一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法

摘要

本发明公开了一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，具有控制简单，可以降低损耗、提高系统效率及通过循环休眠延长设备寿命的优点，采用V/f控制，首先根据系统额定频率F、各相级联数n及输出频率f计算在该工况下各相最少需要投入工作的单元数A及载波移相角θ，此时A个单元工作，n-A个单元两个桥臂的上（或下）同时导通输出短接处于相对休眠状态，并使A在n个中按照一定的时序循环工作与休眠，保证所有功率单元使用程度一致；然后根据升频（或降频），通过n*f/F向上取整来判断此时是否需要多（或少）投入一个功率单元来满足此时的输出能力，若满足调整条件，根据调整后的单元数A重新计算移相角，并调整调制比m。

权利要求

1.一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一，根据系统的额定频率F、各相级联单元数n及当前输出电压的频率f，通过公式n*f/F向上取整数=A；

步骤二，根据A值，确定在该频率f下，各相需要工作于PWM开关状态的单元数为A，其余n-A个单元输出短接处于相对休眠状态，重新计算A个单元工作时各单元之间的载波移相角为180°/A，并且各相A个单元按照一定的时序循环工作及休眠；

步骤三，根据实际运行工况，通过公式n*f/F向上取整数，判断此时投入运行的单元数是否合适，若n*f/F向上取整数=A+1，则升频，再投入一个功率单元工作于PWM开关状态，若n*f/F向上取整数=A-1，则降频，在现在的工况下减少一个功率单元使其休眠，同时在调整模块工作数时，相应地调整调制比m；

步骤四，令A等于步骤三由公式n*f/F向上取整数计算出的值A+1或A-1，再回到步骤二覆盖A值，并进行循环判断；

步骤三中调整调制比m的方法为，若n*f/F向上取整数=A+1，调制比m=m*A/(A+1)；

步骤三中调整调制比m的方法为，若n*f/F向上取整数=A-1，调制比m=m*A/(A-1)。

2.根据权利要求1所述的一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，其特征在于：步骤二所述n-A个单元输出短接处于相对休眠状态，具体包括通过功率单元两个逆变侧上或下桥臂的同时导通短接，上、下桥臂采取等时间循环导通或关断的方式。

3.根据权利要求1所述的一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，其特征在于：步骤二所述各相A个单元按照一定的时序循环工作及休眠，其循环周期根据高压变频器实际的功率等级及使用工况进行整定。

说明书

一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，属于级联型高压变频器PWM控制技术领域。

背景技术

[0002] 随着高压变频器在电力、冶金、石油、化工等关系重大场合的节能技术广泛应用，由若干个独立的功率单元串联的级联式高压变频器以其谐波小、单元可方便快速互换、可批量生产、维护方便等优点，受到了国内外各行业越来越多的青睐，显示出了广阔的推广前景。

[0003] 目前通用级联高压变频器通常采用V/F开环控制，三角载波移相PWM调制方法，即根据输出频率线性调整调制比m，各级单元根据统一的调制波与各级的三角载波比较输出PWM波，再叠加后输出，所有功率单元都在同一调制比下开关工作，然而由于级联型拓扑用到的功率器件很多，且为了安全，对所有功率器件都配置了保护电路，而变频器本身就是一个电磁干扰源，因此在实际使用中难免会出现保护电路误动作跳机的情况。另一方面由于功率器件在开关过程中会产生额外的损耗，而我们希望的是在不影响输出谐波的前提下，开关频率越小越好，且调制比越大，输出电压的谐波越小，而目前在使用高压大功率变频器的场合，其实际运行频率一般都只在20-38Hz之间，这样其调制比m相对较低，因此开关频率不能够选择过低。

[0004] 基于上述原因，因此有必要设一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，在不影响变频器性能的前提下，降低系统的等效开关频率，从而降低系统损耗，减少功率器件工作的数量来减少保护误动作的次数，同时提高设备整体的使用寿命。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，可以降低系统损耗，同时提高设备整体使用寿命。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

[0007] 一种级联型高压变频器的优化PWM控制方法，包括以下步骤，

[0008] 步骤一，根据系统的额定频率F、各相级联单元数n及当前输出电压的频率f，通过公式n*f/F向上取整数=A；

[0009] 步骤二，根据步骤一的A，确定在该频率f下，各相需要工作于PWM开关状态的单元数为A，其余n-A个单元输出短接处于相对休眠状态，同时为了确保输出电压谐波最小，重新计算A个单元工作时各单元之间的载波移相角为180°/A，并且各相A个单元按照一定的时序循环工作及休眠；

[0010] 步骤三，根据实际运行工况，通过公式n*f/F向上取整数，判断此时投入运行的单元数是否合适，若n*f/F向上取整数=A+1，说明需要再投入一个单元工作于PWM开关状态来保证足够的输出能力，同时调整调制比为m=m*A/(A+1)，若n*f/F向上取整数=A-1，说明此时变频在降频减负荷，可以在现在的工况下减少一个功率单元使其休眠仍能够保证足够的输出能力，同时调整调制比为m=m*A/(A-1)，以防止出现与此时工况不匹配的过调制或欠调制；

[0011] 步骤四，令A等于步骤三由公式n*f/F向上取整数计算出的值A+1或A-1，再回到步骤二覆盖A值，并进行循环判断。

[0012] 步骤三中所述及时调整调制比m的方法为，若n*f/F向上取整数=A+1，调制比m=m*A/(A+1)，若n*f/F向上取整数=A-1，调制比m=m*A/(A-1)。

[0013] 步骤二所述n-A个单元输出短接处于相对休眠状态，具体包括通过单元两个逆变桥臂的上（或下）同时导通短接，同时为了确保功率器件的使用寿命，上下桥臂采取等时间循环导通（关断）方式。

[0014] 步骤二所述各相A个单元按照一定的时序循环工作及休眠，其循环周期需根据高压变频器实际的功率等级及使用工况进行整定，以确保设备中功率器件的整体使用寿命最长。

[0015] 本发明的有益效果是：在不影响变频器性能的前提下，降低了系统的等效开关频率，从而降低系统损耗，通过循环休眠技术减少了功率器件工作的数量，从而减少保护误动作的次数，同时提高设备整体的使用寿命。

附图说明

[0016] 图1为级联型高压变频器电路拓扑结构图。

[0017] 图2为功率单元拓扑图。

[0018] 图3为传统PWM控制下5级级联30Hz输出电压波形。

[0019] 图4为本发明级联型高压变频器的优化PWM控制流程图。

[0020] 图5为本发明控制方法5级级联调制比的变化曲线。

[0021] 图6为本发明控制方法下5级级联30Hz工况下各功率单元循环休眠示意图。

[0022] 图7为本发明控制方法下5级级联30Hz输出电压波形。

具体实施方式

[0023] 下面将结合说明书附图，同时为了便于说明以5级级联，采用V/F线性控制，输出电压30Hz时为例，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0024] 如图1所示，为级联型高压变频器电路拓扑结构图。主要由进线多绕组移相变压器、各相串联功率单元构成。功率单元拓扑图如图2所示。图3为传统PWM控制下5级级联30Hz输出电压波形，所有的功率单元都工作在PWM开关状态。

[0025] 如图4所示，为本发明级联型高压变频器的优化PWM控制流程图。具体实现包括以下步骤：

[0026] 步骤一，根据系统设定的额定频率F、各相级联单元数n及当前输出电压的频率f，通过公式n*f/F向上取整数=A，A≤n；

[0027] 步骤二，根据步骤一的A，确定在当前频率f下，各相需要工作于PWM开关状态的单元数为A，其余n-A个单元输出短接（导通），处于相对休眠状态，同时为了确保输出电压谐波最小，重新计算A个单元工作时各单元之间的载波移相角θ为180°/A，并且各相A个单元按照一定的时序循环工作及休眠；

[0028] 步骤三，根据实际运行工况，通过公式n*f/F向上取整数，判断此时投入运行的单元数是否合适，若n*f/F向上取整数=A+1，说明需要再投入一个功率单元工作于PWM开关状态来保证足够的输出能力，同时调整调制比为m=m*A/(A+1)，若n*f/F向上取整数=A-1，说明此时变频在降频减负荷，可以在现在的工况下减少一个功率单元使其休眠仍能够保证足够的输出能力，同时调整调制比为m=m*A/(A-1)，以防止出现与此时工况不匹配的过调制或欠调制。0＜调制比m＜1。

[0029] 在n取5时，优化PWM控制方法下调制比m2取值的变化曲线如图5所示，相比较于传统控制方法下的调制比m1曲线，在同一输出频率下m2>m1，则可以在不影响输出性能的情况下，降低等效开关频率。

[0030] 步骤四，令A等于步骤三由公式n*f/F向上取整数计算出的值A+1或A-1，再回到步骤二覆盖A值，并进行循环判断。

[0031] 如图6所示，为本发明控制方法下5级级联30Hz工况下各功率单元循环休眠时序示意图。图中PWM表示在该区间功率单元工作与PWM开关状态，PP表示如图2所示的功率单元逆变侧上桥臂两个器件同时开通，NN表示图2功率单元逆变侧的下桥臂两个器件同时开通。通过按照规定的时序进行循环休眠，保证所有功率单元的使用率都一致，从而可以延长设备的整体使用寿命。

[0032] 如图7所示，为本发明控制方法下5级级联30Hz输出电压波形。单次切换周期T=0.05s，每个功率单元连着3个T周期工作与PWM开关状态，然后连着2个T周期处于相对休眠状态，各个单元按照这种方式进行循环，这样处于相对休眠状态功率单元有PP状态切换为NN状态的周期也等于T。

[0033] 综上所述，采取本发明的级联型高压变频器的优化PWM控制方法，在不影响变频器性能的前提下，降低了系统的等效开关频率，从而降低系统损耗，通过循环休眠技术减少了功率器件工作的数量从而减少保护误动作的次数，同时提高设备整体的使用寿命。

[0034] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。