一种功率因数自适应的不连续脉宽调制算法

1.本发明涉及三相桥式逆变器的应用领域，尤其是涉及一种功率因数自适应的不连续脉宽 调制算法。


背景技术：

2.三相逆变器的功能是将直流电转换为三相交流电，作为在工业领域中广泛应用的一种电 能变换装置，特别是在电机驱动领域、发电机并网领域、不间断电源、有源无功补偿等领域 有广泛应用。三相逆变器的重要性能指标主要有直流电压利用率、共模电压、总谐波畸变率 和开关损耗等，改善这些性能指标的主要方法是优化设计脉冲宽度调制算法，如空间矢量调 制、三次谐波正弦脉宽调制、最大最小平均值调制和不连续脉宽调制等。
3.不连续脉宽调制(简称：dpwm)算法可以降低三相逆变器的开关损耗，提高逆变器系统 的效率，且不用改变电路拓扑图结构，常用的dpwm包括不连续脉宽调制最大型(dpwmmax)、 不连续脉宽调制最小型(dpwmmin)和不连续脉宽调制0型～不连续脉宽调制3型 (dpwm0～dpwm3)，其中，dpwmmax和dpwmmin采用的是一相的调制电压波形有一段120
°
钳位 到正负直流母线，dpwm0、dpwm1、dpwm2为一相调制电压的60
°
钳位到正负直流母线、dpwm3 为一相调制电压的30
°
钳位到正负直流母线，其中dpwm2为常用阻感负载控制方式，采用的 是电压和电流相角互差固定滞后的30
°
的方式。现有dpwm存在如下不足：
4.(1)传统dpwm，采用功率因数角固定为30
°
的方式，每相调制波有60
°
母线电压钳位， 采用固定功率因数角的方式，不能使电流峰值一直在60
°
钳位区域的中心，因此开关损耗还 可以进一步降低；
5.(2)由于dpwm2将功率因数限制为30
°
之后，如果出现负载系统功率因数小于0.866 (cos30
°
)的情况，例如磁阻同步电机功率因数较低，其最高功率因数约0.77左右，最低 功率因数可能低于0.6，如果在负载变化，速度变化的场合，dpwm2是不能满足三相逆变器开 关损耗一直最小的条件的。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种能够拓展自适应功率因数角0至范围且使三相 逆变器开关损耗最小的功率因数自适应的不连续脉宽调制算法。
7.本发明所采用的技术方案是，一种功率因数自适应的不连续脉宽调制算法，包括：
8.步骤1.采集电容两端的电压u
dc
和三相逆变器中a相电流ia、驱动电机b相电流ib，c 相电流ic，根据获得电流值ia、ib、ic经过帕克变换和克拉克变换获得d轴电流分量id、q 轴电流分量iq、d轴电压分量ud、q轴电压分量uq，并根据d轴电压分量ud和q轴电压分 量uq获得三相电压ua、ub、uc；
9.步骤2.根据d轴电流分量id、q轴电流分量iq、d轴电压分量ud、q轴电压分量uq通过 帕德近似法获得功率因数角
10.步骤3.根据d轴电压分量ud、q轴电压分量uq和电压u
dc
获得调制度m；并根据功率因 数角和调制度m计算偏移角度
11.步骤4.根据d轴电压分量ud、q轴电压分量uq经过帕克反变换和克拉克反变换将获得三 相电压ua、ub、uc标幺化，得到三相电压标幺值ua、ub、uc；
12.步骤5.根据三相电压标幺值ua、ub、uc和偏移角度计算得到旋转电压u
ax
、u
bx
、u
cx
；
13.步骤6.根据功率因数角偏移角度和旋转电压u
ax
、u
bx
、u
cx
，重构出带有功率因数 角自调整的零序电压矢量u
zc
；
14.步骤7.将零序电压矢量u
zc
注入三相电压标幺值ua、ub、uc得到含零序电压矢量的三 相电压标幺值u
az
、u
bz
、u
cz
；
15.步骤8.根据u
az
、u
bz
、u
cz
重构占空比信号da、db、dc；
16.步骤9.将占空比信号da、db、dc施加到三相逆变器中生成新的pwm信号。
17.本发明的有益效果是：通过在传统dpwm控制模式下注入零序电压矢量来克服现有不连续 脉宽调制中功率因数不可调的问题，并通过增加限制条件，拓展自适应功率因数角范围-60
°ꢀ
至60
°
的范围，使得三相逆变器中的开关损耗降到最小，提高三相逆变器的效率。
18.作为优选，所述步骤2中功率因数角的计算公式：
[0019][0020]
的取值范围为0至
[0021]
作为优选，所述步骤3中调制度m的计算公式为：
[0022][0023]
偏移角度计算公式为：
[0024][0025]
偏移角度取值范围为至
[0026]
作为优选，所述步骤4中三相电压ua、ub、uc标幺化得到三相电压标幺值ua、ub、uc包括：
[0027][0028]
作为优选，所述步骤5旋转电压u
ax
、u
bx
、u
cx
取值包括：
[0029][0030]
作为优选，所述步骤6中旋转电压u
ax
、u
bx
、u
cx
的计算公式包括：
[0031]
步骤61.判断功率因数角是否为若否，则进入步骤62；若是，则相应的偏 移角度的范围为且重构的零序电压矢量u
zc
为：
[0032][0033]
其中，sgn()为符号函数，若ua＞0，则sgn(ua)＝1；若ua≤0，则sgn(ua)＝-1；max() 为取较大值函数，即如果|u
bx
|＞|u
cx
|，则max(|u
bx
|，|u
cx
|)＝|u
bx
|；如果|u
bx
|≤|u
cx
|，则 max(|u
bx
|，|u
cx
|)＝|u
cx
|；
[0034]
步骤62.判断功率因数是否为若否，则返回步骤2；若是，则进入步骤63；
[0035]
步骤63.判断调制度m的范围是否为0到0.866，若否，则进入步骤64；若是，则对应 的偏移角度范围为且重构的注入的零序电压矢量u
zc
为：
[0036][0037]
如果-0.5≤uz≤0.5则u
zc
＝uz[0038]
如果uz＞0.5oruz＜-0.5则
[0039]
|u
x
|＝middle(|ua|,|ub|,|uc|)
[0040][0041]
其中middle()为取中间值函数，即若|ub|＞|uc|＞|ua|，则middle(|ua|,|ub|,|uc|)＝|uc|，|u
x
|＝|uc|；
[0042]
步骤64.判断调制度m的范围是否为0.866到1，若否，则范围步骤2；若是，则重构的 注入的零序电压矢量u
zc
为：
[0043][0044]
如果-0.5≤uz≤0.5则u
zc
＝uz[0045]
如果uz＞0.5oruz＜-0.5则
[0046]
|u
x
|＝middle(|ua|,|ub|,|uc|)
[0047][0048][0049]
作为优选，所述步骤7中含零序电压矢量的三相电压标幺值u
az
、u
bz
、u
cz
的计算公式 为：
[0050]
作为优选，所述步骤8占空比信号da、db、dc的重构公式为：
附图说明
[0051]
图1为三相桥式逆变器系统结构图；
[0052]
图2为本发明流程图；
[0053]
图3为功率因数角为36
°
下的a相占空比；
[0054]
图4为功率因数角为43
°
下的a相占空比；
[0055]
图5为功率因数角为53
°
下的a相占空比；
[0056]
图6为功率因数角为36
°
下的注入零序电压分量标幺值；
[0057]
图7为功率因数角为43
°
下的注入零序电压分量标幺值；
[0058]
图8为功率因数角为53
°
下的注入零序电压分量标幺值；
[0059]
如图所示：1、电源单元；2、三相桥式逆变器；3、驱动电机；4、调速控制单元；5、不连
帕德近似法实时计算功率因数角
[0076][0077]
的取值范围为0至本本发明仅考虑功率因数0.5到1范围内的感应负载；
[0078]
步骤3.根据d轴电压分量ud、q轴电压分量uq和电压u
dc
获得调制度m：
[0079][0080]
并根据功率因数角和调制度m计算偏移角度
[0081][0082]
偏移角度取值范围为至
[0083]
步骤4.将获得三相电压ua、ub、uc标幺化，得到三相电压标幺值ua、ub、uc；
[0084][0085]
步骤5.根据三相电压标幺值ua、ub、uc和偏移角度计算得到旋转电压u
ax
、u
bx
、u
cx
：
[0086][0087]
步骤6.根据功率因数角偏移角度和旋转电压u
ax
、u
bx
、u
cx
，重构出带有功率因数 角自调整的零序电压矢量u
zc
，具体包括：
[0088]
步骤61.判断功率因数角是否为若否，则进入步骤62；若是，则相应的偏移
[0089]
角度的范围为且重构的零序电压矢量u
zc
为：
[0090][0091]
其中，sgn()为符号函数，若ua＞0，则sgn(ua)＝1；若ua≤0，则sgn(ua)＝-1；max() 为取较大值函数，即如果|u
bx
|＞|u
cx
|，则max(|u
bx
|，|u
cx
|)＝|u
bx
|；如果|u
bx
|≤|u
cx
|，则 max(|u
bx
|，|u
cx
|)＝|u
cx
|；
[0092]
步骤62.判断功率因数是否为若否，则返回步骤2；若是，则进入步骤63；
[0093]
步骤63.判断调制度m的范围是否为0到0.866，若否，则进入步骤64；若是，则对应 的偏移角度范围为且重构的注入的零序电压矢量u
zc
为：
[0094][0095]
如果-0.5≤uz≤0.5则u
zc
＝uz[0096]
如果uz＞0.5oruz＜-0.5则
[0097]
|u
x
|＝middle(|ua|,|ub|,|uc|)
[0098][0099]
其中middle()为取中间值函数，即若|ub|＞|uc|＞|ua|，则middle(|ua|,|ub|,|uc|)＝|uc|，此时， |u
x
|＝|uc|；
[0100]
步骤64.判断调制度m的范围是否为0.866到1，若否，则范围步骤2；若是，则重构的 注入的零序电压矢量u
zc
为：
[0101][0102]
如果-0.5≤uz≤0.5则u
zc
＝uz[0103]
如果uz＞0.5oruz＜-0.5则
[0104]
|u
x
|＝middle(|ua|,|ub|,|uc|)
[0105][0106]
[0107]
步骤7.将零序电压矢量u
zc
注入三相电压标幺值ua、ub、uc得到含零序电压矢量的三 相电压标幺值u
az
、u
bz
、u
cz
；
[0108][0109]
步骤8.根据u
az
、u
bz
、u
cz
重构占空比信号da、db、dc；
[0110][0111]
步骤9.将占空比信号da、db、dc施加到三相逆变器中生成新的pwm信号；本具体实施 例采用三角波发生器生成固定开关频率的三角波信号，范围为0-1，然后将重构的占空比信号 da、db、dc与固定开关频率的三角波信号对比生成与s
1-s6对应的pwm1、pwm2、pwm3、 pwm4、pwm5、pwm6驱动三相桥式逆变器工作。
[0112]
另外，所述驱动电机为永磁同步电机或异步电机或直流无刷电机或磁阻同步电机或永磁 体辅助型磁阻同步电机，本具体实施例采用磁阻同步电机。