逆变器全频段分频调制控制方法、控制器及变频器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种逆变器全频段分频调制控制方法、控制器及变频器。所述方法包括：获取逆变器输出电压信号的频率；当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器；当所述频率在所述第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器；当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的空间矢量脉宽调制SVPWM过调制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器；其中，所述第一频率小于第二频率，第二频率小于第三频率。本发明实施例在低频段采用异步调制，在高频段采用同步调制，可有效的提高电机运行的稳定性和安全性，有助于充分发挥电机的性能。
【专利说明】逆变器全频段分频调制控制方法、控制器及变频器
【技术领域】
[0001]本发明涉及逆变器调制控制技术，尤其涉及一种逆变器全频段分频调制控制方法、控制器及变频器。
【背景技术】
[0002]三相异步电机结构简单、维护容易、对工作环境要求低，在节能和提高生产力等方面具有明显的优势，它已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。
[0003]目前，变频调速技术应用非常广泛，基本上都采用脉宽调制(PulseWidthModulation,简称PWM)技术控制逆变器，以使逆变器输出相应的交流电流，实现对电机的速度控制。随着技术的更新，现有逆变器中的功率开关器件的开关频率也能达到非常高，因此一般PWM调制都采用异步调制模式，即载波信号和调制波信号不保持同步的调制模式，一般保持载波信号频率恒定。但对于大功率电机，由于调速范围宽，而功率开关器件频率低，高频区域采用异步调制会引起逆变器三相输出电压波形不对称，增加谐波成分。若PWM调制都采用同步调制模式，即载波信号和调制信号保持同步，即载波比恒定。在同步调制模式时，当调制波信号频率较低时载波信号频率也较低，过低的载波信号带来的谐波不易消除。谐波会影响电机运行的稳定性，并易导致电机发热严重等问题。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种逆变器全频段分频调制控制方法、控制器及变频器，以提高电机运行的稳定性。
[0005]本发明的第一个方面是提供一种逆变器全频段分频调制控制方法，包括:
[0006]获取逆变器输出电压信号的频率；
[0007]当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器；
[0008]当所述频率在所述第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器；
[0009]当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的空间矢量脉宽调制SVPWM过调制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器；
[0010]其中，所述第一频率小于第二频率，第二频率小于第二频率。
[0011]本发明的另一个方面是提供一种控制器，包括:
[0012]获取模块，用于获取逆变器输出电压信号的频率；
[0013]处理模块，用于当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器，当所述频率在第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器，当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的SVPWM过调制控制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器；
[0014]其中，所述第一频率小于第二频率，第二频率小于第二频率。[0015]本发明的又一个方面是提供一种变频器，包括逆变器和本发明实施例提供的控制器。
[0016]本发明的技术效果是:本发明实施例通过将逆变器全频段的频率范围划分成两个频段，在低频段采用异步调制，在频率达到一定值后改换成分段同步调制，再将高频段逐布过渡到方波调制。本发明实施例在低频段采用异步调制，在高频段采用分段同步调制，避免了现有技术中逆变器全频段的高频段采用异步调制引起的逆变器三相输出电压波形不对称致使得谐波成分增加，以及低频段采用同步调制载波信号过低带来的谐波等问题，提高了电机运行的稳定性和安全性，有助于充分发挥电机的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明提供的逆变器全频段分频调制控制方法实施例一的流程示意图；
[0018]图2为本发明提供的控制器实施例一的结构示意图；
[0019]图3为本发明提供的变频器实施例一的结构示意图；
[0020]图4为采用本发明提供的变频器控制电机的电路原理示意图；
[0021]图5为采用本发明提供的变频器实施例实现异步调制控制或分段同步调制控制中15分频调制控制向逆变器输出的U相控制电平信号图；
[0022]图6为采用本发明提供的变频器实施例实现分段同步调制控制中7分频调制控制向逆变器输出的控制电平信号图；
[0023]图7为采用本发明提供的变频器实施例实现分段同步调制控制中3分频调制控制向逆变器输出的控制电平信号图；
[0024]图8为采用本发明提供的变频器实施例实现方波调制控制向逆变器输出的控制电平信号图；
[0025]图9为采用本发明提供的逆变器全频段分频调制控制方法实现的对所述逆变器经异步调制模式到同步15分频调制模式输出的电压和电流波形图；
[0026]图10为采用本发明提供的逆变器全频段分频调制控制方法实现的对所述逆变器经同步15分频调制模式到同步7分频调制模式输出的电压和电流波形图；
[0027]图11为采用本发明提供的逆变器全频段分频调制控制方法实现的对所述逆变器经同步7分频调制模式到同步3分频调制模式输出的电压和电流波形图；
[0028]图12为采用本发明提供的逆变器全频段分频调制控制方法实现的对所述逆变器经同步3分频调制模式到方波调制模式输出的电压和电流波形图。
【具体实施方式】
[0029]如图1所示，本发明提供的逆变器全频段分频调制控制方法实施例一的流程示意图。如图所示，本实施例一所述的方法，包括:
[0030]步骤101、获取逆变器输出电压信号的频率。
[0031]具体地，控制器获取逆变器输出电压信号的频率，即所述逆变器输入至电机的交流电的电压频率。
[0032]步骤102、当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器。[0033]其中，所述第一频率小于第二频率。具体地，对于控制大功率电机的逆变器，如额定输入电压为DC1500V的逆变器来说，所述第一频率可选为0Hz，所述第二频率可选为45Hz。本实施例所述的第一频率和第二频率不仅限于此，所述第一频率和第二频率可根据实际逆变器中各功率开关器件的最大开关频率以及电机的各物理参数具体设定。具体地，所述控制器采用异步调制模式向所述逆变器输出相应地控制电平信号，以控制所述逆变器中各功率开关器的通断，实现所述逆变器向电机输出指定的电压信号，以控制电机的转速。
[0034]步骤103、当所述频率在所述第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器。
[0035]其中，所述第二频率小于第三频率。所述第三频率为范围为预设频率上限值。所述预设频率上限值可根据实际应用需求人为设定。具体地，若所述频率在第二频率至第四频率之间，则采用同步15分频调制模式控制所述逆变器；若所述频率在第四频率至第五频率之间，则采用同步7分频调制模式控制所述逆变器；若所述频率在第五频率至第三频率之间，则采用同步3分频调制模式控制所述逆变器；其中，所述第二频率小于所述第四频率，所述第四频率小于第五频率，所述第五频率小于第三频率。所述15分频调制模式为载波比为15的调制模式，所述7分频调制模式为载波比为7的调制模式，所述3分频调制模式为载波比为3的调制模式，所述方波调制模式为载波比为I的调制模式。所述载波比等于载波信号频率除于调制波信号频率。更具体，对于控制大功率电机的逆变器，如额定输入电压为DC1500V的逆变器来说，本实施例中所述第四频率可选为50Hz，所述第五频率可选为55Hz，第三频率可选为60Hz。
[0036]步骤104、当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,以下简称SVPWM)过调制控制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，并向所述逆变器输出相应地控制电平信号。
[0037]具体地，所述控制器随着所述频率的不断增大，当所述频率大于所述第三频率之后采用预设的SVPWM过调制控制算法将所述同步3分频调制模式过渡至方波调制模式，以向所述逆变器输出所述方波调制模式对应地控制电平信号，以控制所述逆变器中各功率开关器的通断，实现所述逆变器向电机输出指定的电压信号，以控制电机的转速。
[0038]本实施例通过将逆变器全频段的频率范围划分成几个频段，在低频段采用异步调制，在频率达到一定值后改换成多个分段同步调制，再将高频段逐布过渡到方波调制。本实施例在低频段采用异步调制，在高频段采用分段同步调制，避免了现有技术中逆变器全频段的高频段采用异步调制引起的逆变器三相输出电压波形不对称致使得谐波成分增加，以及低频段采用同步调制载波信号过低带来的谐波等问题，提高了电机运行的稳定性和安全性，有助于充分发挥电机的性能。另外，本实施例在频率高的频段采用较低的载波比，以使载波频率限制在逆变器中各功率开关器件允许的范围内而不至于过高，提高了功率模块的使用寿命；在频率低的频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响，使电机在相对较低的载波频率的前提下，仍能达到稳定运行的目标，从而充分发挥电机的性能，提高了电机运行的安全性及可靠性。
[0039]本领域普通技术人员可以理解:实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括:R0M、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0040]如图2所示，本发明提供的控制器实施例一的结构示意图。如图所示，本实施例一所述的控制器包括:获取模块10和处理模块20。其中，所述获取模块10用于获取逆变器输出电压信号的频率。所述处理模块20用于当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器，当所述频率在第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器，当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的SVPWM过调制控制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器。其中，所述第一频率小于第二频率，第二频率小于第三频率。采用本实施例所述的控制器可实现上述实施例一所述的逆变器全频段分频调制控制方法。具体地，对于控制大功率电机的逆变器，如额定输入电压为DC1500V的逆变器来说，所述第一频率可选为0Hz，第二频率可选为45Hz，第三频率可选为60Hz。
[0041]本实施例通过将逆变器的频率范围划分成几个频段，在低频段采用异步调制，在频率达到一定值后改换成多个分段同步调制，再将高频段逐布过渡到方波调制。本实施例在低频段采用异步调制，在高频段采用分段同步调制，避免了现有技术中高频段采用异步调制引起的逆变器三相输出电压波形不对称致使得谐波成分增加，以及低频段采用同步调制载波信号过低带来的谐波等问题，提高了电机运行的稳定性和安全性，有助于充分发挥电机的性能。另外，本实施例在频率高的频段采用较低的载波比，以使载波频率限制在逆变器中各功率开关器件允许的范围内而不至于过闻，提闻了功率|旲块的使用寿命；在频率低的频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响，使电机在相对较低的载波频率的前提下，仍能达到稳定运行的目标，从而充分发挥电机的性能，提高了电机运行的安全性及可靠性。
[0042]进一步地，上述实施例一中所述的处理模块具体用于，当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式向所述逆变器输出相应地控制电平信号，当所述频率在第二频率至第四频率之间时，采用同步15分频调制模式向所述逆变器输出相应地控制电平信号，当所述频率在第四频率至第五频率之间时，采用同步7分频调制模式向所述逆变器输出相应地控制电平信号，当所述频率在第五频率至第三频率之间时，采用同步3分频调制模式向所述逆变器输出相应地控制电平信号，根据预设的SVPWM过调制控制算法将同步3分频调制模式过渡至方波调制模式，并向所述逆变器输出相应地控制电平信号。其中，所述第二频率小于所述第四频率，所述第四频率小于第五频率，所述第五频率小于第三频率。具体地，对于控制大功率电机的逆变器，如额定输入电压为DC1500V的逆变器来说，所述第四频率可选为50Hz，所述第五频率可选为55Hz。
[0043]如图3所示,本发明提供的变频器实施例一的结构示意图。如图所示,本实施例一所述的变频器包括:控制器30和逆变器40。其中，所述控制器30用于获取逆变器40输出电压信号的频率；当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器40 ;当所述频率在所述第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器40 ;当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的空间矢量脉宽调制SVPWM过调制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器40 ;其中，所述第一频率小于第二频率，第二频率小于第三频率。具体地，所述控制器可采用上述实施例中所述的控制器。[0044]下面以控制一台功率ISOkW电机的变流器为例来说明本发明提供的技术方案。
[0045]如图4所示的实例，本实例中所述逆变器40的额定输入电压为DC1500V ;额定功率为180kW ;额定输出电压/频率为1100Vrms/64.5Hz ;输出电压/频率范围为0-1100Vrms/0-180Hz ;额定输出电流为128Aac。其中被控功率为180kW的电机2的主要参数有:级数为4级；电机额定电压为1100V ;额定电流为115A ;额定频率为64.5Hz。图中控制器30采用本发明提供的逆变器全频段分频调制控制方法对所述逆变器40进行控制，以使所述逆变器40在所述控制器30的控制下向所述电机2输出相应的交流电，以控制电机2输出的转速。
[0046]如图4所示，逆变器40有6个桥臂，这6个桥臂的控制电平信号选用3组互补模式的调制波，即PWM信号，因此只需设置三相上桥臂的PWM信号的发生方式，三相下桥臂的PWM信号与其对应的上桥臂互补，即上桥臂开关器件导通时其对应的下桥臂开关器件截止。即上桥臂Su导通时,对应的下桥臂Sx截止；上桥臂Sv导通时,对应的下桥臂Sy截止；上桥臂Sw导通时，对应的下桥臂Sz截止。下面分别对各频段的PWM信号的具体实例和该实例的生成过程作详细说明，如图5至图8所示。
[0047]异步调制段，如图5所示，图中只示出了一 U相上桥臂的PWM信号，其它V和W相PWM信号根据相邻两相PWM信号相差120°类推可以得到。异步调制段:载波频率不变，调制波频率变化，其载波比发生变化。如图5所示的所述控制器根据异步调制模式向所述逆变器输出的控制电平信号波形7。tl时所述控制器向逆变器输出的控制电平信号为低电平，逆变器的上桥臂功率开关器件Su截止，对应的下桥臂功率开关器件Sx导通。t2时至t3时所述控制器向逆变器输出的控制电平信号为高电平，逆变器的上桥臂功率开关器件Su导通，对应的下桥臂功率开关器件Sx截止。后续时间段类同。
[0048]15分频段:如图5所示，每个信号波周期分为15个区段进行调制，每个区段与异步调制段里每一个载波周期的调制方法相同。
[0049]7分频段:如图6所示，每个调制波周期分为18个区段进行调制，每3个区段为同一种PWM输出方式。U相:所述控制器根据同步7分频调制模式向所述逆变器输出的控制电平信号，1-3区段为高电平；4-6区段为如图6所示的连续变换控制电平信号；7-9区段为高电平；10-12区段为低电平；13-15区段为如图6所示的连续变换控制电平信号；16-18区段为低电平。如图中所示V相、W相和U相两相邻两相之间的相差120°，V相和W相可依据相位差推导出来。
[0050]3分频段:如图7所示，每个信号波周期分为6个区段进行调制。U相:所述控制器根据同步3分频调制模式向所述逆变器输出的控制电平信号，I区段为高电平；2区段为图中所示的由高变低再由低变高的控制电平信号；3区段为高电平；4区段为低电平；5区段为由低变高再由高变低的控制电平信号；6区段为低电平。同理，V相和W相可依据120°相位差推导出来。
[0051]方波段:如图8所示，每个信号波周期分为6区段，高低电平各3区段。U相，前3区段为高电平；后3区段为低电平。同理，V相和W相可依据120°相位差推导出来。
[0052]所述控制器采用本发明提供的技术方案，根据所述逆变器输出电压信号的频率所在的不同频段向所述逆变器输入上述图51中对应的控制电平信号，以使所述逆变器输出相应的交流电信号，以控制电机输出的转速。具体地，通过上述控制，获取到如图扩图12所示的在各调制模式下所述逆变器输出的电压和电流波形图。图9-图12中，CHl为逆变器输入端的电压。CH2为逆变器输出的电压。CH3为逆变器输出的电流。从上述图9~图12所示的逆变器输出电压和电流的波形结果可以看出，整个频段过程中过渡十分平滑，方法柔性度较好，并且适用范围广，容易实现。
[0053]对于前述的方法中，所述第一频率、第二频率、第三频率、第四频率和第五频率的选择仅针对了控制特定电机的逆变器，但是本领域的技术人员应该知悉，本发明并不受所选定频率值的限制，因为根据本发明，随电机参数不同，各频率的选择可做调制以达到最理想效果。其次，本领域技术人员也应该知悉，上述方法实施例均属于优选实施例，所涉及的电机和模块并不一定是本发明所必须的。
[0054]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各 实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种逆变器全频段分频调制控制方法，其特征在于，包括: 获取逆变器输出电压信号的频率； 当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器； 当所述频率在所述第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器； 当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的空间矢量脉宽调制SVPWM过调制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器； 其中，所述第一频率小于第二频率，第二频率小于第三频率。
2.根据权利要求1所述的逆变器全频段分频调制控制方法，其特征在于，所述第一频率为OHz，第二频率为45Hz，第三频率为60Hz。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器全频段分频调制控制方法，其特征在于，所述当所述频率在所述第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器，具体为: 当所述频率在所述第二频率至第四频率之间时，采用同步15分频调制模式控制所述逆变器； 当所述频率在所述第四频率至第五频率之间时，采用同步7分频调制模式控制所述逆变器； 当所述频率在所述第五频率至第三频率之间时，采用同步3分频调制模式控制所述逆变器；相应地， 所述当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的SVPWM过调制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器，具体为: 当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的SVPWM过调制算法将所述同步3分频调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器； 其中，所述第二频率小于所述第四频率，所述第四频率小于第五频率，所述第五频率小于第二频率。
4.根据权利要求3所述的逆变器全频段分频调制控制方法，其特征在于，所述第四频率为50Hz，所述第五频率为55Hz。
5.—种控制器,其特征在于,包括: 获取模块，用于获取逆变器输出电压信号的频率； 处理模块，用于当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调制模式控制所述逆变器，当所述频率在第二频率至第三频率之间时，采用分段同步调制模式控制所述逆变器，当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的SVPWM过调制控制算法将所述分段同步调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器； 其中，所述第一频率小于第二频率，第二频率小于第三频率。
6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述处理模块具体用于，当所述频率在第一频率至第二频率之间时，采用异步调 制模式控制所述逆变器，当所述频率在第二频率至第四频率之间时，采用同步15分频调制模式控制所述逆变器，当所述频率在第四频率至第五频率之间时，采用同步7分频调制模式控制所述逆变器，当所述频率在第五频率至第三频率之间时，采用同步3分频调制模式控制所述逆变器，当所述频率大于所述第三频率之后，采用预设的空间矢量脉宽调制SVPWM过调制算法将所述同步3分频调制模式过渡至方波调制模式，根据所述方波调制模式控制所述逆变器；其中，所述第二频率小于所述第四频率，所述第四频率小于第五频率，所述第五频率小于第二频率。
7.—种变频器，其特征在 于，包括逆变器和上述权利要求5或6所述的控制器。
【文档编号】H02P27/08GK103812420SQ201210458430
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月14日 优先权日:2012年11月14日
【发明者】杜继光, 姜涛, 高宏洋, 俞延军 申请人:中国北车股份有限公司