单相和三相功率变换器的统一控制制造技术

本文所描述的是对单相和三相控制器的统一控制方法以及实现方式。通过一个实施范例，提出了一个统一控制器以用来控制三相三线、三相四线电压源型变换器、可进行电流整形的三相在线式变换器，以及单相全桥电压源型变换器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术是关于功率变换器的控制，尤其是针对单相和三相功率变换器的统一控制。
技术介绍
现在已发展出许多针对单相和三相功率变换器的电压调压和电流整形的控制方法。已知的控制器包括正弦占空比调制以及双位(bang-bang)型的控制器。但是，有限的动态范围，高损耗和谐波失真，以及各相间可能产生的控制冲突，使得它们不如基于空间矢量调制(SVM)的控制器那么普及。作为现在最普及的控制方法，基于SVM的控制器有着良好的特性；但是，其不可或缺的d/q变换需要高速的数字信号处理器(DSP)以及高采样率的模数(A/D)变换，这些都极大程度地增加了设计难度和成本。因此，需要有一种适用于不同功率变换器的统一控制方法，它能使变换器具有良好性能，却不需类J象基于SVM的控制器那样的复杂度和高成本。
技术实现思路
本文所描述的是对单相和三相控制器的统一控制方法以及实现方式。通过具体实施范例，本文提出了一个统一控制器，以用来控制三相三线、三相四线电压源型变换器、用来电流整型的三相在线式变换器以及单相全桥电压源型变换器。此统一变换器包括一个反馈信号处理器， 一个选区器， 一个控制信号选择器， 一个控制核心，和一个门信号分配器。基于对功率变换器交流电压过零点的检测，选区器把每个电周期分成不同的有效区。反馈信号处理器把从功率变换器反馈的电压和/或电流信号处理后生成中间级信号(例如，相电压)。控制信号选择器从反馈信号处理器接收中间级信号(例如，相电压)，并根据选区器给出的有效区选择一个或多个中间级信号(例如，相电压)来组成控制信号。控制核心则才艮据控制 信号选择器产生的控制信号来生成占空比信号。门信号分配器才艮据选区器 给出的有效区把占空比信号分别送给功率变换器中适当的开关。本文例举了用以控制不同功率变换器的不同的反馈信号处理器的实 现方式。控制信号选择器和门信号分配器均可用逻辑电路实现，其实现方 式是在测出的有效区内，根据相应的逻辑表来选择中间级信号(例如，相 电压)作为控制信号，以及发送由控制核心生成的占空比信号。不同的逻 辑表可用来控制不同的功率变换器。控制核心的实现范例包括脉宽调制控制(PWM)以及单周控制(OCC)。以上所列的实施以及实现方式仅为范 例，并非用以限定此专利技术所涵盖范围。以下的图表以及详细说明应足以向行内人士说明此专利技术的其他系统、 方式、特点和优点。所有说明中所包括的附加系统、方法、特点和优点都 属本专利范畴，并受到相应的所有权保护。本专利不局限于需要实施范例 的细节。附图说明通过研习附加的图表，可以在一定程度上理解本专利的细节，包括制 作，结构以及操作。这里图表的编号和引文中的编号相对应。图1所示的是一个三相四线电压源逆变器(VSI)型的电压发生器，以及一个三相三线电压源逆变器型的电压发生器(除去虚线部分)。图2所示的是一个具有电流整形功能的三相在线功率变换器。图3所示的是一个单相全桥电压源逆变器(VSI)型的电压发生器。图4所示的是一个三相交流电压的例子。图5所示的是一个单相交流电压的例子。图6所示的是一个门信号驱动的时序图例子。图7所示的^1根据本专利技术的一个具体实施例子得出的统一控制器框图。图8所示的;i才艮据本专利技术的一个具体实施方式得出的可用于电压调 压的三相^Jt信号处理器。图9所示的;l根据本专利技术的一个具体实施方式得出的可用于电流整形的三相^Jf信号处理器。图IO所示的是根据本专利技术的一个具体实施方式得出的可用于电压调压的单相反馈信号处理器。图11所示的^1才艮据本专利技术的一个具体实施方式得出的一个三相脉宽调制(PWM)控制核心.图12所示的是根据本专利技术的一个具体实施方式得出的一个三相单周 控制(OCC)控制核心。图13所示的是根据本专利技术的一个具体实施方式得出的一个单相单周 控制(OCC)控制核心。图14所示的是三相四线电压源逆变器带三个单相非线性负载的实验 波形。具体实施例方式在此处所描述的是可用于控制以下功率变换器的统一控制方法以及 实现方式1. 三相四线电压源逆变器(VSI)作为电压发生器，2. 三相三线电压源逆变器(VSI)作为电压发生器，3. 具有电流整形功能的三相在线功率变换器，以及4. 单相全桥电压源逆变器作为电压发生器。 以下例举了这些功率变换器。图1例举的是一个在不间断电源系统(UPS)以及马达驱动中常用来 产生三相电压的三相四线VSI。此三相VSI把直流电压转换成三相交流电压。此VSI包括开关T叩-Txn以及由电感LA-Lx和电容CA-Cc组成的滤波器，它们连接直流源以及三相交流负载。通过让开关按一个控制器产生的 占空比门驱动信号来^Mt，此VSI可以产生如图4所示的三相交流电压。若移走虚线内的元件(即中线开关Txp和Txn，中线电感Lx和负栽中 性点和电容中性点间的连接)，图1所示的VSI (仅有实线)则代表了一 个三相三线VSI型的电压发生器。三相三线VSI适用于对称的三相负载， 而三相四线VSI可用于不对称负载。图2例举的是一个常用于在线的三相功率变换器，例如功率因素矫正型整流器，有源功率滤波器，或者无功发生器。此功率变换器包括六个开 关Tap-lcn和三个电感LA-LC，用以连接直流母线E和三相交流源。流过 电感的电流可以通过让开关按一个控制器产生的占空比门驱动信号来操 作而得到整形.图3例举的是一个单相全桥VSI,它是图1所示的三相VSI在单相应 用中的对应电路。此单相全桥VSI由四个开关T化-T2n和一个LC滤波器 组成。通过让开关按由一个控制器决定占空比的门驱动信号来操作，此单 相VSI可以向负载提供如图5所示的单相正弦电压V。。这些开关通常是由半导体开关来实现，如金属氧化物半导体场效应晶 体管(MOSFET)，绝,双极晶体管(IGBT)或带反向并联二极管的 碳化硅(SIC)开关。同一个桥臂上的两个开关按互补方式运行。例如，图1的开关T叩和Tan在同一个M上，它们运行方式是互补的，当Tap 导通时，Tan关断，>^之亦然。图6所示的是一个进到半导体开关的门驱动信号的时序图例子。当门 驱动信号为高时，开关导通；为低时，开关关断。开关工作在从几KHz 到几百KHz不等的开关频率上。如图6所示，门驱动信号在一个开关周期Ts内有T旭的时间为高。开关的占空比定义为开关的导通时间T皿和一个开关周期T,的比值。图4所示的三相交流电压描述了图1电路所产生的理想的电压参考波 形，或是图2电路中的交流电压源波形。在图4中，三个交流电压有相同 的频率，如60Hz，但120。的相位差。图5所示的单相电压描述了图3 电路向负载提供的理想的电压参考波形。在图4中， 一个电周期可以依据交流电压的it^点被分成六个区，每 个区为60°。在图5中， 一个电周期可以依据单相交流电压的it^点被分 成两个区。例如图5中的电周期被分成了 0°~ 180。和180° ~360°的两个区。图7表示本专利技术的一个实现电压发生和具有电流整形功能的在线功 率变换的统一控制器的 一个较优的实施方式。此统一控制器由 一个反馈信 号处理器110， 一个选区器115， 一个控制信号选择器120, —个控制核 心125，和一个门信号分配器130组成。反馈信号处理器110处理来自功 率变换器的反馈电压和/或电流信号，并把结本文档来自技高网...

【技术保护点】
功率变换器的一个控制器，包括：　一个设定成可从功率变换器的多个反馈信号来产生多个中间级信号的反馈信号处理器；　一个设定成可测出功率变换器每个电周期不同区域的选型器，其输出的区域信号指出了功率变换器正处在的工作区；　一个设定 成可产生多个控制信号的控制信号选择器，其中，控制信号选择器根据选型器的区域信号为每个控制信号选择至少一个中间级信号；　一个设定成可接受多个控制信号并基于所接受的控制信号产生多个占空比信号的控制核心；和　一个设定成可以根据选型器的 区域信号分配多个占空比信号给功率变换器开关的信号分配器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-10-4 60/828,1071.功率变换器的一个控制器，包括一个设定成可从功率变换器的多个反馈信号来产生多个中间级信号的反馈信号处理器；一个设定成可测出功率变换器每个电周期不同区域的选型器，其输出的区域信号指出了功率变换器正处在的工作区；一个设定成可产生多个控制信号的控制信号选择器，其中，控制信号选择器根据选型器的区域信号为每个控制信号选择至少一个中间级信号；一个设定成可接受多个控制信号并基于所接受的控制信号产生多个占空比信号的控制核心；和一个设定成可以根据选型器的区域信号分配多个占空比信号给功率变换器开关的信号分配器。2. 在权利要求1的控制器中，控制信号选择器根据选区器产生的区信号，按照一个逻辑表格选择至少一个中间级信号作为一个控制信号。3. 在权利要求l的控制器中，信号分配器根据选区器产生的区信号，跟随一个逻辑表M配多个占空比信号。4. 在权利要求1的控制器中，选区器被设定成可根据功率变换器的多个交流(AC)电压信号的过零点测出有效区。5. 在权利要求1的控制器中，所分的区共有六个，每个占有功率变换器一周期的60°。6. 在权利要求1的控制器中，占空比信号的开关频率范围为1kHz到10MHz。7. 在权利要求1的控制器中，控制核心被设定为单周控制器(OCC )或脉宽调制控制器(PWM )。8. 在权利要求1的控制器中，反馈信号由功率变换器的被测电压信号构成。9. 在权利要求8的控制器中，反馈信号处理器被设定为可比较被测电压信号和参考电压信号，并至少部分根据比较结果产生中间级信号。10. 在权利要求9的控制器中，参考电压信号由交流(AC)电压信号组成。11. 在权利要求9的控制器中，反馈信号处理器被设定成可根据被测电压信号和参考电压信号的不同产生差异信号，把此差异信号送入多个PID补偿器的输入端，并从PID补偿器输出端信号减去多个被测电流信号以产生中间级信号。12. 在权利要求11的控制器中，被测电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎丽华，马科悦，金陶涛，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]