适用于三相异步电机的六半桥电压型逆变器及控制方法

摘要

本发明涉及三相异步电机变频调速技术，旨在提供一种适用于三相异步电机的六半桥电压型逆变器及控制方法。该逆变器包括直流母线及并联的半桥，直流母线之间跨接直流电源或电容，并且直流母线之间并联六个半桥；每个半桥由两个全控型电力电子开关串联而成，各开关反并联一个续流二极管；各半桥两个开关的连接点引出一个输出端子，六个输出端子共输出六路电压；将六个半桥分成三组，每组的两个输出端子电压差构成一相输出电压。本发明提出的六半桥电压型逆变器能够提供三相异步电机的输入功率范围与输入电压范围在同一直流母线条件下与传统三半桥变频器相比提高一倍，与传统两三半桥逆变器串联供电方式相比没有两个三半桥逆变器需协调工作的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及三相异步电机变频调速技术，尤其涉及一种能扩大三相异 步电机输入功率范围与输入电压范围的六半桥电压型逆变器。

背景技术

用于三相异步电机供电的传统三半桥电压型逆变器每个半桥各有一个 输出端子，三个输出端子输出幅值相等，相位互差2π/3电角度的三个 对称电压。三半桥逆变器采用的开关器件所承受的电压应力是直流母 线电压值E。当采用正弦脉宽调制（SPWM）时，三半桥逆变器能够输出 最大相电压基波幅值是E/2；当采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM） 时，它能够输出最大相电压基波幅值是。为提高三相异步电机的输出 功率，常采用高压输入。由于当前电力电子器件承受的电压能力有限 ，逆变器直流侧电压值至少不能超过器件所能承受的最大电压。为了 弥补开关器件耐压能力的限制，传统方法是通过两个三半桥电压型逆 变器串联给三相异步电机供电。两个三半桥逆变器输出的对称三相电 压相位互差π电角度。从这两个三半桥逆变器中取输出电压相位互差 π电角度的两个输出端子组成一组，两端子的电压差构成一路输出相 电压，由此得到用于三相异步电机供电的三相对称电压。通过两个三 半桥逆变器串联的供电方式，在采用相同耐压等级的功率器件的条件 下，显然能提供给三相异步电机的输入电压范围与输入功率范围扩大 一倍。

但是，采用两个三半桥逆变器串联的供电方式的缺点是可靠性差，两 个逆变器需要协调工作，两者输出的对称三相电压相位必须严格互差 π电角度，一旦某个逆变器不能正常工作，直接导致异步电机不能正 常工作。另外，两串联逆变器需做到输出功率均衡，这使得控制策略 更加复杂化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服传统两三半桥逆变器串联供电方式 的不足，提供一种能扩大三相异步电机输入功率范围与输出电压范围 的高可靠性六半桥电压型逆变器。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种适用于三相异步电机的六半桥电压型逆变器，包括直流母线 及并联的半桥；所述直流母线之间跨接直流电源或电容，并且直流母 线之间并联六个半桥；每个半 桥由两个全控型电力电子开关串联而成，各开关反并联一个续流二极 管；各半桥两个开关的连接点引出一个输出端子，六个输出端子共输 出六路电压；将六个半桥分成三组，每组的两个输出端子电压差构成 一相输出电压。

本发明中，该逆变器的直流母线上仅有一个直流电源或电容。

进一步地，本发明提供了一种基于前述逆变器的控制方法，包括：对 于该逆变器采用SPWM调制，能够输出相电压最大基波幅值是直流母线 电压值；逆变器六个半桥分成的三组，每一组两个半桥与直流母线一 起构成一个单相全桥逆变器，输出一路相电压；每组半桥均单独控制 ，作单极性或双极性SPWM调制；三组半桥的正弦参考调制电压幅值与 频率彼此相同，相位互差2π/3电角度。

进一步地，本发明提供了一种基于前述逆变器的控制方法，包括：对 于该逆变器采用SVPWM调制，能够输出相电压最大基波幅值是直流母线 电压值的倍；在一个周期（2π电角度）内划分6个正弦参考电压，相 位依次相差π/3电角度，幅值与频率彼此相等；每个正弦参考电压各 作为六桥臂中某一桥臂的参考电压，并且满足同一组桥臂的两个参考 电压相位互差π电角度；从逆变器六半桥分成的三组中各取一个半桥 ，得到参考电压相位互差2π/3电角度的三个半桥，对这三个半桥作S VPWM调制，同时对其余三个半桥也作SVPWM调制，从而获得六半桥逆变 器三相输出电压。

进一步地，本发明提供了一种基于前述逆变器的控制方法，包括：对 异步电机定子三相绕组中点不短接，每相定子绕组各有两个供电端子 引出，异步电机共有6个供电端子；逆变器六半桥分成的三组半桥中每 组的2个输出端子构成一相输出电压，分别接于异步电机定子一相绕组 的两端。

本发明的有益效果是：提出的六半桥电压型逆变器能够提供三相异步 电机的输入功率范围与输入电压范围在同一直流母线条件下与传统三 半桥变频器相比提高一倍，与传统两三半桥逆变器串联供电方式相比 没有两个三半桥逆变器需协调工作的问题。

附图说明

图1 六半桥电压型逆变器主电路图；

图2 异步电机定子三相绕组中点不短接供电示意图。

具体实施方式

本发明中，在六半桥电压型逆变器的直流母线之间跨接直流电源或电 容，并且母线之间并联六个半桥，每个半桥由两个全控型电力电子开 关串联而成，各全控型开关器件反并联一个续流二极管，各桥臂两开 关器件的连接点构成一个输出端子，六个输出端子共输出六路电压。 将六个半桥分成三组，每组的两个输出端子电压差构成一相输出电压 。

六半桥逆变器可以采用SPWM调制，能够输出相电压最大基波幅值是直 流母线电压值。逆变器六半桥分成的三组，每一组的两个半桥与直流 母线一起构成一个单相全桥逆变器，输出一路相电压。每组半桥可以 单独控制，作单极性或双极性SPWM调制，其特点是三组半桥的正弦参 考调制电压幅值与频率彼此相同，相位互差2π/3电角度。

六半桥逆变器可以采用SVPWM调制，能够输出相电压最大基波幅值是直 流母线电压值的倍。在一个周期（2π电角度）内划分6个正弦参考电 压，相位依次相差π/3电角度，幅值与频率彼此相等。每个正弦参考 电压各作为六桥臂中某一桥臂的参考电压，并且满足同一组桥臂的两 个参考电压相位互差π电角度。从逆变器六半桥分成的三组中各取一 个半桥，得到参考电压相位互差2π/3电角度的三个半桥，对这三个半 桥作SVPWM调制，同时对其余三个半桥也作SVPWM调制，从而获得六半 桥逆变器三相输出电压。

六半桥电压型逆变器与三相绕组中点不短接的三相异步电机相匹配， 异步电机每相定子绕组各有两个供电端子引出，因而异步电机共有6个 供电端子，逆变器六半桥分成的三组半桥中每组的2个输出端子构成一 相输出电压，分别接于异步电机定子一相绕组的两端。

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为用于三相异步电机的六半桥电压型逆变器主电路图，直流母 线P与直流母线Q之间跨接一电压值为E的直流电源或电容，图中采用了 直流电源，母线P、Q间并联6个半桥。桥B1由反并联续流二极管的全控 型电力电子开关S1、S2串联而成，开关管S1与S2的连接点构成一个输 出端子A₁，输出端子A₁输出电压u_A1。桥B2由反并联续流二极管的全控 型电力电子开关S3、S4串联而成，开关管S3与S4的连接点构成一个输 出端子A₂，输出端子A₂输出电压u_A2。桥B3由反并联续流二极管的全控 型电力电子开关S5、S6串联而成，开关管S5与S6的连接点构成一个输 出端子B₁，输出端子B₁输出电压u_B1。桥B4由反并联续流二极管的全控 型电力电子开关S7、S8串联而成，开关管S7与S8的连接点构成一个输 出端子B₂，输出端子B₂输出电压u_B2。桥B5由反并联续流二极管的全控 型电力电子开关S9、S10串联而成，开关管S9与S10的连接点构成一个 输出端子C₁，输出端子C₁输出电压u_C1。桥B6由反并联续流二极管的全 控型电力电子开关S11、S12串联而成，开关管S11与S12的连接点构成 一个输出端子C₂，输出端子C₂输出电压u_C2。将六个半桥分成三组，桥 B1与桥B2为一组，输出端子A₁与输出端子A₂的电压差u_A构成A相输出电 压，桥B3与桥B4为一组，输出端子B₁与输出端子B₂的电压差u_B构成B相 输出电压，桥B5与桥B6为一组，输出端子C₁与输出端子C₂的电压差u_C构成C相输出电压。

六半桥逆变器可以采用SPWM调制，能够输出相电压最大基波幅值是直 流母线电压值E。逆变器六半桥分成的三组，每一组的两个半桥与直流 母线一起构成一个单相全桥逆变器，输出一路相电压。每组半桥可以 单独控制，作单极性或双极性SPWM调制，其特点是三组半桥输出电压 u_A，u_B，u_C的正弦参考调制电压幅值与频率彼此相同，相位依次互差 2π/3电角度。

六半桥逆变器可以采用SVPWM调制，能够输出相电压最大基波幅值是直 流母线电压值E的倍。在一个周期（2π电角度）内划分6个正弦参考 电压，相位依次相差π/3电角度，幅值与频率彼此相等。每个正弦参 考电压各作为六桥臂中某一桥臂输出电压的参考电压，u_A1的参考电压 为u_A1r，u_A2的参考电压为u_A2r，u_B1的参考电压为u_B1r，u_B2的参考电压为u_B2r， u_C1的参考电压为u_C1r，u_C2的参考电压为u_C2r，u_A1r、u_B1r、u_C1r相位互差2π/3电 角度，u_A2r、u_B2r、u_C2r相位互差2π/3电角度，u_A1r与u_A2r相位互差π电角度， u_B1r与u_B2r相位互差π电角度，u_C1r与u_C2r相位互差π电角度，对桥B1、桥B3 、桥B5作三半桥SVPWM调制，同时对桥B2、桥B4、桥B6作三半桥SVPWM 调制，从而获得六半桥逆变器三相的输出电压u_A、u_B、u_C。

图2所示为异步电机定子三相绕组中点不短接供电示意图，每相定子绕 组各有两个供电端子引出，异步电机共有6个供电端子，其中A相绕组 的两个供电端子为a₁与a_x，B相绕组的两个供电端子为b₁与b_x，C相绕 组的两个供电端子为c₁与c_x。逆变器六半桥分成的三组半桥中每组的 2个输出端子的电压差构成一相输出电压，分别接于异步电机定子一相 绕组的两端。对于A相，A₁与a₁相连，A₂与a_x相连；对于B相，B₁与b₁相连，B₂与b_x相连；对于C相，C₁与c₁相连，C₂与c_x相连。