一种三电平的低调制度载波调制方法与流程

1.本发明属于变频器控制技术领域，具体设计一种三电平变频器低调制度时的载波调制方法，用来解决低调制度时的最小脉宽问题。


背景技术：

2.随着电力电子技术的迅速发展，三电平中点箝位型(neutral-point-clamped，npc)变频器在中高压大容量交流变频驱动领域的应用越来越广泛，并向低压领域不断发展。
3.电力电子功率器件存在最小开通时间和最小关断时间的限制，当功率器件的驱动信号的脉宽小于功率器件要求的最小开关时间时，功率器件无法正常工作，甚至发生损坏。尤其是一些高压大功率器件，如门极可关断晶闸管(gate-ture-off thyristor，gto)、集成门极换向晶闸管(integrated gate-commutated thyristor，igct)等，其所要求的最小脉宽达到数十微秒以上。因此必须对过窄的驱动脉冲进行处理，使其满足功率器件最小脉宽的要求。目前三电平npc变频器常用的脉宽调制方法主要为空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，svpwm)和载波脉宽调制。svpwm调制通常采用最近三矢量法(nearest three vecotrs，n3v)，在特定区域内不可避免出现最小脉宽问题。一般采用将小于最小脉宽的驱动脉冲滤除或扩展为最小脉宽的方法，但这种方法改变了某一相的脉冲宽度，必然会造成输出的线电压畸变。在调制度很高时，这种最小脉宽的处理方法影响较小，可以忽略。但在调制度很低时，小于最小脉宽的脉冲较多，这种最小脉宽的处理方法影响很大。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种三电平的低调制度载波调制方法，有效解决三电平变频器低调制度时最小脉宽的问题。
5.本发明三电平的低调制度载波调制方法，当调制度小于0.4时，当前载波周期中三电平变频器的三相调制波同时进行正偏置，且每过一个载波周期三相调制波的偏置方向改变一次。
6.上述每个开关周期内，将偏置后的三相调制波分别与两个反相层叠的三角载波进行比较，得到每个开关周期内所有功率开关管的开关序列。
7.本发明的优点在于：
8.(1)本发明三电平的低调制度载波调制方法，在三电平变频器低调制度时，采用调制波每过一个开关周期就轮换进行正负偏置的方法，解决低调制度时的最小脉宽问题的同时，没有增加器件的开关次数，并能够保证输出线电压平均值没有畸变。
9.(2)本发明三电平的低调制度载波调制方法，依据载波脉宽调制原理，调制方法简单清晰，易于实现，具有较强的可靠性，适用于采用高压大容量功率器件的三电平npc变频器。
附图说明
10.图1为本发明三电平的低调制度载波调制方法流程图。
11.图2为典型的三电平npc变频器拓扑电路。
12.图3为调制方式原理示意图。
13.图4a为调制度0.1时本发明仿真得到的相电压和线电压波形图。
14.图4b为调制度0.4时本发明仿真得到的相电压和线电压波形图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的详细说明。
16.本发明三电平的低调制度载波调制方法，如图1所示，具体过程如下：
17.典型的三电平npc变频器拓扑电路如图2所示，图中c1与c2为直流电容，sa1～sa4、sb1～sb4、以及sc1～sc4分别为变频器a、b、c三相的功率开关器件。da1～da4、db1～db4、、dc1～dc4分别为变频器a、b、c三相的反并联二极管。
18.三电平变频器的三相调制波标幺化之后的取值范围为[-m,m]，m为调制度。调制度较低时(调制度小于0.4)，将三电平变频器的三相调制波v
ra
、v
rb
和v
rc
在当前的开关周期(即载波周期)内同时进行+0.5的正偏置，如式(1)所示。
[0019][0020]
式子中，v
ra
、v
rb
和v
rc
分别为偏置前的三相调制波；v
ra1
、v
rb1
、v
rc1
分别为偏置后的三相调制波。
[0021]
在下个开关周期(即载波周期)内将三电平变频器的三相调制同时进行-0.5的负偏置，如下式(2)所示。
[0022][0023]
后续开关周期中，每过一个开关周期，三相调制波的偏置方向改变一次。
[0024]
在上述每个开关周期内，将偏置后的三相调制波v
ra1
、v
rb1
和v
rc1
分别与两个反相层叠的三角载波v
c1
和v
c2
进行比较，最终得到每个开关周期内所有功率开关管的开关序列。
[0025]
上述两个三角载波v
c1
和v
c2
中，v
c1
的幅值范围为[0，1]，v
c2
的幅值范围为[-1，0]，且：
[0026]vc2
＝-v
c1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
上述每个开关周期内所有功率开关管的开关序列的具体获得方法如下：
[0028]
首先，由偏置后的三相调制波v
rx1
分别与载波v
c1
和v
c2
进行比较，按照如下规则方法得到该相输出电平信号和功率开关管的开关序列，v
rx1
表示偏置后的变频器x相的调制波，x为a，b，c。
[0029]
以a相为例，当vra1》vc1，三电平变频器a相输出正电平，该相sa1和sa2功率开关管导通，sa3号和sa4号功率开关管关闭；
[0030]
当vra1《vc2，三电平变频器a相输出负电平，sa1和sa2功率开关管关闭，sa3和sa4号功率开关管导通；
[0031]
当vc2《vra1《vc1，三电平变频器a相输出零电平，sa1和sa4功率开关管关闭，sa2和sa3号功率开关管导通。
[0032]
变频器b、c相按照同样的规则方法得到本相的输出电平信号和功率开关管的开关序列。
[0033]
由此，通过上述方法，可根据相输出电压波形最终可得到所有功率开关管的开关序列。
[0034]
实施例：
[0035]
如图3所示，为某一相调制波v
rx
幅值为0.2时采用上述调制方式的原理示意图。
[0036]
在第一个开关周期ts中，调制波v
rx
进行+0.5偏置，得到调制波v
rx1
的幅值为0.7。调制波v
rx1
与载波v
c1
和v
c2
比较，得到相输出电平信号uxo，同时v
rx1
与载波v
c1
进行比较得到1号功率开关管脉冲驱动信号pwm1，v
rx1
与载波v
c2
进行比较得到2号功率开关管脉冲驱动信号pwm2，控制信号pwm1和pwm2经过逻辑处理后得到该相中四只功率开关管的驱动信号。
[0037]
在第二个开关周期ts中，调制波v
rx
进行-0.5偏置，得到调制波v
rx1
的幅值为-0.3。调制波v
rx1
与载波v
c1
和v
c2
比较，得到相输出电平信号uxo，同时v
rx1
与载波v
c1
进行比较得到1号功率开关管脉冲驱动信号pwm1，v
rx1
与载波v
c2
进行比较得到2号功率开关管脉冲驱动信号pwm2，控制信号pwm1和pwm2经过逻辑处理后得到该相中四只功率开关管的驱动信号。
[0038]
为了验证本发明的有效性，利用电力电子仿真软件psim进行仿真的验证。模型中取基波频率fo＝50hz，开关频率fc＝600hz，直流电压5000v，上下组直流电容c1＝c2＝10mf，所用功率开关器件要求的最小脉宽为60us。采用正弦脉宽载波调制模式，a相调制波v
ra
＝sin(ωt)，b相调制波v
rb
＝sin(ωt-120)，c相调制波v
rc
＝sin(ωt+120)，ω为调制波角频率且ω＝2πfo，t为时间。b、c相调制波分别滞后和超前a相调制波120
°
。图4a和图4b和分别为调制度为0.1和0.4时三电平npc变频器a相1号功率管和2号功率管驱动信号、a相电压和ab线电压波形。
[0039]
从图3中可以看出在调制度分别为0.1和0.4时，功率管的驱动脉冲宽度都大于60us，能够满足最小脉宽的要求。

技术特征：
1.三电平的低调制度载波调制方法，其特征在于：调制度小于0.4时，当前载波周期中三电平变频器的三相调制波同时进行正偏置，且每过一个载波周期三相调制波的偏置方向改变一次；上述每个开关周期内，将偏置后的三相调制波分别与两个反相层叠的三角载波进行比较，得到每个开关周期内所有功率开关管的开关序列。2.如权利要求1所述三电平的低调制度载波调制方法，其特征在于：每个载波周期中，三电平变频器的三相调制波偏置量为0.5。3.如权利要求1所述三电平的低调制度载波调制方法，其特征在于：两个三角载波中，一个三角波v
c1
的幅值范围为[0，1]；另一个三角波v
c2
的幅值范围为[-1，0]，且：v
c2
＝-v
c1
。4.如权利要求1所述三电平的低调制度载波调制方法，其特征在于：每个载波周期内所有功率开关管的开关序列的具体获得方法如下：首先，由偏置后的三相调制波v
rx1
分别与载波v
c1
和v
c2
进行比较，按照如下规则方法得到该相输出电平信号和功率开关管的开关序列，v
rx1
表示偏置后的变频器x相的调制波，x为变频器a、b、c三相：当v
rx1
＞v
c1
，三电平变频器x相输出正电平，则三电平变频器x相1号和2号功率开关管导通，3号和4号功率开关管关闭；当v
rx1
＜v
c2
，三电平变频器x相输出负电平，则三电平变频器x相1号和2号功率开关管关闭，3号和4号功率开关管导通；当v
c2
＜v
rx1
＜v
c1
，三电平变频器x相输出零电平，则三电平变频器x相1号和4号功率开关管关闭，2号和3号功率开关管导通。

技术总结
本发明公开一种三电平的低调制度载波调制方法，当调制度较低时，将当前载波周期中三电平变频器的三相调制波同时进行正偏置，随后每过一个载波周期三相调制波的偏置方向改变一次。进一步在每个开关周期内，将偏置后的三相调制波分别与两个反相层叠的三角载波进行比较，得到每个开关周期内所有功率开关管的开关序列。本发明方法易于实现，具有较强的可靠性，解决低调制度时的最小脉宽问题的同时，没有增加器件的开关次数，并能够保证输出线电压平均值没有畸变。平均值没有畸变。平均值没有畸变。


技术研发人员：兰志明 王成胜 段巍 杨琼涛 李凡 蒋珺 唐磊 朱紫薇
受保护的技术使用者：北京金自天正智能控制股份有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/23