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CN114285302B - 一种频率倍频切换的四象限变流器 - Google Patents

一种频率倍频切换的四象限变流器 Download PDF

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Abstract

本发明属于机车应用领域，具体涉及一种频率倍频切换的四象限变流器。解决在机车变流器非正常运行下，谐波电流对电网存在污染的技术问题。本方法通过控制软件实现的方式实现四象限变流器具有良好的谐波特性，无需增加额外的硬件支持。具体的是通过在控制算法中采用控制策略和载波切换策略进行分别计算，当载波切换策略中的开关频率发生切换时，控制频率始终保持不变，即控制频率不随开关频率的变化而改变，控制策略中的一组控制参数可以适用多种开关频率。本发明可在机车变流器非正常运行下，提升机车变流器非正常工况下的谐波特性；采用一种软件实现频率切换控制系统的自调节；实现了实时、不停机下的频率切换，最大限度使用开关器件的利用率。

Description

一种频率倍频切换的四象限变流器
技术领域
本发明属于机车应用领域，具体涉及一种频率倍频切换的四象限变流器。
背景技术
四象限变流器具有高功率因数且能够实现能量的双向流动的特点而在电力机车中广泛使用。机车领域用的四象限变流器开关频率通常较低，其交流侧电流具有较差的谐波特性，给供电网带来了谐波污染，从而影响供电网的电能质量及其他机车运行时的电网环境。
在实际应用中四象限变流器采用多种方式和策略来综合降低电流谐波带来的污染。比如四象限变流器采用两套控制参数下的开关频率切换方案，即在两种固定开关频率下实现切换，切换过程中需要两种开关频率下的控制参数。但是这种方案存在的缺点是，开关频率切换时，需要停机操作才能进行，降低了四象限变流器使用可靠性。
发明内容
本发明要解决目前在机车变流器非正常运行下（存在故障隔离时），谐波电流对电网存在污染的技术问题，以提高机车变流器非正常工况下的谐波特性，且能够使四象限整流控制器开关频率实现实时、不停机下的切换，最大限度的使用开关器件（IGBT）的开关频率，提高器件的利用效率。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种频率倍频切换的四象限变流器，针对四象限变流器，采用控制策略和载波切户策略分别进行计算，其中载波切换策略由变流器状态信息模块、频率切换判断模块、散热计算模块、开关频率给定模块、载波周期计算模块、载波控制模块、载波切换时机判断模块组成，控制策略有控制采样处理模块和调制波计算模块组成；四象限的控制策略输出为调制波信号，载波切换策略输出为载波信号，二者同时进入PWM脉冲调制模块进行调制，输出PWM脉冲，以实现对四象限变流器的控制；
变流器状态信息模块主要完成变流器中四象限工作状态信息进行收集，监控各个四象限整流的关键技术参数，判断四象限是否工作及工作状态；频率切换判断模块为根据变流器状态信息综合判断，给出是否需要进行开关频率切换，并将切换指令发送至下一个环节；散热计算模块，主要完成当前变流器散热能力及裕量的计算；开关频率切换给定模块，主要完成对切换开关频率的计算，即完成对开关频率倍频的选择；载波周期计算模块，主要完成将开关频率转换为对应载波周期值；载波控制模块，主要完成开关频率切换与调制波计算模块之间的时序配合；载波切换时机判断模块，主要完成对频率切换时的时序进行判断；
控制采样处理模块，主要完成变流器中四象限控制所需要的采样数据信息进行数据处理；调制波计算模块，主要是完成四象限的控制算法，输出为调制波，是四象限控制的核心处理模块。
四象限变流器正常工作时，其开关频率给定值设定为开关频率基值，四象限变流器在基准开关频率下工作。当多个四象限变流器中出现一个或多个故障而停机时，载波切换策略中的开关频率发生切换，控制频率始终保持不变，即控制频率不随开关频率的变化而改变，控制策略中的一组控制参数可以适用多种开关频率。
进一步的，该发明方案的核心内容主要是载波控制模块、调制波计算模块、控制采样处理模块及载波切换时机判断；当频率切换模块给出频率切换指令时，开关频率给定模块根据散热计算模块输出计算开关频率切换等级，在系统设计时，结合散热系统的最大散热能力，将开关频率给定模块输出分为多个切换等级，分别为基频，2倍频，4倍频等；
在开关频率给定模块确定切换开关频率后，通过载波周期计算模块将开关频率转换为载波周期，调制波计算模块和控制采样处理模块的时序将依据载波周期进行匹配，基频的中断配置为上溢中断和下溢中断同时触发，基频到2倍频切换时，可采用两种方法进行，第一种方法，更改中断配置，基频时，中断采用上溢中断或下溢中断触发，2倍频时，中断采用上溢中断或者下溢中断中的一种送入调制波计算模块进行匹配；第二种方法，中断配置不变，即基频的中断配置为上溢中断和下溢中断，并通过增加计数方式进行；2倍频时，同样采用上溢中断和下溢中断同时触发，一次上溢中断或者下溢中断进行一次计数，当计数为2时，将中断时刻送入调制波计算模块进行计算，完成与调制波计算模块的时序匹配；两种方法均保证了载波频率切换时，均具有相同的调制波控制频率。
载波切换时机主要由载波切换时机判断模块完成，其切换输出只有在网压信号过零点时刻进行，即切换时刻只允许在网压信号正过零或者负过零时进行切换。开关频率调节过程是在四象限变流器正常工作下进行，不需要停机后操作，四象限变流器系统可靠性较大提升。
本发明解决了如下技术问题：1．在机车变流器非正常运行下（存在故障隔离时），降低了谐波电流对电网的污染，提高了机车变流器非正常工况下的谐波特性；
2. 采用一种软件实现的开关频率切换方法，实现了频率切换控制系统的自调节；
3．四象限整流控制器开关频率实现实时、不停机下的切换，最大限度使用开关器件（IGBT）的开关频率，提高器件的利用效率。
本发明技术方案带来的有益效果：
1、设计了控制参数对开关频率不敏感控制系统，实现了倍频切换；
2、提高了变压器原边电流的谐波特性，减少了对电网的污染和干扰；
3、最大限度使用开关器件（IGBT）的开关频率，提高开关器件的最大利用率。
附图说明
图1牵引变流器主电路拓扑图。
图2 频率切换控制框图。
图3载波控制模块的中断控制示意图。
具体实施方式
1. 本控制方法属于控制领域，适用于有单相四象限应用的所有领域，本方法通过控制软件实现的方式，实现功能，不需要增加额外的硬件支持。
2．四象限整流采用控制策略和载波切换策略分别进行计算，载波切换策略中的开关频率发生切换时，控制频率始终保持不变，即控制频率不随开关频率的变化而改变，控制策略中的一组控制参数可以适用多种开关频率。
3. 四象限变流器正常工作时，其开关频率给定值设定为开关频率基值，四象限变流器开关频率工作在基准频率f下。
4. 当变流器状态信息模块中出现一个或多个四象限整流或者逆变故障而停机时，通过频率切换判断模块判断频率是否切换，并给出对应的标志位；当频率切换判断模块输出为0时，确认为开关频率不切换，即Flag = 0；频率切换判断模块输出为1时，确认为开关频率切换，即Flag = 1。
5. 开关频率给定模块，主要完成对开关频率倍频的计算和选择，其输入为开关频率切换标志位Flag和散热计算模块的输出，输出为倍频数N；当Flag = 1时，依据散热计算模块及其裕量确定系数k，通过开关频率给定模块，选择切换频率倍频数N=2 k ，k=0,1,2……。
6. 载波周期计算模块，基准频率f时，通过载波周期计算模块转化为载波周期Prd，依据开关频率给定模块输出值N，将开关频率转换为对应的载波周期，转换公式为Prd * =Prd/N。
7. 载波控制模块，主要完成载波及其中断控制，当开关频率工作在基频时，中断方式选择为上溢中断和下溢中断，则控制频率为2倍的基频频率；当开关频率工作在2倍频时，选择上溢中断和下溢中断并采用计数配合方式，即中断计数更新2次时，进行一次控制中断，使控制频率保持不变。
8. 当开关频率工作在4倍频时，中断方式选择为下溢中断和上溢中断且与计数相结合，即中断计数更新4次时，进行一次控制中断，实现保持控制频率不变。
9. 控制采样处理模块，根据倍频数N，调整采样处理频率，不管是2倍频还是4倍频，统一采用上溢中断和下溢中断的中断方式，2倍频时，采样频率为4倍基频频率，4倍频时，采样处理频率为8倍基频频率。
10. 调制波控制计算模块与倍频时的控制采样处理模块的中断时刻不匹配，以4倍频为例，调制波计算模块频率为2倍基频频率，控制采样处理模块的频率为8倍基频频率，即两次调制波计算模块两次中断间隔内，进行了3次采样处理；将3次采样数据进行存储，当下一个调制波计算中断来临时，将3次采样数据进行统一计算处理并将数据更新。
11. 载波切换时机判断模块，主要完成对频率切换时机计算。为保证在开关频率切换时，四象限具有较小的电流冲击和波动，选择在网压过零点位置进行切换，即在Flag=1且在网压过零点同时满足时，才能进行切换，否则处于切换等待状态，直到同时满足条件。
本发明的技术关键点和保护点：
1、频率切换控制系统整体架构，系统构成及各子模块计算控制思路；
2、频率切换的控制逻辑及相关计算；
3、一种对控制系统无影响的频率切换实现方式。

Claims (9)

1.一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，针对四象限整流，采用控制策略和载波切换策略分别计算；其中载波切换策略由变流器状态信息模块、频率切换判断模块、散热计算模块、开关频率给定模块、载波周期计算模块、载波控制模块、载波切换时机判断模块组成，控制策略由控制采样处理模块和调制波计算模块组成；四象限的控制策略输出为调制波信号，载波切换策略输出为载波信号，二者同时进入PWM脉冲调制模块进行调制，输出PWM脉冲，以实现对四象限变流器的控制；
变流器状态信息模块用于对变流器中四象限工作状态信息进行收集，监控各个四象限的关键技术参数，判断四象限是否工作及工作状态；频率切换判断模块根据变流器状态信息综合判断，给出是否需要进行开关频率切换，并将切换指令发送至下一个环节；散热计算模块，用于完成当前变流器散热能力及裕量的计算；开关频率给定模块用于完成对切换开关频率的计算，即完成对开关频率倍频的选择；载波周期计算模块，用于完成将开关频率转换为对应载波周期值；载波控制模块，用于完成开关频率切换与调制波计算模块之间的时序配合；载波切换时机判断模块，用于完成对频率切换时的时序进行判断；
控制采样处理模块，用于完成变流器中四象限控制所需要的采样数据信息的数据处理；调制波计算模块，用于完成四象限的控制算法，输出为调制波；
四象限变流器正常工作时，其开关频率给定值设定为开关频率基准值，四象限变流器在开关频率基准值下工作；当多个四象限变流器中出现一个或多个故障而停机时，载波切换策略中的开关频率发生切换，控制频率始终保持不变，即控制频率不随开关频率的变化而改变，控制策略中的一组控制参数可以适用多种开关频率。
2.如权利要求1所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，当变流器状态信息模块中出现一个或多个四象限或者逆变故障而停机时，通过频率切换判断模块判断频率是否切换，并给出对应的标志位；当频率切换判断模块输出为0时，确认为开关频率不切换，即Flag = 0；频率切换判断模块输出为1时，确认为开关频率切换，即Flag = 1；
开关频率给定模块的输入为开关频率切换标志位Flag和散热计算模块的输出，输出为倍频数N；当Flag = 1时，依据散热计算模块及其裕量确定系数k，通过开关频率给定模块，选择切换频率倍频数N=2 k ，k=0,1,2……。
3.如权利要求2所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，基准频率为f 时，通过载波周期计算模块转化为载波周期Prd，依据开关频率给定模块输出值N，将开关频率转换为对应的载波周期Prd * ，转换公式为Prd * =Prd/N。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，当载波切换策略中的频率切换判断模块给出频率切换指令时，开关频率给定模块根据散热计算模块的输出计算开关频率切换等级，即确定切换开关频率；在开关频率给定模块确定切换开关频率后，通过载波周期计算模块将开关频率转换为载波周期，调制波计算模块和控制采样处理模块的时序将依据载波周期进行匹配；
载波切换时机由载波切换时机判断模块完成，其切换输出只有在网压信号过零点时刻进行，即切换时刻只允许在网压信号正过零或者负过零时进行切换。
5.如权利要求4所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，在系统设计时，结合散热系统的最大散热能力，将开关频率给定模块输出分为多个切换等级，分别为基频，2倍频，4倍频，8倍频…；
调制波计算模块和控制采样处理模块的时序将依据载波周期进行匹配，基频的中断配置为上溢中断和下溢中断同时触发，基频到2倍频切换时，可采用两种方法进行，第一种方法，更改中断配置，基频时，中断采用上溢中断或下溢中断触发，2倍频时，中断采用上溢中断或者下溢中断中的一种送入调制波计算模块进行匹配；第二种方法，中断配置不变，即基频的中断配置为上溢中断和下溢中断，并通过增加计数方式进行，2倍频时，同样采用上溢中断和下溢中断同时触发，一次上溢中断或者下溢中断进行一次计数，当计数为2时，将中断时刻送入调制波计算模块进行计算，完成与调制波计算模块的时序匹配。
6.如权利要求5所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，载波控制模块配合第二种方法用于完成载波及其中断控制，当开关频率工作在基频时，中断方式选择为上溢中断和下溢中断，则控制频率为2倍的基频频率；当开关频率工作在2倍频时，选择上溢中断和下溢中断并采用计数配合方式，即中断计数更新2次时，进行一次控制中断，使控制频率保持不变；当开关频率工作在4倍频时，中断方式选择为下溢中断和上溢中断且与计数相结合，即中断计数更新4次时，进行一次控制中断，实现保持控制频率不变。
7.如权利要求6所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，控制采样处理模块根据倍频数N，调整采样处理频率，不管是2倍频还是4倍频，统一采用上溢中断和下溢中断的中断方式，2倍频时，采样频率为4倍基频频率，4倍频时，采样处理频率为8倍基频频率。
8.如权利要求7所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，调制波控制计算模块与倍频时的控制采样处理模块的中断时刻不匹配。
9.如权利要求8所述的一种频率倍频切换的四象限变流器，其特征在于，以4倍频为例，调制波计算模块频率为2倍基频频率，控制采样处理模块的频率为8倍基频频率，即两次调制波计算模块两次中断间隔内，进行了3次采样处理；将3次采样数据进行存储，当下一个调制波计算中断来临时，将3次采样数据进行统一计算处理并将数据更新。
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