一種基于開(kāi)關(guān)器件溫度的級(jí)聯(lián)型高壓變頻動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)頻率pwm調(diào)整方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整的載波脈寬調(diào)制方 法，以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)型高壓變頻器輸出容量和輸出波形之間的優(yōu)化平衡。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在高壓多種技術(shù)方案中，級(jí)聯(lián)型高壓變頻器具有拓?fù)鋽U(kuò)展簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便和輸出 諧波小等特點(diǎn)。變頻器通過(guò)模塊的級(jí)聯(lián)最終實(shí)現(xiàn)高壓輸出，每一個(gè)級(jí)聯(lián)模塊由一個(gè)全橋電 路組成，每一個(gè)全橋電路的包含六脈波二極管整流電路和絕緣柵雙極型晶體管全橋電路組 成。
[0003] 在級(jí)聯(lián)型高壓變頻器中，絕緣柵雙極型晶體管開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用載波移相的脈 寬調(diào)制技術(shù)（PWM)，從而實(shí)現(xiàn)輸出期望電壓波形及其諧波抑制的目標(biāo)。
[0004] 絕緣柵雙極型晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)變頻器的輸出容量和輸出波形都 有明顯影響，開(kāi)關(guān)頻率越高，變頻器中的絕緣柵雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)損耗就會(huì)越大，在同等 散熱條件下絕緣柵雙極型晶體管的溫升也就越高，這會(huì)導(dǎo)致變頻器輸出容量下降。但是，較 高的開(kāi)關(guān)頻率下，變頻器輸出電壓誤差會(huì)減小、波形質(zhì)量會(huì)得到提高。變頻器輸出電壓誤差 減小，原因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率高時(shí)，在一個(gè)基本周期內(nèi)合成參考電壓的點(diǎn)數(shù)增多，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 內(nèi)合成的伏秒誤差減小，使得實(shí)際輸出電壓與期望電壓之間的誤差減??；而輸出電壓波形 質(zhì)量改善，這是由于輸出電壓中高頻諧波次數(shù)會(huì)隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而增大，進(jìn)一步使得 高頻諧波遠(yuǎn)離變頻器輸出電壓基波頻率，從而導(dǎo)致變頻器的輸出電流波形質(zhì)量變好，進(jìn)而 使得變頻器的驅(qū)動(dòng)對(duì)象的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音都會(huì)一定程度的改善。相反，絕緣柵雙極型晶體管 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率越低，變頻器在同等散熱條件下變頻器輸出容量會(huì)上升，但輸出波形 質(zhì)量會(huì)變差，從而使得變頻器驅(qū)動(dòng)對(duì)象的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音變差。
[0005] 因此，如何選擇級(jí)聯(lián)型高壓變頻器絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率取決 于級(jí)聯(lián)的模塊數(shù)量、應(yīng)用的輸出容量要求以及具體輸出電壓波形質(zhì)量的要求等多個(gè)因素， 這是級(jí)聯(lián)型高壓變頻器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。
[0006] 目前級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管的PWM信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率通常 在0. 2kHz到2kHz之間，但通常這些變頻器的開(kāi)關(guān)頻率是固定的，不會(huì)隨著變頻器的工況改 變而改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管的溫度，對(duì) 開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)在滿足系統(tǒng)輸出容量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓波質(zhì)量的優(yōu)化 控制。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管的溫度，多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵 雙極型晶體管的溫度是其損耗的表征值，只要多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管的溫度 不超過(guò)其報(bào)警值，則表明變頻器的輸出容量能夠滿足工況要求，在多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵 雙極型晶體管的溫度明顯低于其報(bào)警值時(shí)，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的動(dòng)態(tài)選擇，從而在保證變頻 器輸出容量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行條件下的輸出電壓波形質(zhì)量的優(yōu)化控制。
[0008] 本發(fā)明可以達(dá)到的有益效果：
[0009] (1)利用開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，在滿足級(jí)聯(lián)型高壓變頻器輸出容量要求的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)了輸出電壓波形質(zhì)量?jī)?yōu)化控制，有效提高了級(jí)聯(lián)型高壓變頻器輸出性能，最終實(shí)現(xiàn)了 級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的輸出容量和輸出電壓波形質(zhì)量?jī)烧叩膬?yōu)化控制；
[0010] (2)本發(fā)明不僅局限應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，同樣適用于其它類型的變頻器開(kāi) 關(guān)頻率選擇，擴(kuò)展應(yīng)用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1級(jí)聯(lián)型高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[0012] 圖2脈寬調(diào)制控制結(jié)構(gòu)
[0013] 圖3開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整
[0014] 圖4控制器及其相關(guān)電路
[0015] 圖5控制器中動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整計(jì)算流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案解決以上技術(shù)問(wèn)題的：
[0017] 本發(fā)明的級(jí)聯(lián)式高壓變頻器是由移相變壓器2、多級(jí)串聯(lián)的全橋整流單元3、多級(jí) 串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4、溫度傳感器5與控制單元及其相關(guān)電路6組成，其中，控 制單元及其相關(guān)電路6包括調(diào)理電路、AD采樣電路、控制器和脈沖輸出及其驅(qū)動(dòng)電路。而控 制器是由開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整單元8、載波信號(hào)發(fā)生單元9與PWM脈沖發(fā)生單元10組成。級(jí) 聯(lián)式高壓變頻器外接高壓電網(wǎng)1，用來(lái)控制高壓電機(jī)7。二極管全橋不控整流的輸入電壓由 電網(wǎng)通過(guò)移相變壓器提供，移相變壓器的原邊為A連接，副邊為Y連接。多級(jí)串聯(lián)中的全橋 整流每個(gè)單兀由三相H-橋構(gòu)成，每個(gè)H-橋的一個(gè)橋臂輸出與該模塊另外兩個(gè)H-橋的輸出 相連，而H-橋的另一個(gè)橋臂與對(duì)應(yīng)的下級(jí)全橋整流單元的橋臂相連接，以達(dá)到高壓輸出的 目的。
[0018] 溫度傳感器5采集的多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4的溫度T通過(guò)控制單 元及其相關(guān)電路6進(jìn)行計(jì)算處理，得到多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4的PWM開(kāi)關(guān) 信號(hào)，其特征在于：
[0019] 溫度傳感器5采集多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4的溫度T、多級(jí)串聯(lián)的全 橋絕緣柵雙極型晶體管4的溫度報(bào)警值Tg、級(jí)聯(lián)式高壓變頻器級(jí)聯(lián)模塊數(shù)N與多級(jí)串聯(lián)的 全橋絕緣柵雙極型晶體管4中一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的最小的開(kāi)關(guān)頻率用于開(kāi)關(guān)頻 率動(dòng)態(tài)調(diào)整單元8,經(jīng)開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整單元8計(jì)算處理得到系統(tǒng)控制中最優(yōu)的開(kāi)關(guān)頻率 &，其具體計(jì)算處理特征在于：
[0020] 多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4的溫度T經(jīng)低通濾波器17得到實(shí)際的多 級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4的溫度T'，用于差值模塊11的輸入。具體計(jì)算如下：
[0021] Tr =A(z)T (1)
[0022] 其中，A(z)為離散化的低通濾波器。
[0023]多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4的溫度報(bào)警值1；與濾波器17輸出的實(shí)際 的多級(jí)串聯(lián)的全橋絕緣柵雙極型晶體管4的溫度T'通過(guò)差值模塊11得到溫差A(yù)T，將溫差 AT與設(shè)定閥值s進(jìn)行比較，當(dāng)溫差A(yù)T小于設(shè)定閥值s時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了輸出 功率和輸出電壓波形質(zhì)量的優(yōu)化平衡控制，開(kāi)關(guān)頻率保持不變；當(dāng)溫差A(yù)T大于設(shè)定閥值 s或小于零時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率不能實(shí)現(xiàn)輸出功率和輸出電壓波形質(zhì)量的優(yōu)化平衡控制，須對(duì) 開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)整。具體計(jì)算如下：
[0024]AT=Tg_T, (2)
[0025] 對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整步驟，其特征在于：
[0026] 差值模塊11得到溫差A(yù)T，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器12得到串級(jí)頻率fN，用于頻率疊加模 塊13的輸入。
[0027]
13)
[0028] 其中，kp、h分別為PI控制中的比例系數(shù)和積分系數(shù)，f (k)為第k時(shí)刻主控制器 的開(kāi)關(guān)頻率。
[0029] 根據(jù)級(jí)聯(lián)模塊數(shù)N與一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的最小的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)最小開(kāi) 關(guān)頻率選擇單元16查得級(jí)聯(lián)式高壓變頻器的最小開(kāi)關(guān)頻率，用于頻率疊加模塊13的輸 入。
[0030] 級(jí)聯(lián)式尚壓變頻器的最小開(kāi)關(guān)頻率:^與串級(jí)頻率fN經(jīng)頻率置加t旲塊13置加，輸 出級(jí)聯(lián)式高壓變頻器開(kāi)關(guān)頻率命令fNI(，計(jì)算如下：
[0031]fNK=fi+fN (4)
[0032] 輸出級(jí)聯(lián)式高壓變頻器開(kāi)關(guān)頻率命令fNK經(jīng)帶通濾波器14的濾波與斜坡函數(shù)15 對(duì)頻率變化率的限制，得到系統(tǒng)控制中最優(yōu)的開(kāi)關(guān)頻率fK，用于載波信號(hào)發(fā)生單元9的輸 入。計(jì)算如下：
[0033]fNK- =B(z)fNK
[0034]fK=f(t)fNK-
[0035] 其中，B(z)為離散化的帶通濾波器；f(t)為斜坡函數(shù)，用于限制開(kāi)關(guān)頻率