一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构及其控制方法，该结构包括两个三相半桥变换器，两个三相滤波电抗器以及两组直流母线电容。所述变换器包括主变换器和谐波补偿变换器。其中主变换器的每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，谐波补偿变换器结构与主变换器相同。主三相电抗器与谐波补偿三相电抗器的另一端分别相连接，并与电机的三相绕组相接。本发明专利技术采用在原有低载波比电机系统的基础上，并联小容量、高开关频率的三相可控半桥电路，可以有效补偿电机三相绕组上的电流谐波，提高电机效率、较小电机发热等问题。较小电机发热等问题。较小电机发热等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构及其控制方法


[0001]本专利技术属于交流电机驱动领域，具体涉及一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构及其控制方法。

技术介绍

[0002]应用电力电子变换器作为电机驱动电源是现代电气传动的主要方式。在大功率电机驱动和高速电机驱动等领域，常会出现变换器开关频率相对于电机基频较小的情况。其产生原因通常为开关器件的开关损耗大、散热器体积重量大和电机基频过高等。在低载波比驱动情况下，电机电流谐波含量高，导致电机发热、转矩脉动大并且降低电机驱动系统整体性能和效率。如果电机电感较小，以上情况将更为严重。因此，针对减小低载波比工况下电机电流谐波的研究十分必要。
[0003]针对上述问题，从大量的相关研究可以总结出三种主要的解决方法：采用无源滤波器、提高系统的采样和开关频率、采用多电平拓扑结构。其中，无源滤波器件是一种结构简单可靠的解决方案，但是在大功率工况下，其体积重量往往较大。采用新型SiC或GaN器件可以增加开关频率，从根本上解决该问题。但是目前高频器件的价格依然较高，对于大部分工程而言，成本太高，并不适用。多电平拓扑通过增加开关器件增加输出电压的电平数量，从而降低电流谐波。该方案需要翻倍使用功率开关器件，并且控制方式复杂，降低系统可靠性。因此，低载波比情况下电机电流谐波抑制问题，需要针对不同工程背景，从变换器成本、系统可靠性、体积与重量要求以及控制算法复杂程度等方面综合考虑。
[0004]目前国内外相关研究主要集中上述三种方法以及他们的混合使用，目的在于寻求一种综合各方面考虑最优的解决方案。随着大功率电机系统与高速直驱电机系统的日益发展，未来该领域驱动控制系统需要向高可靠性、小型集成化、更加灵活等方向发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构及其控制方法，以解决通常由系统载波比不高造成的电机电流谐波含量大的问题，实现减小电流谐波、优化转矩脉动、降低电机温升与提高系统效率的目的。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，包括主变换器和谐波补偿变换器，所述主变换器的每个桥臂上设置有一个第一上桥臂功率开关器件和一个第一下桥臂功率开关器件，第一上桥臂功率开关和第一下桥臂功率开关之间的节点为所述桥臂的输出节点，每个桥臂的输出节点连接有主电抗器的第一端；
[0008]所述谐波补偿变换器包括三个并联的桥臂和第二直流母线电容组，每个桥臂上设置有一个第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件，第一上桥臂功率开关器件的下节点和第二下桥臂功率开关器件的上节点连接，每一个第二上桥臂功率开关器件的上节点连接第二直流母线电容组的正极，每一个第二下桥臂功率开关器件的下节点连接第二
直流母线电容组的负极；第一上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的连接点为所述桥臂的输出节点，每个桥臂的输出节点连接有谐波补偿电抗器第一端；
[0009]所述谐波补偿变换器的输出功率小于主变换器的输出功率，所第一上桥臂功率开关器件和第一下桥臂功率开关器件的频率均小于第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的频率；
[0010]主电抗器的第二端和谐波补偿电抗器的第二端连接，两个第二端的连接处连接至电机。
[0011]本专利技术的进一步改进在于：
[0012]优选的，所述主变换器的三个桥臂的上节点共同连接有第一直流母线电容组的正极，三个桥臂的下节点共同和第一直流母线电容组的负极连接。
[0013]优选的，所述谐波补偿变换器输出功率小于主变换器输出功率的30％。
[0014]优选的，所述第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的开关频率大于第一上桥臂功率开关器件；所述第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的开关频率大于第一下桥臂功率开关器件的开关频率。
[0015]优选的，所述第二上桥臂功率开关器件的开关频率和第二下桥臂功率开关器件的开关频率为第一上桥臂功率开关器件的开关频率的5倍及其以上；所述第二上桥臂功率开关器件的开关频率和第二下桥臂功率开关器件的开关频率为第一下桥臂功率开关器件的开关频率的5倍及其以上。
[0016]优选的，所述含并联谐波补偿装置的变换器的电路方程为：
[0017][0018]v
abc
、v
fabc
、v
mabc
、i
abc
、i
fabc
和i
mabc
分别代表主电抗器与谐波补偿电抗器连接处的三相电压、谐波补偿变换器三相输出节点的电压、主变换器三相输出节点的电压、电机三相绕组的电流、谐波补偿电抗器的三相电流和主电抗器的三相电流。
[0019]优选的，所述电机为三相半桥可驱动的电机。
[0020]优选的，所述主变换器和谐波补偿变换器均为三相半桥变换器；所述主电抗器和谐波补偿电抗器均为三相滤波电抗器。
[0021]一种上述的含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构的控制方法，采集谐波补偿变换器的母线电压，母线电压与电压参考值做差得到电压误差信号，电压误差信号通过PI控制器，与主变换器的电流误差信号共同组成dq轴电流的参考值；采集谐波补偿电抗器的三相电流值，三相电流值经过坐标变换至dq坐标系下，作为电流内环的电流反馈值；将dq轴电流的参考值与电流反馈值做差，将差值经过FC电流控制器得到dq轴的电压输出信号，将电压输出信号通过坐标变换得到αβ轴电压信号，αβ轴电压信号经过PWM电压调制，得到谐波补偿变换器(2)的功率开关器件的控制信号，通过所述控制信号控制第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件。
[0022]优选的，对主变换器的转速信号和参考转速信号做差，获得转速误差信号，转速误差信号通过PI控制器得到q轴电流参考值；采集电机三相绕组电流，经过坐标变换至dq坐标系下，获得电流内环的电流反馈值；将dq轴电流反馈值和dq轴电流参考值做差，得到dq轴电
流误差信号；dq轴电流误差信号经过MC电流控制器处理后得到dq轴的电压输出信号；dq轴的电压输出信号通过坐标变换得到αβ轴电压信号，αβ轴电压信号经过PWM电压调制，得到主变换器的功率开关器件的控制信号；通过控制信号对主变换器(1)的第一上桥臂功率开关和第一下桥臂功率开关进行控制。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]本专利技术公开了一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，该结构包括两个三相半桥变换器，两个三相滤波电抗器以及两组直流母线电容。所述变换器包括主变换器和谐波补偿变换器。其中主变换器的每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，谐波补偿变换器结构与主变换器相同。主三相电抗器与谐波补偿三相电抗器的另一端分别相连接，并与电机的三相绕组相接。主变换器控制电机主要功能并提供有功功率；谐波补偿变换器抑制电机三相绕组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，其特征在于，包括主变换器(1)和谐波补偿变换器(2)，所述主变换器(1)的每个桥臂上设置有一个第一上桥臂功率开关器件和一个第一下桥臂功率开关器件，第一上桥臂功率开关和第一下桥臂功率开关之间的节点为所述桥臂的输出节点，每个桥臂的输出节点连接有主电抗器(4)的第一端；所述谐波补偿变换器(2)包括三个并联的桥臂和第二直流母线电容组，每个桥臂上设置有一个第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件，第一上桥臂功率开关器件的下节点和第二下桥臂功率开关器件的上节点连接，每一个第二上桥臂功率开关器件的上节点连接第二直流母线电容组的正极，每一个第二下桥臂功率开关器件的下节点连接第二直流母线电容组的负极；第一上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的连接点为所述桥臂的输出节点，每个桥臂的输出节点连接有谐波补偿电抗器(5)第一端；所述谐波补偿变换器(2)的输出功率小于主变换器(1)的输出功率，所第一上桥臂功率开关器件和第一下桥臂功率开关器件的频率均小于第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的频率；主电抗器(4)的第二端和谐波补偿电抗器(5)的第二端连接，两个第二端的连接处连接至电机(3)。2.根据权利要求1所述的一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，其特征在于，所述主变换器(1)的三个桥臂的上节点共同连接有第一直流母线电容组的正极，三个桥臂的下节点共同和第一直流母线电容组的负极连接。3.根据权利要求1所述的一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，其特征在于，所述谐波补偿变换器(2)输出功率小于主变换器(1)输出功率的30％。4.根据权利要求1所述的一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，其特征在于，所述第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的开关频率大于第一上桥臂功率开关器件；所述第二上桥臂功率开关器件和第二下桥臂功率开关器件的开关频率大于第一下桥臂功率开关器件的开关频率。5.根据权利要求1所述的一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，其特征在于，所述第二上桥臂功率开关器件的开关频率和第二下桥臂功率开关器件的开关频率为第一上桥臂功率开关器件的开关频率的5倍及其以上；所述第二上桥臂功率开关器件的开关频率和第二下桥臂功率开关器件的开关频率为第一下桥臂功率开关器件的开关频率的5倍及其以上。6.根据权利要求1所述的一种含并联谐波补偿装置的变换器拓扑结构，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁阳，梁得亮，贾少锋，褚帅君，张弘，王浩，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：