專利名稱：一種三階spwm逆變控制方法、逆變器及數(shù)碼發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)碼發(fā)電機(jī)技術(shù)，尤其涉及一種應(yīng)用于數(shù)碼發(fā)電機(jī)的三階SPWM逆變控制方法。
背景技術(shù)：
數(shù)碼發(fā)電機(jī)是利用永磁同步發(fā)電機(jī)和逆變控制器，將汽油機(jī)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿谋銛y式發(fā)電設(shè)備。與傳統(tǒng)的普通發(fā)電機(jī)相比，具有顯著的體積小、重量輕、噪音低、對環(huán)境污染少、節(jié)能且輸出電壓品質(zhì)極高等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。圖I是數(shù)碼發(fā)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。所述數(shù)碼發(fā)電機(jī)包括內(nèi)燃機(jī)10，通過汽油 燃燒提供動(dòng)能；永磁同步發(fā)電機(jī)11，根據(jù)負(fù)載的變化發(fā)出變壓變頻(既不穩(wěn)壓也不穩(wěn)頻)且頻率比市電頻率高很多的三相交流電；三相半控整流電路12，將上述三相交流電整流并經(jīng)電容濾波為合適的直流電；逆變器13和LC低通濾波器14將三相半控整流電路12輸出的直流母線電壓(Udc)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻(如120V/60Hz、230V/50Hz)輸出的單相交流電，向負(fù)載15輸出。對于數(shù)碼發(fā)電機(jī)而言，其核心是實(shí)現(xiàn)交流輸出的逆變器13主電路及其控制單
J Li o逆變器13和LC低通濾波器14是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的電力電子裝置，在中小功率數(shù)碼發(fā)電機(jī)中實(shí)現(xiàn)將三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出并經(jīng)整流濾波后的直流母線電壓(Udc )逆變?yōu)榉€(wěn)壓穩(wěn)頻的單相交流電Uo (如120V/60Hz、230V/50Hz等)，其主電路的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。逆變器13中的4個(gè)IGBT或功率MOSFET等全控型功率管AH、AL、BH和BL構(gòu)成單相橋式逆變電路，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方式進(jìn)行控制，再經(jīng)高頻電感電容構(gòu)成的LC低通濾波器14，得到單相交流輸出電壓Uo。實(shí)測輸出電壓波形見圖3。其逆變器結(jié)構(gòu)具有電路簡單、輸出電壓總諧波失真(THD)小等優(yōu)點(diǎn)，是單相輸出的典型拓?fù)?。對所述逆變?3的單相橋式逆變電路，采用傳統(tǒng)的二階SPWM逆變控制方法(即逆變器13的輸出電壓中只有+Udc和-Udc兩種電平)，二階SPWM輸出的開關(guān)頻率等于逆變器13主電路功率管的工作頻率，是傳統(tǒng)的單相SPWM波形產(chǎn)生方法。對圖2所示的逆變器13的主電路，參見圖4所示二階SPWM逆變控制和逆變器輸出電壓波形圖，其采用三角波為載波、正弦波為調(diào)制波，生成逆變控制信號即二階SPWM波。當(dāng)控制功率管AH、BL按照圖4中所示的SPWM波形導(dǎo)通與關(guān)斷，AL、BH接收與之互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，可以得到二階SPWM輸出電壓波形。當(dāng)AH、BL功率管導(dǎo)通時(shí)，逆變器13輸出正電壓(+Udc);當(dāng)AL、BH功率管導(dǎo)通時(shí)逆變器13輸出負(fù)電壓(-Udc)。二階SPWM逆變控制方法雖然是在現(xiàn)有數(shù)碼發(fā)電機(jī)產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的逆變控制方式，但其具有開關(guān)損耗偏大致使逆變效率偏低、諧波較大和濾波器較大等缺點(diǎn)，需要對其進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提供了一種三階SPWM逆變控制方法，其可以采用圖2所示的與傳統(tǒng)二階SPWM逆變控制方法完全相同的逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即不增加任何硬件成本，僅通過對調(diào)制方式加以變更，就可以得到三階SPWM波形(即逆變器13的輸出電壓中含有+Udc、-Udc和O三種電平)，使逆變器13的輸出頻率比功率管的開關(guān)頻率增大了一倍且仍為SPWM波形。本發(fā)明提供的三階SPWM逆變控制方法，用于由4個(gè)功率管搭接成單相橋式逆變電路的逆變器主電路，包括以下步驟生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通過將第一和第二正弦波分別與同一個(gè)三角波載波比較，生成第一和第二二階SPWM控制信號；以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，生成單相三階SPWM逆變輸出電壓。優(yōu)選地，所述單相三階SPWM逆變輸出電壓的頻率是所述逆變器中功率管開關(guān)頻率的兩倍。優(yōu)選地，所述三角波載波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。采用以上介紹的逆變控制方法，本發(fā)明還提供了一種三階SPWM逆變器，包括由4個(gè)功率管搭接成單相橋式逆變電路的主電路，還包括三階SPWM發(fā)生電路，所述三階SPWM發(fā)生電路生成第一和第二二階SPWM控制信號，并以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器主電路兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，生成單相三階SPWM逆變輸出電壓。優(yōu)選地，所述三階SPWM發(fā)生電路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通過將第一和第二正弦波分別與同一個(gè)三角波載波比較，生成第一和第二二階SPWM控制信號。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述單相三階SPWM逆變輸出電壓的頻率是所述逆變器中功率管開關(guān)頻率的兩倍。本發(fā)明還提供了一種數(shù)碼發(fā)電機(jī)，包括內(nèi)燃機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、三相半控整流電路、逆變器和LC低通濾波器，所述逆變器的主電路是由4個(gè)功率管搭接的單相橋式逆變電路；并且所述逆變器還具有三階SPWM發(fā)生電路，所述三階SPWM發(fā)生電路生成第一和第二二階SPWM控制信號，并以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器主電路兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，生成單相三階SPWM逆變輸出電壓。優(yōu)選地，所述三階SPWM發(fā)生電路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通過將第一和第二正弦波分別與同一個(gè)三角波載波比較，生成第一和第二二階SPWM控制信號。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述三角波載波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。優(yōu)選地，所述單相三階SPWM逆變輸出電壓的頻率是所述逆變器中功率管開關(guān)頻率的兩倍。本發(fā)明將數(shù)碼發(fā)電機(jī)中常用的二階SPWM逆變控制方式改進(jìn)為三階SPWM逆變控制方式，即倍頻輸出方式，SPWM波形的輸出頻率是逆變器主電路中各功率管開關(guān)頻率的2倍。與常用的二階SPWM逆變方式相比，在逆變器輸出的開關(guān)頻率與二階SPWM控制相同時(shí)，倍頻輸出的三階SPWM逆變方式可減少50%的功率管開關(guān)損耗，提高了數(shù)碼發(fā)電機(jī)的整機(jī)效率；減少了交流輸出電壓的諧波含量；減小了濾波器、散熱器乃至整個(gè)數(shù)碼發(fā)電機(jī)設(shè)備的體積；降低了數(shù)碼發(fā)電機(jī)的整機(jī)成本。在主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)未做任何改變的情況下，僅通過采用倍頻的三階SPWM控制方式，就可使數(shù)碼發(fā)電機(jī)的整機(jī)綜合性能得到明顯提高。

圖I是現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)碼發(fā)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成示意 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中逆變器主電路的結(jié)構(gòu)示意 圖3是現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)碼發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電壓波形示意 圖4是現(xiàn)有技術(shù)中二階SPWM逆變控制和逆變器輸出電壓波形示意 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中單相三階SPWM逆變控制和逆變器輸出電壓波形示意 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中單相三階SPWM逆變器結(jié)構(gòu)示意 圖7-8是二階SPWM頻譜與三階SPWM頻譜比較示意圖。
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
并配合附圖詳予說明。本發(fā)明所提供的三階SPWM逆變控制方法，其可以采用圖2所示的與傳統(tǒng)二階SPWM逆變控制方法完全相同的逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與圖2中相同，逆變器的主電路是由4個(gè)功率管搭接成的單相橋式逆變電路，包括AH-AL和BH-BL兩個(gè)橋臂。在相同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，本發(fā)明的三階SPWM逆變控制方法僅通過對調(diào)制方式加以變更，即可以得到三階SPWM逆變輸出電壓波形，從而使逆變器的輸出頻率比功率管的開關(guān)頻率增大了一倍，且仍為SPWM波形。圖5是本發(fā)明實(shí)施例中單相三階SPWM逆變控制和逆變器輸出電壓波形示意圖。下面結(jié)合圖5介紹本發(fā)明的三階SPWM逆變控制方法。首先，生成圖5實(shí)線和虛線所示的兩個(gè)正弦波，即相位相反且幅值相同(幅值均為Us)的第一正弦波B和第二正弦波B’ ；將第一正弦波B和第二正弦波B’與同一個(gè)三角波載波A比較，生成第一二階SPWM控制信號C和第二二階SPWM控制信號C’，其中所述三角波載波A的幅值(Uc)大于或等于所述第一和第二正弦波B及B’的幅值(Us)。所述第一二階SPWM控制信號C和第二二階SPWM控制信號C’及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管。具體舉例來說，可以以所述第一二階SPWM控制信號C驅(qū)動(dòng)所述逆變器中功率管AH，以第二二階SPWM控制信號C’驅(qū)動(dòng)所述逆變器中功率管BH，并以所述第一二階SPWM控制信號C的互補(bǔ)控制信號驅(qū)動(dòng)功率管AL，和以第二二階SPWM控制信號C’的互補(bǔ)控制信號驅(qū)動(dòng)所述逆變器中功率管BL，從而使逆變器主電路輸出單相三階SPWM逆變輸出電壓D。如圖5所示，單相三階SPWM逆變輸出電壓D的開關(guān)頻率是所述逆變器主電路中功率管AH、AL、BH、BL開關(guān)頻率的兩倍；單相三階SPWM逆變輸出電壓D的幅值就是直流母線電壓(Udc)的值。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，4個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(即控制信號C、C’及其各自的互補(bǔ)控制信號)中要加入死區(qū)時(shí)間，以避免逆變器各橋臂上下功率管的直通。圖6是本發(fā)明實(shí)施例中單相三階SPWM逆變器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示,所述逆變器包括由4個(gè)功率管AH、AL、BH、BL搭接成單相橋式逆變電路的主電路601，其與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)中逆變器13主電路的結(jié)構(gòu)完全相同。三階SPWM發(fā)生電路602生成圖5所示的第一和第二二階SPWM控制信號，并以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器主電路兩個(gè)橋臂中的功率管AH、AL、BH和BL，從而生成圖5所示的單相三階SPWM逆變輸出電壓。三階SPWM發(fā)生電路602生成單相三階SPWM逆變輸出信號的方式與圖5所示方法完全相同。逆變器的主電路連接LC低通濾波器603，該LC低通濾波器603與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)中LC低通濾波器14的結(jié)構(gòu)完全相同。利用上述單相三階SPWM逆變控制方法和相應(yīng)的單相三階SPWM逆變器，本發(fā)明還提供了一種數(shù)碼發(fā)電機(jī)，包括內(nèi)燃機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、三相半控整流電路、逆變器和LC低通濾波器，其中所述逆變器的結(jié)構(gòu)與圖6相同。其主電路是由4個(gè)功率管搭接的單相橋式逆變電路；并且所述逆變器還具有三階SPWM發(fā)生電路，所述三階SPWM發(fā)生電路生成第一和第二二階SPWM控制信號，并以所述第一和第二二階SPWM控制信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器主電路兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，輸出單相三階SPWM逆變電壓。逆變器輸出電壓中有+Udc、-Udc和0三種電平。三階SPWM發(fā)生電路的工作方式與圖5介紹的相同。在數(shù)碼發(fā)電機(jī)逆變器的控制中，由于本發(fā)明采用了倍頻輸出的三階SPWM控制方式，功率管的開關(guān)頻率只是逆變器輸出電壓頻率的1/2。理論分析可證明，在相同的工作情況(驅(qū)動(dòng)信號、直流母線電壓(Udc)、輸出電壓和電流等基本相同)下，逆變器的開關(guān)損耗與 功率管的開關(guān)頻率成正比，在輸出頻率相同時(shí)，逆變器的開關(guān)損耗減少了 50%。這可提高逆變器和數(shù)碼發(fā)電機(jī)的效率。在逆變器輸出頻率相同時(shí)，功率管的開關(guān)損耗減少了 50%，在提高整機(jī)效率的同時(shí)，逆變器需要的散熱器的體積可相應(yīng)減小。另一方面，在逆變器中功率管的開關(guān)頻率相同時(shí)，而其輸出頻率被提高了一倍，在保證數(shù)碼發(fā)電機(jī)輸出電壓品質(zhì)基本不變的前提下，高頻濾波電感的電感量和濾波電容的電容值均可減小50%。在數(shù)碼發(fā)電機(jī)中起重要作用的輸出濾波器的體積和重量亦可相應(yīng)減少。由于散熱器及濾波器的體積和重量都可以減小，這為數(shù)碼發(fā)電機(jī)整機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)帶來了便利，既可使數(shù)碼發(fā)電機(jī)的整機(jī)體積進(jìn)一步減小，整機(jī)重量進(jìn)一步減輕，亦可使整機(jī)的成本得以降低。而且，對比圖7中的二階SPWM波的頻譜和圖8中的三階SPWM波的頻譜可以發(fā)現(xiàn)，在載波比等實(shí)際工作參數(shù)相同情況下，三階SPWM波的諧波幅度比二階SPWM波的對應(yīng)次諧波幅度小。且三階SPWM波的n次載波諧波及其上下邊頻諧波幅值分別與二階SPWM波的2n次載波諧波及其上下邊頻諧波幅值對應(yīng)相等。二階SPWM波的奇次諧波及其邊頻諧波在三階SPWM波中為零。因此逆變器輸出電壓中所含的諧波分量將明顯減少。綜上所述，本發(fā)明提出了對數(shù)碼發(fā)電機(jī)逆變器倍頻輸出的三階SPWM逆變控制方式。倍頻輸出的三階SPWM逆變控制方式在減小輸出諧波方面、提高數(shù)碼發(fā)電機(jī)逆變器乃至整機(jī)效率方面、減小數(shù)碼發(fā)電機(jī)體積和重量方面、降低數(shù)碼發(fā)電機(jī)成本方面明顯優(yōu)于常用的二階SPWM逆變控制方式。在不增加任何硬件電路成本的條件下，采用本發(fā)明提出的對數(shù)碼發(fā)電機(jī)逆變器倍頻輸出的三階SPWM逆變控制方式，較之常用的二階SPWM逆變控制方式將使數(shù)碼發(fā)電機(jī)的綜合性能得到明顯提高。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換(如生成相位相反且幅值相同的第一和第二三角波載波,通過將第一和第二三角波載波分別與同一個(gè)正弦波比較,生成第一和第二二階SPWM控制信號；或者以所述第一二階SPWM控制信號C驅(qū)動(dòng)所述逆變器中功率管AL，以第二二階SPWM控制信號C’驅(qū)動(dòng)所述逆變器中功率管BL等)，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三階SPWM逆變控制方法，用于由4個(gè)功率管搭接成單相橋式逆變電路的逆變器主電路，其特征在于包括以下步驟生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通過將第一和第二正弦波分別與同一個(gè)三角波載波比較，生成第一和第二二階SPWM控制信號；以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，生成單相三階SPWM逆變輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三階SPWM逆變控制方法，其特征在于所述單相三階SPWM逆變輸出電壓的頻率是所述逆變器中各功率管開關(guān)頻率的兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三階SPWM逆變控制方法，其特征在于所述三角波載波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。
4.一種三階SPWM逆變器，包括由4個(gè)功率管搭接成單相橋式逆變電路的主電路，其特征在于，還包括三階SPWM發(fā)生電路，所述三階SPWM發(fā)生電路生成第一和第二二階SPWM控制信號，并以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器主電 路兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，生成單相三階SPWM逆變輸出電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三階SPWM逆變器，其特征在于由三階SPWM發(fā)生電路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通過將第一和第二正弦波分別與同一個(gè)三角波載波比較，生成第一和第二二階SPWM控制信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三階SPWM逆變器，其特征在于所述單相三階SPWM逆變輸出電壓的頻率是所述逆變器中各功率管開關(guān)頻率的兩倍。
7.—種數(shù)碼發(fā)電機(jī)，包括內(nèi)燃機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、三相半控整流電路、逆變器和LC低通濾波器，其特征在于，所述逆變器的主電路是由4個(gè)功率管搭接的單相橋式逆變電路；并且所述逆變器還具有三階SPWM發(fā)生電路，所述三階SPWM發(fā)生電路生成第一和第二二階SPWM控制信號，并以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器主電路兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，生成單相三階SPWM逆變輸出電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)碼發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述由三階SPWM發(fā)生電路生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通過將第一和第二正弦波分別與同一個(gè)三角波載波比較，生成第一和第二二階SPWM控制信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)碼發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述三角波載波的幅值大于或等于所述第一和第二正弦波的幅值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)碼發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述單相三階SPWM逆變輸出電壓的頻率是所述逆變器中各功率管開關(guān)頻率的兩倍。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三階SPWM逆變控制方法、逆變器及數(shù)碼發(fā)電機(jī)。所述方法用于由4個(gè)功率管搭接成單相橋式逆變電路的逆變器主電路，包括以下步驟生成相位相反且幅值相同的第一和第二正弦波；通過將第一和第二正弦波分別與同一個(gè)三角波載波比較，生成第一和第二二階SPWM控制信號；以所述第一和第二二階SPWM控制信號及其互補(bǔ)信號分別驅(qū)動(dòng)所述逆變器兩個(gè)橋臂中的4個(gè)功率管，生成單相三階SPWM逆變輸出電壓。
文檔編號H02K7/18GK102751897SQ20121023393
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者李旭春 申請人:常州格力博有限公司, 李旭春