一种变频器死区时间内输出电压补偿系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种变频器死区时间内输出电压补偿系统，该系统包括有节点模块、PID模块、双二阶滤波模块、坐标系变换模块以及反馈处理模块。相比于现有技术，在本实用新型专利技术当中提供的补偿系统从电机重新架构电流环路，有效削弱变频器中逆变电路由于插入死区时间引起电压畸变继而在电机中引起的相电流谐波，达到降低电机噪声以及震动，以及提高无速度传感器控制性能的效果。器控制性能的效果。器控制性能的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种变频器死区时间内输出电压补偿系统


[0001]本技术属于电力电子
，特别涉及一种应用于电机变频调速驱动电压的补偿系统。

技术介绍

[0002]变频器设置在电机的前端，用于输出电源驱动电机，并根据需要改变电源输出频率以进一步控制交流电机转速。
[0003]变频器一般由整流电路、滤波电路、斩波电路以及逆变电路组成，对变频器接入市电，则原先呈现为工频交流的市电经整流电路后将成为直流电，滤波电路对该直流电进一步滤波，滤除其中残余的交流成分及噪声后，经斩波电路改变其电压幅值，并进一步由逆变电路将其转换成为电压可调的、具有预期输出频率的交流电向电机输出。这其中，逆变电路作为将直流转换成为交流的主要模块，其工作情况将直接影响变频器输出交流电的相位与交变频率。而在具体实施时，逆变电路往往以成对设置的开关器件搭建而成。如图1所示为全桥式逆变电路的电路原理图，其中即以四个开关管T1/T2/T3/T4组成逆变电路的上、下桥臂，控制器连接每一个开关管，对其输出驱动脉冲，分别控制上、下桥臂以一定频率分时通断，即能在逆变器的两输出端之间输出具有理想相位及交变频率的交流电。
[0004]逆变电路中控制器对各个开关管的驱动方式有多种，以PWM控制最为常见，PWM即脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)是一种根据相应载荷的变化，输出一系列幅值相等但宽度不同的脉冲，驱动逆变电路中各个开关管的偏置情况，改变开关管的导通或截止的时刻及时长，从而改变变频器输出的电源的实际相位情况及频率情况的控制方法。如图2所示即为常见的控制器采用 PWM控制方式对逆变电路进行控制时，控制器中输出的各路脉冲的时序图。由图2可看出，构建逆变电路的四个开关管T1/T2/T3/T4成对设置，开关管T1 与开关管T3组成逆变电路中的上桥臂，二者同步通断，而开关管T2与开关管 T4则组成了逆变电路的下桥臂，二者同步通断。
[0005]应该指出，如图2中所展示的PWM驱动脉冲为理论状态下的理想控制方式，但是对于应用到实际的逆变电路中的单个开关管而言，由于IGBT管、MOS 管等具体开关管都存在一定的结电容，器件的导通或关断过程都将存在延迟现象，单个开关管在驱动脉冲发生变化的瞬间无法立即改变其导通状态，如上桥臂中开关管还未完全截止时下桥臂即开始导通，则所有开关管将同时导通，逆变电路的上下桥臂将直穿，逆变电路将前端的其他电路短路，逆变失败，前端电路传送而来的直流电将无法成功转换成为交流电对负载输出。
[0006]为解决上述问题，现有技术通常在PWM驱动信号的上下桥臂的导通脉冲之间插入一段死区时间，在死区时间内，逆变电路的上下桥臂中各个开关管同时关断，待原先导通的开关管彻底关断后再行导通原先截止的开关管，保证在同一时刻至多只有一对开关管导通，避免逆变电路上下桥臂直穿。
[0007]在逆变电路的PWM控制信号中插入死区时间后，由于在死区时间内上下桥臂中所有开关管全部截止，逆变电路输出端处输出的交流电将在死区时间内发生畸变，输出电压
的低频基波信号无法完全等效于设定的调制波信号，带有畸变的交流电压施加在负载上后会引起负载电流的畸变。以永磁同步电机为例，在逆变电路的上下桥臂的PWM控制信号之间插入死区时间后，逆变电路输出端之间输出的交流电将对应死区时间的起止时刻点出现电压畸变，夹杂畸变的交流电施加在永磁同步电机上后，将引起电机定子谐波电流，并进一步导致电机输出转矩纹波，引起额外的压缩机噪音和震动，增加绕组损耗，严重时将缩短压缩机使用寿命，这样的问题在对运行噪音和稳定性要求较高的商用空调等应用场景中尤为明显。
[0008]现有技术中对插入死区时间引起的输出电压畸变提出了多种补偿方案，根据其补偿原理，主要可以分为四种：
[0009]第一类方法是基于逆变电路输出相电流极性的补偿方法，当逆变器中电流较大时，在死区时间内，某一桥臂输出的死区电压基本保持不变，其极性随上述相电流的方向而改变的。基于此，可以通过判断该相电流的方向，根据测量或计算得到的死区时间内逆变器输出电压的幅值，将重构的死区时间内重构的死区电压的等效基波补偿到逆变电路的输出电压中去实现死区补偿。采用该补偿方法时，由于电路电子功率电路中往往存在较大噪声，很难准确检测相电流的方向，即很难检测该相电流的过零点，现有技术中提出的多种相电流过零点检测方法应用到实际的变频器中时，经相电流检测、滤波、预测等步骤后，检测电路对相电流的检测结果相较于实际的相电流过零点，将或多或少地存在相位滞后，这样的相电流过零点检测困难以及检测误差在高速电机的应用场合中尤为明显。
[0010]第二类方法是基于输出电压检测或者开关器件特征信号检测反馈的方法实施补偿，该类方法通常需要以一定手段检测逆变电路中的实际输出电压，将其与实现设置的相关电压阈值进行比较后，通过二者之间的差值对逆变电路实际输出电压进行补偿，这样的方法普遍用在逆变电路死区时间内输出电压的补偿场景中，该方法在具体实施时需额外增加电压检测电路，这给系统带来成本上升，且逆变电路中电压越高，对器件的耐压能力要求越高，额外增设的电压检测电路的成本也越高。
[0011]第三类方法是基于电机负载，建立负载模型扰动观测器，由该扰动观测器对逆变电路在死区时间内的电压畸变进行估算，将由扰动观测器处得到的估算结果作为补偿依据对该逆变电路的输出电压进行补偿。采用这样的办法对输出电压进行补偿时，需要准确测定逆变器及负载的数学模型，且计算量较大，需要在性能较好、成本较高的计算控制平台下实现，且电机低速运行范围下估算精度较低。
[0012]第四类方法是基于电流闭环控制原理，在电机提高电流环路增益，减小施加夹杂畸变的电压后电机的电流畸变成分。以上方法由于电流环路一般采用比例或比例
‑
积分控制方式，受电流环路反馈检测噪声水平影响，过高的高频段环路增益，容易引起电流环路振荡或者额外可听噪声。一部分新算法采用自适应滤波或者重复控制器等方法，提高对特定频段的扰动信号的抑制能力，但总体而言，自适应滤波算法和重复控制器计算量大，参数意义不直观，容易导致环路稳定性问题，在实际工程产品使用中调试起来较困难。
[0013]综上所述，现有技术中为解决逆变电路控制过程中的因插入死区时间引起的输出交流电发生畸变的问题提出了多种解决方案，但现有技术中提供的解决方案在不同程度上存在误差大、成本高、计算量大、难以适应高速电机场合的问题，如何大部分补偿方法主要针对电机低频率运行范围。在高速永磁同步压缩机应用中，尚未出现特别简单且广泛适用
的方法，因此，如何对变频器中逆变电路的输出电压做出死区补偿，尤其在高速电机运行时，变频器需输出高频交流电，逆变电路中上下桥臂需高速切换通断状态的情景中对逆变电路的输出电压做出死区补偿，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0014]为解决上述问题，本技术的目的在于提供一种变频器死区时间内输出电压补偿系统，该系统架构简洁、易于实现，应用在电机驱动场景中时，能适应更宽转速范围内的电机，对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变频器死区时间内输出电压补偿系统，该系统包括有：用于接入外部d轴基准电流信号、外部q轴基准电流信号、外部电机中d轴实际反馈电流信号以及q轴实际反馈电流信号的节点模块；其特征在于，该系统还包括有用于对接入的d轴基准电流信号以及q轴基准电流信号作出比例、积分或微分处理的PID模块；用于对经所述PID模块处理后的信号中的基波六次倍频杂波信号进行补偿处理的双二阶滤波模块；用于对经双二阶滤波模块处理后的信号作出坐标系变换，将其转换成为驱动电机工作的a相绕组驱动电压信号、b相绕组驱动电压信号以及c相绕组驱动电压信号以驱动外部电机工作的坐标系变换模块；以及，用于对外部电机的a相绕组实际电流信号、b相绕组实际电流信号以及c相绕组实际电流信号作出处理，处理成为外部电机中d轴实际反馈电流信号以及q轴实际反馈电流信号后向所述节点模块输出的反馈处理模块。2.如权利要求1所述的变频器死区时间内输出电压补偿系统，其特征在于，所述节点模块包括有第一综合节点和第二综合节点；所述第一综合节点接入外部d轴基准电流信号以及反馈处理模块中输出的d轴实际反馈电流信号，其输出端连接所述PID模块；所述第二综合节点接入外部q轴基准电流信号以及反馈处理模块输出的q轴实际反馈电流信号，其输出端连接所述PID模块。3.如权利要求2所述的变频器死区时间内输出电压补偿系统，其特征在于，所述PID模块包括有第一PID控制器和第二PID控制器，所述第一PID控制器接入所述第一综合节点，其输出端连接所述双二阶滤波模块；所述第二PID控制器接入所述第二综合节点，其输出端连接所述双二阶滤波模块。4.如权利要求3所述的变频器死区时间内输出电压补偿系统，其特征在于，所述第一PID控制器和第二PID控制器均为P单元、I单元和D单元中一个或多个组合。5.如权利要求4所述的变频器死区时间内输出电压补偿系统，其特征在于，所述双二阶滤波模块包括有第一双二阶滤波器和第二双二阶滤波器；所述第一双二阶滤波器与所述第一PID控制器交互，其输出端连接所述坐标系变换模块；所述第二双二阶滤波器与所述第二PID控制器交互，其输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伯辉，梁志威，
申请(专利权)人：深圳市普控科技有限公司，
类型：新型
国别省市：