谐振武逆变器及其调速系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.02.015 第15卷第2期 北京科技大学学报 Vol.15 No.2 1993年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.1993 谐振式逆变器及其调速系统 周绍英·李含善··刘春燕·· 摘要：具有共振直流环节的电卡型逆变器是在传统的PWM硬件开关电路上加·个共环节， 构成高顿，儿开关损耗电玉型逆变器.这种电路'j}前迪用的PWM逆变器相比，具有烦名 高，噪齐低。开关损耗小，系统体积小.电磁下扰小，行较好的输出波形和不漏要阻尼电路等 优点， 关键词：共振直流环节，电非型逆变器、软性开关电路 Voltage-Source Inverter with Resonance-DC-Link and Variable-Speed Systems for A.C Motor Zhou Shaoy'ig`Li Hanshan'·Liu Chunran'· ABSTRACT:Adding a resonance link to the traditional PWM inflexible switching circuit. a voltage-source inverter of high frequency and no switching less was formed.Compared with current PWM inverters.this circuit has the advantages of high frequency,low noise. low switching-loss.little system volume.low electromagnetic interference,quite good out- put wareforms and no need of damping circuit. KEY WORDS:resonance-DC-link,voltage-source inverter.soft switching circuit 变频器是变顿调速的核心.H前泛使用的是PWM逆变器。作这种电路中，电力 电了开关器件处子强迫开关状态，通常称为硬性开关。这种电路尽管结构简单、输出波形 良好，们能在3kHz以下的频率运行。由」下述种种限制使得PWM逆变器难以在高频 状态卜运广，第·，开关损耗随着频率的增加成比例地增加：第，PWM硬件开关过程 中瞬时峰值功耗易造成次击穿而使GTR烧坏；第，在高频状态下运彳时、开关器件 本身的极回电容成为重要的参数、极间电容电压转换时的dr/d!会耦合到输入端、产：生 电磁扰使系统不稳定，此外极间电容与电路中的杂散电感会形成振荡，下扰系统的止常 运j:第四、PWM硬什开关电路为了限制开关时的di/dt、dr/dt,常串联或并联缓冲 电路、这并没有从根本上减小电路中的开关损耗，而是将其转移到缓冲电路中，最终还是 ·992(2-17收稍 *北京升技人学(University of Science and Technology Beijing) *包头钢铁学院(Baotou University of Iron and Steel Technology) 第作名：女，55岁.调救授

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 一 、 『 谐振式逆变器及其调速系统 周 绍 英 ’ 李含 善 ‘ ’ 刘春 燕 ‘ 摘要 终 有 共振 直流 环 节的 电 · 明 逆 变 器 是在 传统 的 硬 件 汗关 电路 加 个共振 环 节 ， 构 成 高频 、 少匕 斤 关损 耗 电 压 明逆 变器 这 种 电路 ‘ 日 前通 用 的 逆 变器 相 比 ， 具 有 频 率 高 、 噪 寿低 、 汗关损 耗 小 、 系统 体积 小 、 电磁 卜扰 小 、 有较 好 的输 出波 形 和 不需 要阻 尼 电 路 等 优点 ， 关键词 共振 ’ 流环 节 ， 电 、 明逆 变器 ， 软性 开 关电路 一 一 一 一 ‘、 ， 之、 ， 一 尹‘ 王才 ￡廿月 、 ， ‘ 一 · 一 一 ， ， ， 一 ， 、 认 ， ， 诱 ， 一 一 一 ， 一 一 ’ 认 ， 一 一娜 变频 器 是 变频 调速 的 核 心 、 日 前 “ 泛 使 川的 是 逆 变器 。 在这 种 电路 中 ， 电 力 电 开关器件处 几强 迫 少「关状 态 ， 通 常称 为硬性 「关 。 这 种 电路 尽竹结 构 简 单 ， 输 出波 形 良好 ， 但 只 能 在 以 卜的频 率运 行 。 由 几 卜述 种 种 限制 使 得 逆 变器难 以 在高倾 状 态 卜运 行 第 ， ，「关损 耗 随 着频 率的增 加 成 比例地 增 加 第 几 ， 硬件 关过 程 ‘朴瞬时峰仇功 耗 易造 成 几次 穿 而使 烧 坏 第 二 ， 在高频状 态 卜运 行日 、 ， 开 关器件 本 身的极 间 电 容 成 为 重 要 的 参数 ， 极 间 电容 电压 转 换 时 的 、 ， ， 会锅 合到输 入 端 ， 产 ‘ 电磁 几扰 使 系统 不稳 定 此 外极 间 电容 ’ 电路 ‘扫的 杂 散电感 会形 成振 荡 ， 几扰 系统 的 ‘卜常 运 行 第四 ， 硬 件 二关 电路 为 ” 限制 二关伟士的 山 、 、 ， ， ‘ 常串联 或 手联 缓 冲 电路 ， 这 并没 有从 根 本 仁减 小 电路 中的 「关损 耗 ， 而 是将 其转 移到缓 冲电路 中 ， 最终 还 是 ， 一 一 收 稿 北 京科 技 人 子 、 、 。， 、 、 乡 “ 包 ， 、 钢 铁 ‘ 下院 、、 、 》 ， ‘。 「「。。 ， 第 作 吝 女 、 弘 岁 、 副教 授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．02．015

Vol.15 No.2 谐振式逆变器及其调速系统 ·215· 被消耗掉。较高工作频率、较大容量的开关器件会出现很可观的功率损耗。 如果采用谐振软性开关电路，可以解决以上一系列的问题。 1共振直流环节电压型逆变器的基本原理 1.1谐振软性开关 谐振软性开关电路如图1所示。在 M 直流电源与逆变器之间插入一个共振环 节LRCR。当逆变器两端的电压为零 时，即共振电压过零时，进行开关元件 的开关，这样就可实现零电压开关，通 图1工作原理图 常称为软性开关 Fig.1 Operation block diagram 1.2共振直流环节的基本原理 在图1中 VCR=Vsl1-e-"sin(Bt+)/1- (1) 式中S=RR/2ZR一衰减系数(Z。=√LR/CR—特征阻抗) Q=RR/2LR B=wRV1-?,wR=1/LRCR—共振频率 cosy=RR/√4LRB+RR= (2) 由于R.的存在使得VcR不过零，但为了实现零电压开关模式，必须使VcR有一段 电压过零的区问。为此，使电容存在初始值Ico,则 VcR=Vs[1-e"sin(B+/]+Icoe"sin(BI C)B (3) 这样、Vc就可以过零。 为了使电容存在初始值Io·可以采取如下措施：当1=0时，将电容短路，此时 为LR的一阶电路，电感电流近似直线上升；当iR=Ico时，结束电容短路状态、电路 进入共振模式，在共振一个周期后，VcR过零。根据这一原理，VcR过零后重复上述过 程，可构成一个共振直流供电环节。 1.3具有共振直流环节的电压型逆变器 共振直流供电环节原理图如图2所示。为了分析方便，逆变器部分用等效电流源1、 代替，实际的逆变器负载I总是变动的。当icR=LR一I,iR=ico十I时，短路 结束，若共振开始时的电流为Ico,则 Vck=(Vs-RRIn)I-e"sin(Br+)1-]+IcoZme-"singi/1- 由于没有必要使VcR为负值，故在图2中加入二极管D·图2的工作波形如图3所 示。区间TS闭合，电容短路，i1R直线增加，当iR=Ico时，使Sh断开、电容短路

谐振式逆变器及其调速 系统 被 消耗掉 。 较高工作频率 、 较大容量 的开关器件会出现很可 观 的功率损耗 。 如果 采用谐振软性开关 电路 ， 可 以解决 以上一 系列 的问题 。 共振直流环节 电压型逆变器的 基本原理 谐振软性开关 谐振 软性 开关 电路 如 图 所 示 。 在 直 流 电源 与逆 变器 之 间插 人 一 个 共振 环 节 。 当 逆 变 器 两 端 的 电 压 为 零 时 ， 即 共振 电压过零 时 ， 进行开 关 元件 的 开 关 ， 这 样 就 可 实现零 电压开关 ， 通 常称为软性开 关 。 共振直流环节的基本原理 在 图 中 二 曲 二 王 场 「 丑 飞 图 工作原理图 。 一 卜 一 刀才 石二于 一 ， 式 中 ‘ 一 。 一 衰减系数 一 扭万八万一 特征 阻抗 义 一 。 一 。 石 一 几丁 ， 。 。 一 扛示万一 共振频率 ， 丫 孟厂 式 一 由于 。 的存在使得 不 过零 ， 但 为 了实现零 电压 开 关模式 ， 必须 使 。 有一段 电压过零 的区 间 。 为此 ， 使 电容存在初 始 值 。 ， 则 。 。 一 卜 一 ’ ‘ 。 月下了卜 ， 一 ’ 了 ，‘ 刀 这样 ， 就可 以 过零 。 为 了 使 电容存在 初 始 值 。 。 ， 可 以 采 取 如 下 措施 当 二 时 ， 将 电容 短 路 ， 此 时 为 的一 阶 电路 ， 电感 电流近 似直 线上 升 当 一 几 。 时 ， 结束 电容短路状 态 ， 电路 进人共振 模式 ， 在 共振 一 个 周期后 ， 过零 。 根 据这 一 原理 ， 。 过零后 重复 上述 过 程 ， 可构成一个共振直流供 电环节 。 具有共振直流环节的 电压型逆变器 共振直流供 电环节原理 图如 图 所示 。 为 了分析方便 ， 逆变 器部分用 等效 电流源 ， 代替 ， 实 际 的逆 变 器 负载 几 、 总 是 变 动 的 。 当 。 一 一 人 ， 。 二 。 入 、 时 ， 短 路 结束 ， 若共振开始 时的 电流 为 。 ， 则 。 一 。 ， 一 。 了， 卜 一 ’ ‘ 。 川不丁 。 。 一 ‘ 卢， 石 耳丁 由于 没有 必 要 使 为 负 值 ， 故在 图 中加 人 二 极 管 。 图 的 工 作 波 形 如 图 所 示 。 区 间 ① 、 闭合 ， 电容短路 ， 几 直线增 加 ， 当 几 。 一 。 时 ， 使 ， 断开 ， 电容短 路

·216 北京科技人学学报 1993年V0.2 终止：以叫之，S断F斤，电路进入共振模式：以间3，FcR过零后，作isw≤0期 间D导通：以间1、当w>0时、使S闭金，与以间，相同，处于形成共振初始 电流模式、进入卜…个周期。 图2共振直流供电环节模型 图3共振直流环节的工作波形 Fig.2 The model of resonance-DC link source Fig.3 Operation waveforms of resonance-DC link 2共振直流环节的控制方法 2.1共振初始电流的控制方法 在图2中.i(R=ig一IN·为使共振初始电流<，为定价o·则需预测共振开 始时的逆变器流人电流·当ik=1,十八时、，=1，使电路进人共振模式， 图4电流预测 图5初始电流控制回路 Fig.4 Current prediction Fig.5 Return circuit of original current control 假定共振直流环节在路期间负载电流不变巾广足高频电路、这段时间很)· 则流入逆变器电流预测作i川根据下次的开关图形、选择现作的负载电流值、用图4 所示的模拟开关米实现，例1下·次乐关图形为6·则电流预测值为一、~据此 可曲出开关图形参照表，共振初始电流控制回路如图5所小乐，令共振电压过零瞬间的ik

匕 京 科 技 人 年 终 比 区 问 已 ， 、 、 断 后 ， 电路 进 人 共 振 模式 川 、 、 导通 次 飞， · 当 、 日 、 ， 使 、 。 闭 合 ， 电流 模式 ， 进 人 卜 · 个周期 攻 ‘ 、 “ 。 过零 后 ， 在 、 、 毛 期 与区 间 ， 丰刚司 ， 处 卜形 成 共振 初 始 叹 卜 、 八“ 月 月 卜犷 爪 八 、 、 ‘ 灿一竹 凡份 图 共振直流供电环节模型 一 图 共振直流环节的 工作波形 脚 洲 甲 一 共振直流环节的控 制方法 共 振初始 电流的控制方法 在 图 中 ， ， 。 一 从 一 、 ， 为使 振 始电流 。 、 ， 为 一 定 广毛 、 ， 则需 仔 ，共振 始时 的逆 变 器流 人 电流 、 ， ‘ 一 、 场 ，。 一 了 ， ‘认 ， 、 ， 〔 ‘ ， 一 、 ， 、 ， · 使 电路 进 人 共振 模式 介 、 一 气 ‘ 吃 户 ‘ ， 一一 尸公一一 护‘ 一一州 毛二一一 一 尸落匕一 一 佗匕二 ，一 叫 丫 沪冬－ 一一丫弓‘ 一 一 洲落 一 图 电流预测 图 初始 电流控制 回 路 假定 共振 直流环 节在 脚 路 期问 负载 电 流 不 变 是 高 频 电路 ， 这 段 时 间 很 脚 则流 入 逆 变 器 电 流 预 测 俏 所 示 的模 拟 开 关来实现 ， ，丁【田 几 关 冬 衫参 代衣 、 根据 卜 一 次 的 卜关图 形 ， 选择 现 在的 负载 电流 依 ， 例 如 卜 · 次 片关咚 形 为 “ ” ， 则电流 预测 内 ， 为 一 图 、 据此 共振 始电流 招三制 ，万 路 如咚 听小 · 令 共振 电 、 过 零瞬 、 ， 的

Vol.15 No.2 谐振式逆变器及其调速系统 217· 为i,当i<Ico+i心时，将S闭合，使电容短路，进入电感电流增加模式：当iR =Ico+时，断开Sh进入共振模式，此时iR=Ico当iu>Ico+时，将S。 断开.S、闭合，进入电感电流减小模式；当iR=Io+时，将S,闭合，S、断开， 进入共振模式，此时iR=Ico·图5中V、为辅助电源。 2.2箝位电路 KIs 在图5的控制方法中，共振直流 环节的电压峰值为电源电压的2.5 倍，当电源电压很高时，加在开关元 件上的电压过高，因此必须将共振直 流环节的电压进行箝位。箝位电路形 式很多，既利用前面已有的辅助电 源，又加上选用的箝位电路后、箝位 过程如图6所示。时刻T共振开 始：时刻TVCR=KVs,电路进入箝 位状态，电流回馈到电源：时刻T 箝位电流为零，使Sc闭合，能量输 ,T:T,T,广 人共振电路。在输人共振电路的能量 和回馈到电源的能量相等时、即T4 图6箝位电路的工作波形 时刻，电路不受箝位电路的影响，重 Fig.6 Operation waveforms of clamping 新开始共振。在T,时刻共振电压过 circuit 零。 3使用谐振式逆变器的交流调速系统 使用具有共振直流环节的电压型逆变器构成的交流调速系统如图7所示。系统采用了 滑差频率的矢量控制方法。 一】厂共振回路 1 逆变器 电流预测 开关图形 0电流 23 指令 比较> 图7具有共振直流环节的电压型逆变器交流调速系统原理图 Fig.7 Blok diagram of voltage-source inverter AC system with resonance-DC link

谐振式逆 变器及其调速 系统 为 ，， 当 。 人时 ， 将 、 闭合 ， 使 电容短路 ， 进人 电感 电流增 加 模式 当 。 ‘ ，又时 ， 断开 ， 进 人共振 模式 ， 此 时 ‘ 一 ，、 时 断开 ， 、 闭合 ， 进人 电感 电流 减 小模式 当 进 人共振模式 ， 此 时 一 。 。 图 中 、 箱位电路 在 图 的控制方 法 中 ， 共振直 流 环 节 的 电 压 峰 位 为 电 源 电 压 的 倍 ， 当 电源 电压很 高时 ， 加在开关 元 件上 的 电压 过高 ， 因此必须将共振直 流环节 的 电压进行籍位 。 箱位 电路形 式 很 多 ， 既 利 用 前 面 已 有 的 辅 助 电 源 ， 又 加 上 选用 的籍位电路后 ， 箱位 过 程 如 图 所 示 。 时 刻 共 振 开 始 时刻 兀 片 ， 电路进 人 籍 位 状 态 ， 电 流 回 馈 到 电 源 时 刻 兀 籍位 电流 为零 ， 使 。 闭 合 ， 能量输 人共振 电路 。 在输人 共振 电路 的能量 和 回馈 到 电 源 的 能 量 相 等 时 ， 即 几 时刻 ， 电路不受箱位 电路 的影 响 ， 重 新 开 始 共 振 。 在 兀 时 刻共 振 电 压 过 零 。 一 ‘ 。 众时 将 闭合 ， 将 断开 ， 为辅助 电源 。 卜 、 厂 火 门 一 门 以 ” ， ’ 卜、 卜 不 、 ， “ 爪 图 箱位电路的工作波形 使用 谐振式逆变器的 交流调速 系统 使用具有共振直 流环 节 的 电版 型 逆 变器构成 的交流调 速 系统如 图 所示 。 系统采用 了 滑差频 率的矢量 控制 方法 。 共振 回路 召 图 具有共振直流环节的 电压型逆变器交流调速系统原理图 、 ， 一 一

·218· 北京科技大学学报 1993年V0.2 图7中，V、为直流电压，经共振回路将直流电压V、变为一系列的过零脉冲信号 VcR。将VcR送至逆变器。逆变器仍采用PWM调制方式。 在实验机组上、实验结果得到比单独PWM控制时，更加理想的波形。 4结论 本文推荐了谐振式直流环节逆变器这新概念，只要给通用的电压甲逆变器电路加上 一个小的电感和电容，就可构成这种逆变器。这种新电路与普通的电压型逆变器相比、采 用同样的器件时，开关速度儿乎快·个数量级，并且效率人人提高。该电路采用大功率品 体管、特别适用于人功率用途。 参考文献 4 】刘竞成主编.交流调速系统.上海交通人学出版社，1984 2终纯厚主编.近代交流调速.北京：治金T业出版社，1984 3河端尚.共振DC刂之夕电压形亻>，パ-夕上电动机驱动制御系入)应用二关寸石研 究，神户大学人学院工学研究科电气·电下工学专攻 4 Divan D M.et al.IEEE,Trans Industry Appli.1989,25(4) 5 Bose B K.et al.IEEE/IAS Annual Meeting.1988.92

北 京 科 技 人 学 学 报 年 图 中 ， 卜，为 直流 电 压 ， 经 共 振 回 路 将 直流 电 压 从 变 为 一 系 列 的 过 零 脉 冲信 号 。 将 片 送 至 逆 变器 。 逆 变器 仍采用 调制 方式 。 在实验机组 卜 ， 实验结 果得到 比 单独 控制时 ， 更 加理 想的波 形 。 结 论 本文推 荐 了谐振 式 直流环 节逆 变 器这 · 新 概念 ， 只 要给通 用 的电压 型逆 变 器 电路 加 卜 一 个小的 电感 和 电容 ， 就可 构 成这 种 逆 变 器 。 这 种新 电路 与普通 的 电压 型逆 变 器相 比 ， 采 用 同样 的器 件时 ， 开关速 度 几 乎快 一 个数 量级 ， 并 目效 率人 大提 高 。 该 电路 采 用 大功 率晶 体管 ， 特别适 用 于末功 率用途 。 参 考 文 献 刘 竞 成 主编 交流 调速 系统 卜海 交通 大学 出版社 ， 终纯 厚 主编 近代交流 调速 北 京 冶金 工 业 出版社 ， 河端 尚 共振 少夕 夕电汪 形 布 夕 ‘ 一 夕 七 电动 机驱 动 制 御系、 。 应 用 忆 关 寸 石 研 究 ， 神户大学 人学 院 工 学 研 究科 电气 · 电 工学 专攻 ， ， ， ， 、 ，