基于三次谐波注入法的逆变器控制设计
3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺相容错控制_於锋
第 36 卷 第 3 期 2016 年 2 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.36 No.3 Feb.5, 2016 ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 351
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.03.028
反电动势/V
0
-300
0
90
180 转子电角度/(°)
270
360
图2
500 r/min 时空载反电势波形
Fig. 2 Back eletromotive force waveform at 500 r/min in no-load mode
0.5
转矩/(N·m)
电机系统的强容错能力。
1 九相 FSPM 结构和工作原理
YU Feng1, CHENG Ming1, XIA Zipeng1, K. T. CHAU2
(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China; 2. Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China) ABSTRACT: An investigation of open-circuit fault condition for vector-controlled nine phase 34-rotor-pole and 36-stator-slot flux-switching permanent magnet (FSPM) machine drive systems was done. In order to achieve the invariant in the torque-producing current and minimum stator copper losses, three approaches to fault-tolerant control based on the harmonic current injection were proposed to achieve the disturbance-free operation. The fault-tolerant currents can be online calculated by deducing the third, the fifth and the seventh harmonic currents in the copper loss optimization process. Finally, a nine-phase FSPM motor was prototyped for verification. Both simulations and experimental results are presented, verifying the proposed fault-tolerant control strategy. KEY WORDS: flux-switching permanent magnet (FSPM); permanent magnet machine; fault-tolerant; open-circuit; harmonic current; copper loss 摘要：对矢量控制九相定子 36 槽/转子 34 极磁通切换永磁 (flux-switching permanent magnet，FSPM)电机驱动系统中一 相断路故障工况进行研究。 单相故障时， 根据转矩电流分量 不变及定子铜耗方程， 提出了 3 种谐波电流注入模式下无扰 运行的容错控制策略，即在容错运行时分别注入 3 次，3、5 次以及 3、5、7 次谐波电流，进而获得铜耗最小优化目标的 容错电流通用在线生成方法。 仿真分析和原理样机容错实验 结果， 证明了所提方案可以减小定子绕组断路故障引起的转
三次谐波注入原理
COMMON
Half-h bridge (one of three)
2005,11,11 Beijing
Email: @
三相逆变器
VBus
PWM1 PWM3
PWM5
PWM2
PWM4
PWM6
2005,11,11 Beijing
Three-phase PWM waveforms and harmonic spectrum.
n s n0 0 sm Temax Te
0
1
Temax
Te
2005,11,11 Beijing
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n
n0 N n 01
ω1 N
ω 1 N > ω 11 > ω 12 > ω 13
ω 11
n02 n03
ω 12
ω 13
补偿定子压 降后的特性
O 恒压频比控制时变频调速的机械特性
Email: @
风机变频调速节能基本原理
H
H2 B A
H1 1 风 压
风量改变后 风量改变后 电机功率 电机功率
0 0
Q2 风量 风量
Q1 Q1
Q Q
此时电机 此时电机 功率 功率
2005,11,11 Beijing
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风机变频调速节能基本原理
12 volts peak-to-peak
1/2 horse 3 phase motor PWM Frequency = 7.3 KHz Dead Time = 3 uS Output ω = 1.7 Hz.
2005,11,11 Beijing
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正弦脉宽调制技术SPWM
对称规则采样法
逆变器的工作原理和控制技术-全解
uCN
sin t 2400
设计
uUN'
uVN'
Ud 2
k
k sin
sint t 1200
Ud 2
uWN'
k sin t 2400
关键： uUN’、 uVN’、 uWN’
的幅值小于Ud/2
三次谐波注入法
uUN'
uVN'
uWN'
Ud 2
1.15sint 0.19sin 3t
负载相电压
uUN uUN' uNN'
uVN
uVN'
uNN'
uWN
uWN'
uNN
'
负载中点电压
uNN '
uUN'
uVN' 3
uWN'
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
开关动作与输出电压关系
电压基准点：
以电源中点N’为0电平基准点。
根据电路结构
➢ VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中 贮能向直流侧反馈；
➢ VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着 使负载电流连续的作用，又称续流二 极管。
u
a)
o
Um
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t4
t5 t6
t
ON V1 V 2 V1 V2
VD1 VD2 VD1 VD2 b)
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
叠加三次 谐波
ur3
t
无刷直流电机驱动控制的3 次谐波检测法
(E lectrica l Eng ineering Co llege, X i’an J iao tong U n iversity X i’an 710049, Ch ina) Abstract: T h is p ap er describes a novel sen so rless m ethod fo r ro to r flux po sition fo r b ru sh less p erm anen t m agnet m o to r op era ting over a w ide sp eed range, by detecting the th ird ha rm on ic signa l of back- em f. How to ob ta in the th ird ha rm on ic signa l and then to tran sfo rm it to the signa l of ro to r flux po sition is d iscu ssed in the p ap er. Effectiveness of th is m ethod is verified by the resu lts of the exp erim en t. Key words: b ru sh less p erm anen t m agnet m o to r; sen so rless; the th ird ha rm on ic sen sing schem e
逆变器的工作原理和控制技术-全解教材
负载中点电压
u NN ' uUN' uVN' uWN' 3
uUN uUN' uUN' uVN' uWN' 1 u u u u u VN VN' 3 UN' VN' WN' uWN uWN' uUN' uVN' uWN'
V1
O t t t t io t 1 t2 t3 uo t
V2
O
V3
O
V4
O
u0
i0 O
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
推挽电路工作原理
交替驱动两个IGBT，经变压器耦合 给负载加上矩形波交流电压； 两个二极管的作用也是提供无功能 量的反馈通道； 变压器匝比为 1:1 时， uo 和 io 波形及 幅值与全桥逆变电路完全相同。
同一桥臂的两个开关管不能 同时导通； 改变开关切换周期，可改变 输出交流电频率； 电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同； 阻感负载时，io相位滞后于 uo， 波形也不同。
uo io t1 t2
a)
t b)
4.1 逆变电路的基本原理
逆变电路的分类 电压型逆变电路——又称为电压源
与半桥和全桥电路的比较：
比全桥电路少用一半开关器件；
比半桥电路电压利用率高；
器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍；
4.3 单相逆变器控制技术
等效电路
L
电力变换中控制技 术的作用？
三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制
三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制-CAL-FENGHAL-(YICAI)-Company One 1三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制在传统的三相全桥逆变爲的娠础上埔加•个桥VF 构成的-M 桥轉逆变器町以产生三个砂 立的输出电压。
通过所熠加的第四桥苗产生一个自山度來控制屮件亢电用•可以便逆变JIH 具仃W 不平衡负载的能丿几木改对采用正咳脉宽调制技术OPWM)的三相半桥逆变器和-相四桥轉 逆变器进行了分析比较•重点分析了正弛波调制和三次淸波注入的PVIM 控制的三楣四桥關逆 变盎工作原理•并进行了仿宜比较。
21三相半桥逆变器的工作原理分析2L1三相半桥逆变器输出纹波分析半逆变器的开关频率远犬丁•输出频申时.逆变器输山电尺上喪包含调制频率及典済波、开 关频率及其谐液的边频帶I M Q 心SPWM 逆变器屮TT 咲频率远人丁输山频率.因此打次済波群远离基波-经过滤液JB 谐液須到了抑制.逆变器输出璀木上只剩卜・^5波电压°木节利用平均侑 模羽何•将输出电rR/i ：->b 开关周期内的平均值近似为输出电爪堪波分蛍的瞬时値來分析电感 电流和输出电压上的纹泼S用2丄所示为-棚半桥逆变器主电路图「询半桥逆变器毎相的工作方成勺单相半桥祁同. Jfl —+11的电路結构图如国2.2所示，化一个开关周期内订; |.0<f<d(f)7：JF一卒开关周期内输出电压的平均値为:□ 〉-护JL 中• d(b = yP +»JsinSE] • m 为调制比•取 MJ = 1 •则输Hl 电JE 为:c-乙J3■£' s阳2・2甲柑半桥逆变器V,G 心心=n 0 □圏2丄三相丫桥逆变湍主电路 QB图2 3输出电压U,⑦和电感电流g ⑦变化曲线图23示出了输出电压纯(F)和电感电流纹波山丄①的变化曲线•町以frill.输出电爪过零 处电感I:的电流纹波址大.址大电感电流纹波为：B 叽=AfL输出滤溅电容充电的平均电流为:A «-<=T电容在T /2时何间隔内充电M 】・所以输出电爪纹波为：3 (f)«生 L “ C 2 P1L2三相半桥逆变器输入电容电压纹波分析逆变器的间级为DC/DC 变换器时.逆变器的输入端电容的的电流可认为是•氏流Sb逆变器的输入电容承担功率解IS 的功能何，在三相半桥逆变器中・输入电容还具仃抑制中虑电 位偏移的作用。
基于QPR调节器谐波补偿的并网逆变器控制研究
兰州交通大学学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０２０
文章编号：１００１?４３７３（２０２０）０３?００６７?０８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１?４３７３．２０２０．０３．０１１
基于 ＱＰＲ调节器谐波补偿的并网逆变器控制研究
ห้องสมุดไป่ตู้
刘宇翔１，滕青芳１，２
（１．兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 ７３００７０；２．甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室，兰州 ７３００７０）
摘要：为改善微电网系统中的输出电能质量，针对并网逆变器输出电流中存在的谐波问题，设计了一种附加谐波补 偿器的 ＱＰＲ控制器．首先，建立三相并网逆变器系统的数学模型；然后针对 ＱＰＲ控制方法无法消除逆变器输出电 流中谐波的问题，构造了 ＱＰＲ调节器与谐波补偿器并联的电流控制器，以实现对逆变器输出电流中谐波的抑制；最 后建立基于 ＱＰＲ调节器谐波补偿的并网逆变器仿真模型．仿真结果表明，所构建的电流控制器系统具有谐波补偿 能力，采用该控制策略的并网逆变器系统具有高质量的输出电流和较小的功率及频率波动． 关键词：微电网；并网逆变器；谐波补偿；ＱＰＲ调节器；电流控制器 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标志码：Ａ
６８
兰州交通大学学报
第 ３９卷
并网逆变器中谐波的存在会使输出电流产生畸 变［２］，给控制器的设计造成困难．文献［３］提出一种基 于自适应比例谐振（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＰＲ）调节器 的控制策略，其锁相环节对输出电流的相位具有锁相 能力，同时降低了系统注入电网的谐波含量，但锁相系 统的设计复杂，造成系统响应时间过长；文献［４］电流 控制器采用准比例谐振（ｑｕａｓｉｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｒｅｓｏｎａｎｃｅ， ＱＰＲ）与谐波补偿器并联的控制方法，提出三电平光伏 并网逆变器控制策略，在电网不平衡条件下可有效抑 制逆变器输出电流中的谐波含量，克服了传统 ＰＲ控制 器的不足，但是未与无谐波补偿器的方法进行比较；文 献［５］提出自适应前馈补偿谐波的方法，在电压电流双 环 ＰＩ控制的基础上，增加含动态增益的补偿环节，对 ＰＷＭ调制波进行重构，但忽略了直流侧波动造成的影 响；文献［６］提出一种基于电流环预测控制的选择性谐 波补偿方法，加入校正因子实现消除预测误差，达到对 低次谐波选择性补偿的目的；文献［７?８］采用神经网络 方法对控制器进行优化，该方法针对低次特征谐波进 行补偿，改善了并网电流波形的质量，但补偿精度依赖 于补偿增益的精确整定，因此存在补偿精度不高的缺 陷；文献［９］提出电压外环采用重复与 ＰＲ复合的控制 算法，重复控制消除电压谐波分量以改善输出电压波 形的质量，ＰＲ调节器以保证对基频给定电压信号的精 确跟踪，且在负载变化和负载非线性条件下有良好的 响应；文献［１０］提出一种带有选择性谐波补偿器的 ＰＲ 电流控制方法，谐波补偿器能有效降低电网电流中的 谐波，但未将谐波补偿方法用于负荷变化过程．
基于LCL滤波器的三相并网逆变器的研究
基于LCL滤波器的三相并网逆变器的研究一、本文概述随着可再生能源的广泛应用和电力电子技术的快速发展，三相并网逆变器在分布式发电、微电网以及电能质量控制等领域中发挥着越来越重要的作用。
并网逆变器的主要功能是将直流电能转换为与电网电压同步的三相交流电能，并稳定、可靠地并入电网。
在这一过程中，滤波器的设计对于保证电能质量、抑制谐波干扰以及提高系统稳定性具有关键性的作用。
LCL滤波器作为一种常用的并网逆变器滤波器，其独特的结构和性能优势使得它在三相并网逆变器中得到了广泛应用。
LCL滤波器能够在高频段提供更大的阻抗，从而更有效地抑制谐波和电磁干扰，提高电能质量。
同时，LCL滤波器的设计灵活性较高，可以通过调整滤波器的参数来优化系统的性能。
因此，研究基于LCL滤波器的三相并网逆变器具有重要的理论意义和实践价值。
本文旨在深入研究基于LCL滤波器的三相并网逆变器的设计、控制策略及优化方法。
将对LCL滤波器的基本原理和特性进行详细的分析和讨论，为后续的研究奠定基础。
然后，本文将研究三相并网逆变器的数学模型和控制策略，分析其在不同运行条件下的动态性能和稳定性。
在此基础上，本文将探讨LCL滤波器参数优化方法，以提高并网逆变器的电能质量和系统稳定性。
本文将通过实验验证所提方法的有效性和可行性，为实际工程应用提供指导和借鉴。
通过本文的研究，期望能够为三相并网逆变器的设计和优化提供新的思路和方法，推动可再生能源和电力电子技术的发展和应用。
二、LCL滤波器基本原理LCL滤波器是一种广泛应用于三相并网逆变器中的无源滤波器，其主要功能是在逆变器与电网之间提供一个阻抗匹配，减少谐波污染，并改善系统的动态响应。
LCL滤波器的名称来源于其结构特点，即由电感（L）、电容（C）和另一个电感（L）串联而成。
谐波抑制：由于电容C的存在，LCL滤波器在特定频率下具有低阻抗特性，可以有效滤除逆变器产生的高频谐波，减少谐波对电网的污染。
阻抗匹配：LCL滤波器的电感L和电容C的组合可以调整滤波器的阻抗特性，使之与逆变器和电网的阻抗相匹配，减少因阻抗不匹配引起的反射波和谐波振荡。
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基于三次谐波注入法的逆变器控制设计
作者：曹钰
来源：《电子技术与软件工程》2016年第15期
摘要本论文为了提高三相逆变器的直流电压利用率，采用了用三次谐波注入的逆变器，其次本论文对基于三次谐波注入法的逆变器进行了系统建模，设计了输入输出电压电流的采样调理电路，以及精密整流电路，双T滤波电路和峰值保持电路等等。
最后根据样机的性能要求对逆变器主功率电路、控制电路、驱动电路、保护电路进行了详细的设计。
针对输入电压：250-280Vdc；输出功率为6kVA/400Hz；输出电压为三相115V/400Hz；电源参数指标符合GJB181A；并对三相逆变器进行了仿真和实验验证。
【关键词】航空静止变流器三相逆变器三次谐波注入保护电路控制电路
1 三次谐波注入法逆变电源控制方案
在采取常规的SPWM调制时，相电压的峰值可以达到直流母线电压的一半，即ud ⁄2，其输出线电压的峰值为ud ⁄2，所以说SPWM 的直流电压利用率仅有86.6%。
提高电压利用率的基本做法就是通过各种变换方式，使相电压的基波峰值超过ud ⁄2。
如果能够利用现有的直流电压，通过调制波变换的方法得到更高的输出电流电压，则可大大提高系统稳定输出的能力，于是，就有了优化PWM方法-三次谐波注入法。
一般情况下，利用三次谐波注入法，可使直流电源电压的利用率提高到1.2左右。
1.1 三次谐波注入法的原理
采用三次谐波注入法后，其三个桥臂的调制波表达式分别为：
式中，m为调制比，k为三次谐波系数，且0.15≤k≤0.2，在实际应用中，为了兼顾其对输出电压谐波和直流电压利用率的影响，通常取k为0.18。
1.2 逆变器控制保护原理
本文中对逆变器的控制保护部分进行了详细设计并提出了控制保护电路功能及方案，此外还研究了几种常用电压电流的采样方法，用到了霍尔传感器中的LA—55P和LV—28P，它们分别负责电压和电流的采样。
然后通过调理电路和逻辑电路，来控制逆变器六个开关管的通断。
2 调理电路设计
2.1 电流采样调理电路设计
电流量的采样方法有串联取样电阻法、电流互感器法、霍尔传感器法。
串联取样电阻法通过检测取样电阻上的电压值来检测通过电阻的电流，主要缺点是功率损耗大，电阻串接在主回路，电气隔离困难，需要外加光隔离器或磁隔离器。
电流传感器具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和测量电路无损耗等优点。
本文选用LEM公司生产的LA100P型电流传感器，根据LA100P的数据手册，电路将交流额定电流衰减100倍后，变为幅值在-1.5V～+1.5V范围内变化的交流信号，再经过由AD712构成的加法电路提升1.5V，最终调理为0～3V的电压信号送入DSP进行采样。
2.2 电压采样调理电路
输出电压采样调理电路主要包括电压传感器LV-28P、精密整流电路、半波整流电路和双T滤波电路几部分组成。
逆变器三相输出相电压分别经电压传感器LV-28P隔离，输出正弦电压信号，采用精密整流电路将其整流为馒头波，三个馒头波经过二极管获得6脉波直流信号，再经过双T滤波器得到整流后的平均电压，送给DSP的AD口进行采样。
2.3 峰值保持电路
峰值保持电路是一种能跟随输入信号变化并能将最大值记忆下来的电路。
在工业过程自动检测中往往需要将某些物理量如温度、压力等最大值保留下来，以供记录、分析用。
其原理是：当输入信号为正半周时二极管导通对电容充电，一直充电到峰值即最大值，当输入电压下降时二极管截止，电容不放电，保持电压（峰值电压），这样电容两端电压一直处于峰值。
以便DSP对其进行检测。
3 系统仿真
图1即为在模拟任意一种情况如输入输出过、欠压或输入输出过流后逆变器单相电压的输出波形，在波形中可以看出在10ms时逻辑输出为低电平再通过与门控制逆变器六个开关管关断，所以逆变器任意一相输出电压立刻变为零。
4 结语
研究了三次谐波注入逆变器工作原理，并且对逆变器的控制保护部分进行了详细设计并提出了控制保护电路功能及方案此外，研究了几种常用电压电流的采样方法，用到了霍尔传感器中的LA—55P和LV—28P，并介绍了一些常用电路例如精密整流电路，峰值保持电路，双T 滤波电路。
并详细的介绍了这些电路的原理及计算方法。
在合理利用了上述这些电路的基础上实现了输入输出的过、欠电压的检测以及输入输出的过流检测。
并通过逻辑电路，来控制逆变器六个开关管的通断，实现了基于三次谐波注入法逆变器保护的功能。
并且通过一些列仿真，及模拟的过压欠压电压源及电流源验证了该控制方案的可行性。
参考文献
[1]沈颂华，航空航天供电系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[2]谢峰，关振宏，吴桢生，等.基于三次谐波注入的级联多电平逆变器[J].电力电子，2008（06）：17-19.
[3]官二勇，宋平岗，叶满园.基于三次谐波注入法的三相四桥臂逆变电源[J].电工技术学报，2005，20（12）：43-46
[4]吴睿.基于空间矢量控制的三相四桥臂逆变电源研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.
作者简介
曹钰，男，西北工业大学自动化学院硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
作者单位
西北工业大学自动化学院陕西省西安市 710129。