CN1053530C - 处理pwm(脉冲宽度调制)波形的方法以及应用本方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于处理至少包括一对开关的电压逆变器或电压控制整流器的脉冲宽度调制波形的方法，所述逆变器或整流器由一个调制器和一个鉴别器控制。根据本方法，两组按照负载或电源电流的方向而修正的置位波形被施加于鉴别器。用于输出电流的经过修正的置位信号具有一个高电平，在从高电平跳转到低电平时，该高电平状态得到一个延时。用于输入电流的经过修正的置位信号具有一个低电平，在从低电平跳转到高电平时，该低电平状态得到一个延时。高电平被定义为连接于最正负载的开关闭合而连接于最负负载的开关断开，低电平的定义则与此相反。

Description

处理PWM(脉冲宽度调制)波形的方法以及应用本方法的装置

本发明涉及一种处理用于逆变器或可控整流器的PWM(脉冲宽度调制)波形的方法，并且其特别目的在于减少谐波。

本发明还涉及到实现根据本发明的方法的装置。

逆变器，更确切地说，电压逆变器，被用来由直流电压获取交流电压，而可控整流器则被用来由交流电压获取直流电压。

在以下描述中，将主要介绍逆变器，但对于可控整流器来说，也会产生同样问题。

举例来说，逆变器可被用于同步或异步电机的变速控制。

在这种情况下，需要给负载，更确切地说是给同步或异步电机的每一相，提供一种幅度和频率可变的尽可能接近于均衡正弦三相系统的三相电压系统。

电压逆变器是常见的装置，通常使用诸如半导体开关元件、GTO(可关断晶闸管)等功率元件构成的电路，它可以实现相当快的转换。

逆变器由一个调制器和一个鉴别器控制。调制器的作用为产生一组置位波形，而鉴别器则将此波形分解为一系列的波形，用以分别控制各个开关。

最简单的逆变器具有两个电平，由两个开关(半导体开关元件、GTO等)组成，两个开关交替向负载供电，由于负载是感性的，所以需要一个被称为“续流二极管”的二极管与开关并联，从而使得负载电流在相应开关断开时可以继续流通。

通常使用简单方波作为置位波形，使得在该脉冲的两个边沿能够进行开关转换。此方波应能够不断地闭合某一开关并同时断开另一开关。

显然，为了避免电源短路，必须保证两个开关不会同时闭合。鉴别器就是在这里得到应用的，其目的是在闭合相应开关时引入一个延时，从而总是可以保证当闭合某一开关的指令下达时，另一开关已经断开。

这就意味着在断开某一开关和闭合另一开关的两个时刻中间存在一个小的延时，此延时被称为“死区时间”。这样，断开某一开关和闭合另一开关这两个操作就决不会同时发生。

这就造成了不希望有的谐波的出现，尤其是出现在电机电流中的5次和7次谐波，从而在供电一方和驱动力矩一方产生了6次谐波。

实际上，6次谐波是危害最大的，因为如果电机的电源频率为用于信号系统的频率的1/6，就有产生干扰的危险。举例来说，用81/3Hz供电的电机可能对使用50Hz的信号系统造成干扰。

另一个问题在于：各个开关不能在瞬间由零电压(电流流通，对应于开关闭合)切换到正电压(电流断开，对应于开关闭合)，反之亦然。这就意味着在一段时间内，非零电压和非零电流同时存在，因而每当开关切换发生时，就会观察到功率损耗。

当各部件不能承受这种功率损耗时，为了解决这一问题，通常使用一种开关辅助单元。例如，这种单元可能只是简单地包括一个主要由并联在每一开关上的电容组成的缓冲器。此缓冲器的目的是通过在开关切换时限制电压，更确切地说是通过限制电压的增长，来吸收功率损耗。另一个经常与缓冲器结合使用的单元的例子是所谓的“di/dt”单元，这种单元主要由与开关串联的电感组成。因为有了各种开关辅助单元，才能得到电压的较缓慢的增长，从而使得限制在开关切换时产生的功率损耗成为可能。

无论逆变器有无开关辅助单元，存在谐波的问题基本上是一样的。尤其是，在使用带有缓冲器的逆变器的情况下，仍可在电机一方观察到5次和7次谐波，并且在供电一方和驱动力矩一方可观察到6次谐波。

应该注意的是，对于可控整流器也产生同样问题，只不过在这种情况下负载应被视为电源，而电源应被视为负载。

中国专利申请1035743A，欧洲专利申请0458055A2和英国专利申请2238188A都没有提出本发明所提出的减少不希望有的谐波所带来的影响的方法。

本发明的目的在于提供一种能够减少或消除逆变器或可控整流器中死区时间所带来的影响的方法，从而使得减少不希望有的谐波所带来的影响成为可能。

本发明的目的特别在于提供一种可应用于有或无开关辅助单元的逆变器或可控整流器的方法，并且不管此逆变器或可控整流器具有两种电平还是多种电平。

特别是，本发明的目的在于：在用三相逆变器向同步或异步电机供电的情况下，提供一种可能减少出现在电机电流中的不希望有的谐波(如5次和7次谐波)的方法，从而减少出现在供电一方和驱动力矩一方的6次谐波。

本发明涉及一种至少包含一对开关的用于电压逆变器或电压可控整流器的PWM(脉宽调制〕波形处理的方法，此逆变器或整流器由一个调制器和一个鉴别器控制，其特征在于：两个根据负载或电源电流流向进行修正后的信号被施加在鉴别器上。为输出电流而修正的信号通过对由高态向低态的转换施加一个延时而使高态得到完善；为输入电流而修正的信号通过对由低态向高态的转换施加一个延时而使低态得到完善。高态定义为连接最正负载的开关闭合而连接最负负载的开关断开，低态定义与之相反。

在逆变器或整流器没有开关辅助单元的情况下，修正后的信号引入的延时对应于由鉴别器产生的死区时间。

在使用有开关辅助单元的逆变器或整流器的情况下，在修正后的信号中引入的延时就不仅取决于电流的流向，而且取决于电流的值。

应该注意的是，本方法可以同样地应用于具有两种电平或多种电平的逆变器或整流器。

本发明还涉及到一种实现本方法的装置。

通过参考以下附图，本发明将得到更详尽的描述。

图1给出了常规二电平逆变器的一个支路的概要图解。

图2给出由调制器产生的用于图1所示的逆变器的波形(图2a)，

以及在鉴别器输出端获得的用于直接控制各个开关的波形(图2b和图2c)，以及在本例中施加于电机的相应的电压(图2d，图2e)。

图3给出用于实现根据本发明的方法的装置的框图。

图4给出对于一给定波形(图4a)修正后的施加于图1所示的二电平逆变器的波形(图4b和图4c)，其目的在于实现根据本发明的方法。并且给出了在本例中施加给电机的输出电压(图4d和图4e)。

图5给出带有缓冲器的常规二电平逆变器的一个支路的概要图解。

图6给出由调制器产生的，用于控制图5所示逆变器的波形(图6a)，以及在本例中对应于低或高输入电流施加于电机的诸输出电压(图6b和图6c〕；以及在本例中对应于低或高输出电流施加于电机的诸输出电压(图6d和图6e〕，图6f和图6g显示了图6b和图6c的细节。

图7给出电机电流的一般波形，一种是没有使用根据本发明的方法(图7a)，另一种是使用了本方法(图7b)。

图8给出电机一方的谐波，尤其是5次和7次谐波，以及电源一方的6次谐波。一种是没有使用根据本发明的方法(图8a和图8b)，另一种是使用了本方法(图8c和图8d)。

本节中的描述仅限于二电平逆变器。熟练的技术人员可以轻易地将本节所述推广到多电平逆变器以及二电平或多电平整流器。

图1给出了本发明所描述的常规二电平逆变器的一个支路的概要表示。此逆变器通常包含两个开关S1和S2，两个开关轮流向负载供电，例如，负载可能是一个异步电机的一相。在这种情况下，负载是感性的，所以需要在两个开关S1、S2上分别并联一个二极管，该二极管被称为“续流二极管”DR1和DR2，它们使得当相应开关断开时负载电流得以流通。两个二极管的存在确实使得感性负载电流得以减小，从而使得在相应开关断开时避免破坏性过压成为可能。

逆变器由一个调制器和一个鉴别器控制。

图2a给出了一个以连续脉冲形式出现的置位波形M。当达到高电平1时，意味着开关S1要闭合，而开关S2要断开。反之，当达到低电平2时，开关S2要闭合，而开关S1要断开。于是在每一上升沿或下降沿处，都需要立即切换开关S1使之闭合并且立即切换开关S2使之断开，反之亦然

当然，需要检查两个开关(S1和S2)以确保它们不会同时闭合，否则就会造成电源短路，为避免这种情况的发生，在给出置位信号之后，要经过一定的延时，某一开关才进入闭合状态。实际上，这个任务是由鉴别器来完成的。

图2b和图2c给出了由鉴别器修改后的，用于控制两个开关S1和S2的波形。由图可见，闭合某一开关以开通该支路的事件并不是立即发生的，而是在经过一段被称为“死区时间”的延时之后才发生，但是导致断路的断开开关的操作则可认为是立即发生的。

由图2b和图2c可见，两个开关绝不会同时闭合。与之相反，在某些情况下，两个开关S1和S2可能会被认为是同时断开的。

这样的结果是：在死区时间内，两个续流二极管DR1或DR2中至少有一个是导通的，这取决于电流的方向。特别是，当电流是输出电流时，下方的二极管DR2在死区时间内导通，这样就减少了输出电压处于高电平的时间(见曲线2d)；在相反情况下，当电流是输入电流时，上方的二极管DR1在死区时间内导通，这样就增加了输出电压处于高电平的时间(见曲线2e)。

然而应当注意的是，由于取决于电流流向，所以上述现象不是一成不变的。

如果假设诸开关立即响应置位信号M，也就是说假设在置位信号M与开关的响应之间不存在死区时间，就会发现5次和7次谐波电平与理论相符，而且不会对电机电流造成显著影响。

然而，由于在开关由断开切换向闭合时存在死区时间，就会在电机电流中发现5次和7次谐波的增加，以及在电源一方和驱动力矩一方6次谐波的增加。由于前述原因，这种谐波特别有害。

本发明的目的在于通过引入两个修正后的控制信号，提供一种解决该问题的方法。两个信号一个用于电流为输出电流的情况，另一个用于电流为输入电流的情况。

图3给出了通过使用根据本发明的方法来控制常规二电平逆变器的装置的框图。在此，鉴别器或者由为输出电流而修正的置位信号控制，或者由为输入电流而修正的置位信号控制。究竟使用两个修正后的信号中的哪一个是由负载中电流的流向决定的。

图4给出了理想置位波形M(图4a)，以及两个修正后的置位信号，一个用于输出电流(图4b)；另一个用于输入电流(图4c)。在用于输出电流的修正后的置位信号中可以看到，高电平1被增补了一个延时Tm，在本例中，Tm对应于下降沿处——即由高态1向低态2转换处——的死区时间，此转换在实际上对应于开关1的断开以及开关2的闭合。用于输入电流的修正后的置位信号将高电平1缩短了Tm时间，此Tm对应于每一上升沿——即由低态2向高态1转换处——的死区时间。

此外，图4d和4e给出了在使用修正后的置位信号的情况下的输出电压，两个信号或者用于输入电流，或者用于输出电流。可以看出，上述修正使得在两种情况下逆变器输出电压相同，并且在存在一个延时Tm的情况下与无死区时间时应该输出的电压相同。

图5给出了带有一个缓冲器的常规二电平逆变器的一条支路的概要图解。

此缓冲器实际上是一个开关辅助单元，它通过限制电压，更确切地说是限制电压的增长，使得吸收每次开关S1、S2转换时的功率损耗成为可能。

由图5可见，此单元包括一个与各开关并联的电容C1(或C2)，此电容本身与一电阻R1(或R2)以及另一个与续流二极管DR1(或DR2)反向连接的二极管D1(或D2)串联。

当开关S1(或S2)被断开时，上述装置可以将电流引向初始时未充电的相应的电容C1(或C2)。

当开关S1(或S2)被闭合时，相应的电容C1(或C2)通过它放电。在这种情况下，放电电流会由于与电容C1(或C2)串联的电阻R1(或R2)的存在而受到限制，这样就构成了一个RC回路。

通常，每次发生开关切换时，都可以观察到两个电容之一将要充电而另一个则开始通过与其相连的电阻放电。

这样就可以得到电压的较缓慢增长，从而限制开关切换时的功率损耗。

图6给出了置位波形M(图6a)以及在低输入电流情况下施加于电机的相应的电压(图6b)、在高输入电流情况下施加于电机的相应的电压(图6c)、在低输出电流情况下施加于电机的相应的电压(图6d)、在高输出电流情况下施加于电机的相应的电压(图6e)。

我们来更深入地分析输入电流在置位信号M低/高转换时的情况，即开关S1要闭合而开关S2要被断开时的情况(图6f和图6g)。

在这个设想的情况下，会发现初始的零输出电压不能瞬时地上升，这是因为首先需要利用电流为下方缓冲器的电容C2充电。

如果电流值较高，电压上升快并且输出电压迅速达到电源电压。在此情况下，上方的续流二极管DR1导通并允许电流流向电源(图6g)。

在电流值较低的情况下，施加于电机的输出电压在死区时间的末尾仍低于电源电压。这时，上方开关S1发生切换并且下方缓冲器的电容C2被突然充电(图6f)。

这就意味着可以观察到在施加于电机的电压中发生变形，变形取决于电流的方向以及电流的数值。

因此，在控制带有开关辅助单元的逆变器时，需要引入的修正后的置位信号不仅取决于电流的流向，而且取决于电流的强度。

特别地，根据电流是输入或是输出，修正后的置位信号应使电平1被增补或缩短一个时间值，此值对应于一个被称为“有效时间”的时间值，此处的“有效时间”考虑了电流的数值。

实际上，对某一电流值I_T来说，对缓冲器的充电时间等于死区时间，即

                   I_T＝CXU₀/T_dead

对于I＞I_T，死区时间的有效值等于延时Teff：

                   T_eff＝T_dead(1-I_T/2|I|)

对于I＜I_T，死区时间的有效值等于延时Teff：

                   T_eff＝T_dead(|I|/2I_T)

这样，在开关切换到闭合时的死区时间的实际影响就得到了补偿，从而电源一方的6次谐波电平得以减小。

应该注意的是，在某些情况下，更确切地说在电流较小的情况下，并且不考虑电流方向，可能会设想不使用修正后的置位信号，这是因为在低电流的情况下，这些修正的影响相对而言是相当有限的。

此外，图7给出了电机电流的一般波形，一种是在无缓冲器的逆变器中没有使用根据本发明的方法的情况(图7a)；另一种是在无缓冲器的逆变器中使用了根据本发明的方法的情况(图7b)。

可以看到，通过应用根据本发明的方法，消除了在不使用修正后的置位信号情况下由于死区时间造成的畸变。

图8给出了电机一方的5次和7次谐波以及电源一方的6次谐波。一种是没有使用根据本发明的方法的情况(图8a和图8b)，另一种是使用了根据本发明的方法的情况(图8c和图8d)。

再次可以看出，由于开关切换发生时存在死区时间而产生的电机中的5次和7次谐波被大大减小了，而在电源一方观察到的6次谐波被降低到了可以忽略的程度。

对于具有缓冲器的逆变器，可以获得完全一样的性能。

Claims (5)

1、用于处理电压逆变器或电压控制整流器的PWM波形的方法，此逆变器或整流器至少包含一条具有至少一对串联开关的支路，此逆变器或整流器由至少一个具有一系列高态和低态的波形控制，此波形在调制器的辅助下获得，高态被定义为连接最正电压的开关闭合而连接最负电压的开关断开，低态定义与之相反，其特征在于：在一鉴别器的辅助下，两个根据离开或进入支路的电流流向而修正的置位信号得到使用，为输出电流而修正的置位信号通过对由高态向低态的转换施加一个延时而使高态得到延伸；为输入电流而修正的置位信号通过对由低态向高态的转换施加一个延时而使低态得到延伸。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于：引入修正后的置位信号中的延时基本上对应于在闭合开关的操作中由鉴别器引入的死区时间，此处所用的逆变器或整流器没有开关辅助单元。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于：引入修正后的置位信号中的延时不仅取决于电流的流向，而且取决于电流的数值，此处所用的逆变器或整流器带有开关辅助单元。

4、用于实现根据上述任何权利要求之一的方法的装置，其特征在于：包含一调制器，此调制器在一置位波形的基础上产生两个按照输入电流和输出电流的函数而被修正的置位信号，并且这两个信号将被施加于该鉴别器。

5、在有或无开关辅助单元、具有二电平或多电平的逆变器或电压控制整流器中，对根据权利要求1到3中任何一项的方法或根据权利要求4的装置的使用。

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