；以及產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)，從而在經(jīng)過(guò)被控制的延遲時(shí)間后，接通三端雙向可控硅元件，將輸入DC電壓施加到上DC耦合電容器和下DC耦合電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓補(bǔ)償方法，其中產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)的步驟包括步驟如果跨在上DC耦合電容器兩端的電壓高于跨在下DC耦合電容器兩端的電壓，則根據(jù)輸入AC電壓的負(fù)極性(-)產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓補(bǔ)償方法，其中產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)的步驟進(jìn)一步包括步驟如果跨在下DC耦合電容器兩端的電壓高于跨在上DC耦合電容器兩端的電壓，則根據(jù)輸入AC電壓的正極性(-)產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓補(bǔ)償方法，其中在輸入AC電壓具有預(yù)定電平的時(shí)間點(diǎn)，產(chǎn)生三端雙向可控硅元件控制信號(hào)。
6.在3相逆變器中，將3相電負(fù)荷之一相連接到相互串聯(lián)連接的上DC耦合電容器與下DC耦合電容器之間的連接節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)電容器適用于分別用施加到其上的輸入DC電壓充電，3相負(fù)荷的剩余兩相被連接到B4逆變器級(jí)的各開(kāi)關(guān)引腳，一種電壓脈動(dòng)補(bǔ)償方法包括步驟檢驗(yàn)輸入DC電壓；讀取上DC耦合電容器與下DC耦合電容器之間的串聯(lián)連接節(jié)點(diǎn)的電壓；檢驗(yàn)DC輸入電壓與連接節(jié)點(diǎn)的電壓之間的比值；利用用于對(duì)在上DC耦合電容器和下DC耦合電容器內(nèi)的充電進(jìn)行電壓脈動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜遣ū容^算法，根據(jù)與檢驗(yàn)電壓比值對(duì)應(yīng)的DC偏置，控制對(duì)上DC耦合電容器和下DC耦合電容器施加的輸入DC電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電壓脈動(dòng)補(bǔ)償方法，其中當(dāng)跨在上DC耦合電容器兩端和下DC耦合電容器兩端的電壓不同時(shí)，根據(jù)被表達(dá)為如下的三角波比較算法對(duì)施加的輸入DC電壓進(jìn)行控制S1=VC2VDC+12mfsin(θ-π6)]]>S2=VC2VDC+12mfsin(θ-π6-π3)]]>其中“VDC”表示DC耦合電壓，“VC2”表示下DC耦合電容器的電壓脈動(dòng)。
全文摘要
一種對(duì)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)的3相逆變器進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)难b置,包括:上DC耦合電容器和下DC耦合電容器,相互串聯(lián)連接,接收輸入DC電壓并分別在其內(nèi)充電DC電壓;B4逆變器級(jí),使用4個(gè)開(kāi)關(guān),當(dāng)從各DC耦合電容器接收充電電壓時(shí)提供3相電壓;三端雙向可控硅元件,輸入端被連接到AC電壓源的一條引線,輸出端被連接到上DC耦合電容器與下DC耦合電容器之間的串聯(lián)連接節(jié)點(diǎn),用于控制是否利用輸入DC電壓分別對(duì)上DC耦合電容器和下DC耦合電容器充電。
文檔編號(hào)H02M1/10GK1332515SQ01116170
公開(kāi)日2002年1月23日 申請(qǐng)日期2001年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月26日
發(fā)明者李東明, 吳在胤, 鄭達(dá)浩, 梁淳培 申請(qǐng)人:Lg電子株式會(huì)社