СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ ВИЕННА-ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
CONTROL METHOD OF THREE-PHASE VIENNA-RECTIFIER

Настоящее изобретение относится к способу управления трехфазным выпрямителем для зарядного устройства с трехфазным входом, содержащего изолированный преобразователь AC-DC (переменный ток - постоянный ток). Такое зарядное устройство предназначено для использования в качестве бортового устройства в электрическом или гибридном автотранспортном средстве.
Эти транспортные средства оснащены высоковольтными электрическими батареями и, как правило, содержат бортовые зарядные устройства, то есть устройства для зарядки электрических батарей, установленные непосредственно на транспортных средствах. Основной функцией этих зарядных устройств является подзарядка батарей при помощи электричества, имеющегося в наличии в распределительной электрической сети. Следовательно, они обеспечивают преобразование переменного тока в постоянный ток. Критериями, необходимыми для этих зарядных устройств и, в частности, для бортовых зарядных устройств являются повышенный КПД, небольшой габаритный размер, гальваническая развязка, высокая надежность, безопасность работы, слабое излучение электромагнитных помех и невысокий коэффициент нелинейных искажений на входном токе.
В данном случае речь идет о категории зарядных устройств с трехфазным входом, которые имеют более высокую мощность зарядки по сравнению с зарядными устройствами с однофазным входом. На фиг. 1 представлена известная топология изолированного зарядного устройства 10, установленного на электрическом или гибридном транспортном средстве и предназначенного для подзарядки высоковольтной батареи транспортного средства от трехфазной электрической сети 30, к которой бортовое зарядное устройство 10 подключено через линейный резистор 40 сети.
Чтобы применить функцию преобразования AC-DC с гальванической развязкой, как известно, используют зарядное устройство 10, содержащее первый преобразователь AC-DC, который имеет схему 20 коррекции коэффициента мощности (PFC от “Power Factor Correction”) для ограничения гармоник входного тока, и второй преобразователь DC-DC (постоянный ток - постоянный ток) 12 для обеспечения регулирования зарядки, а также для обеспечения функции развязки для безопасности использования. Классически, на входе бортового зарядного устройства 10 перед схемой PFC 20 относительно трехфазной электрической сети 30 располагают входной фильтр 13.
Схемой PFC 20 управляет встроенный контроллер (не показан), который анализирует и корректирует в реальном времени характеристику тока по отношению к напряжению. Он выделяет погрешности формы посредством сравнения с выпрямленной синусоидальной формой напряжения и исправляет их, управляя количеством энергии, благодаря высокочастотному разделению и накоплению энергии в катушке индуктивности. В частности, его роль заключается в получении не смещенного по фазе и максимально близкого к синусоиде тока на входе питания зарядного устройства.
В случае схемы PFC 20 в документе CN104811061 описано применение трехуровневого трехфазного выпрямителя с тремя ключами, широко известного под названием Виенна-выпрямителя, раскрытого в документе ЕР94120245 и показанного на фиг. 2.
Действительно, выбор этой топологии является предпочтительным с точки зрения эффективности коррекции коэффициента мощности.
В трехфазном Виенна-выпрямителе 20 каждая фаза входного трехфазного переменного напряжения 30 связана через соответствующие катушки индуктивности La, Lb, Lc с коммутационным плечом 1, 2, 3 выпрямителя 20, который оснащен блоком силовых ключей, соответственно Sa, Sb, Sc.
Каждый из блоков Sa, Sb, Sc силовых ключей расположен между соответствующей катушкой индуктивности La, Lb, Lc и срединной точкой О между двумя выходными напряжениями Vdch и Vdcl выпрямителя 20, соответствующими напряжению на первом выходном конденсаторе С1, подключенном между срединной точкой О и положительной линией питания Н, и напряжению на втором выходном конденсаторе С2, подключенном между срединной точкой О и отрицательной линией напряжения L.
Обычно, чтобы управлять таким Виенна-выпрямителем 20, измеряют напряжения и токи на входе каждого ключа Sa, Sb, Sc, а также на выходе выпрямителя и используют контуры регулирования, позволяющие генерировать коэффициенты заполнения импульсов, необходимые для регулирования среднего периода пропускания ключей Sa, Sb, Sc.
Известное решение по применению коэффициентов заполнения импульсов на каждом коммутационном плече Виенна-выпрямителя 20 состоит в использовании одного или другого из двух ключей в зависимости от направления прохождения тока в плече.
Однако известные способы генерирования коэффициентов заполнения импульсов Виенна-выпрямителя 20 создают на клеммах выходных конденсаторов С1, С2 флуктуации напряжения, которые делают регулирование преобразователя DC/DC 12 относительно сложным и мало надежным.
По этой причине существует потребность в решении для улучшения регулирования преобразователя DC/DC 12, чтобы оно было более простым и более надежным.
Изобретением предложен способ управления трехфазным Виенна-выпрямителем, содержащим несколько управляемых силовых ключей, каждый из которых связан с одной электрической фазой; при этом способ содержит:
- этап преобразования трех подаваемых заданных линейных напряжений в три фазных напряжения;
- этап вычисления предназначенной для введения униполярной составляющей в зависимости от значений и знаков фазных напряжений и от средних значений фазных токов трехфазного Виенна-выпрямителя;
- этап вычисления значения модулирующего сигнала для каждой фазы трехфазного Виенна-выпрямителя в зависимости от вычисленной вводимой униполярной составляющей и от трех фазных напряжений; и
- этап генерирования шести сигналов коммутации управляемых силовых ключей в зависимости от знака фазных токов трехфазного Виенна-выпрямителя и от вычисленных значений модулирующих сигналов.
Таким образом, для коммутации управляемых силовых ключей в зависимости от генерируемых сигналов токи на входе двух преобразователей DC-DC делают постоянными и сбалансированными, что обеспечивает более простое и более надежное регулирование преобразователя DC/DC.
Предпочтительно и не ограничительно, вычисление униполярной составляющей (f(3wt)) включает в себя применение следующего уравнения:
в котором  = знак  в соответствии со значениями из следующей таблицы:
Условие
σ<sub>a</sub>
σ<sub>b</sub>
σ<sub>c</sub>
<img file="00000004.jpg" he="8" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
+
-
-
<img file="00000005.jpg" he="8" wi="53" img-content="undefined" img-format="jpg" />
+
+
-
<img file="00000006.jpg" he="7" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
+
-
<img file="00000007.jpg" he="7" wi="55" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
+
+
<img file="00000008.jpg" he="6" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
-
+
<img file="00000009.jpg" he="6" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
+
-
+
Таким образом, предназначенную для введения униполярную составляющую можно вычислить, используя знаки фазных напряжений, значения фазных напряжений и средние значения фазных токов, что обеспечивает быстрое и недорогое с точки зрения времени обработки вычисление, например, при помощи процессора.
Предпочтительно и не ограничительно, каждое значение модулирующего сигнала вычисляют путем сложения униполярной составляющей с соответствующим фазным напряжением. Это обеспечивает быстрое и простое вычисление значений модулирующих сигналов, в частности, поскольку не требует тригонометрического или векторного вычисления.
Предпочтительно и не ограничительно, генерирование шести сигналов коммутации управляемых силовых ключей включает в себя сравнение значений модулирующего сигнала с двумя высокочастотными несущими, которые являются синхронными между собой и синфазными.
Это упрощает генерирование сигналов коммутации за счет простого сравнения вычисленных значений модулирующих сигналов с высокочастотными несущими.
Предпочтительно и не ограничительно, для каждой фазы трехфазного Виенна-выпрямителя, если фазный ток является положительным, то связанный с фазой модулирующий сигнал сравнивают с симметричным сигналом треугольной формы, меняющимся от 0 до +1.
Предпочтительно и не ограничительно, для каждой фазы трехфазного Виенна-выпрямителя, если фазный ток является отрицательным, то связанный с фазой модулирующий сигнал сравнивают с симметричным сигналом треугольной формы, меняющимся от -1 до 0. Последний является синфазным с симметричным сигналом треугольной формы, меняющимся от 0 до 1.
Преимуществом обоих предыдущих сравнений является возможность простого в реализации логического сравнения с использованием быстро генерируемого сигнала треугольной формы.
Объектом изобретения является также устройство управления трехфазным Виенна-выпрямителем, содержащее средства для осуществления способа по одному из предыдущих пунктов.
Другие особенности и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частного варианта выполнения изобретения, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - преобразователь напряжения, в котором применяют способ согласно варианту выполнения изобретения, представленному на фиг. 3.
Фиг. 2 - трехфазный Виенна-выпрямитель согласно известному техническому решению.
Фиг. 3 - схема варианта выполнения изобретения.
Фиг. 4 - схема этапа генерирования сигналов коммутации управляемых силовых ключей Виенна-выпрямителя согласно варианту выполнения, представленному на фиг. 3.
Фиг. 5 - схема другого этапа генерирования сигналов коммутации управляемых силовых ключей Виенна-выпрямителя согласно варианту выполнения, представленному на фиг. 3.
На фиг. 2 представлена структура известного трехфазного Виенна-выпрямителя 20, применяемого в рамках изобретения.
Трехфазный Виенна-выпрямитель 2 содержит три параллельных входящих соединения, каждое из которых связано с одной фазой трехфазной электрической сети 30 питания через последовательно подключенную катушку индуктивности La, Lb, Lc, связанную, каждая, с парой ключей Sa, Sb, Sc, образующей первое, второе и третье коммутационные плечи трехфазного Виенна-выпрямителя.
Каждая пара ключей Sa, Sb, Sc содержит последовательное соединение «голова к хвосту», образованное первым соответствующим ключом Sah, Sbh, Sch, которым управляют, когда соответствующий входной ток Ia, Ib, Ic является положительным, и вторым соответствующим ключом Sal, Sbl, Scl, которым управляют, когда соответствующий входной ток является отрицательным. Иначе говоря, для деления тока используют только один управляемый ключ на коммутационном плече. Ключи состоят из полупроводниковых компонентов, управляемых по запиранию и по отпиранию, таких как транзисторы SiC-MOП, соединенные антипараллельно с диодом. Полупроводники этого типа адаптированы для очень высоких частот прерывания. Ключи Sah, Sbh, Sch называются также верхними ключами, а выключатели Sal, Sbl, Scl - нижними ключами.
Трехфазный Виенна-выпрямитель 20 содержит также три параллельные ветви 1, 2 и 3, содержащие, каждая, по два диода Dah и Dal, Dbh и Dbl, Dch и Dcl, которые образуют шестидиодный трехфазный мост, обеспечивающий однонаправленную передачу энергии и выпрямление тока и напряжения, получаемых из трехфазной сети 30 электрического питания.
Каждый вход трехфазного Виенна-выпрямителя 20 соединен через соответствующее параллельное входное соединение с соединительной точкой, находящейся между двумя диодами одной и той же ветви 1, 2 и 3.
Два общих конца ветвей 1, 2 и 3 образуют две выходные клеммы Н и L, соответственно положительную H и отрицательную L, трехфазного Виенна-выпрямителя 20, которые предназначены для соединения с устройством DC-DC 12.
DCH
DCL
Коммутационные плечи Sa, Sb, Sc каждой фазы подсоединены также, каждое, соответственно между соединительной точкой а, b, с, находящейся между двумя диодами первой 1, второй 2 и третьей 3 ветвей, и срединной точкой О выходных напряжений V и V трехфазного Виенна-выпрямителя 20, соответствующих напряжению на выходном конденсаторе С1 между положительной выходной клеммой Н трехфазного выпрямителя и срединной точкой О и напряжению на выходном конденсаторе С2 между срединной точкой и отрицательной выходной клеммой L трехфазного выпрямителя 20.
Напряжение на выходных конденсаторах С1, С2 автоматически независимо регулирует преобразователь DC-DC зарядного устройства, соединенный с выходом трехфазного Виенна-выпрямителя 20, в соответствии с общей топологией, представленной на фиг. 1. Иначе говоря, преобразователь DC-DC 12 управляет выходными напряжениями трехфазного Виенна-выпрямителя 20.
Трехфазный Виенна-выпрямитель 20, установленный на входе питания зарядного устройства 10 выполняет функцию коррекции коэффициента мощности зарядного устройства. Такая роль не позволяет возмущающим токам (гармоникам), производимым зарядным устройством, проходить через сетевой резистор, расположенный перед Виенна-выпрямителем 20.
Коммутационными плечами Sa, Sb и Sc каждой фазы трехфазной сети 30 управляют при помощи шести управляющих сигналов ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с переменным коэффициентом заполнения импульса с фиксированной частотой прерывания, равной 140 кГц, индивидуально регулируемой, например, средствами обработки типа FPGA (не показаны), при высоких частотах дискретизации.
Таким образом, средства обработки выполнены с возможностью определять коэффициенты заполнения импульсов управляющих сигналов коммутации ключей коммутационных плеч выпрямителя, необходимые для автоматического регулирования синусоидальных токов на входе выпрямителя.
Изобретение относится к способу управления средствами обработки для применения коэффициентов заполнения импульсов, предназначенных, с одной стороны, для уменьшения до минимума пульсации токов на входе двух конденсаторов С1 и С2 и, с другой стороны, для выравнивания этих токов таким образом, чтобы получить равную мощность на двух шинах DC на выходе Виенна-выпрямителя 20, что позволяет сделать регулирование преобразователя DC-DC 12 более надежным в результате минимизации пульсации тока на входе преобразователя DC-DC. Действительно, когда поток энергии на выходе Виенна-выпрямителя 20 является постоянным, становится проще автоматически регулировать преобразователь DC-DC 12 по напряжению.
dch
dcl
В данном случае ставится задача сбалансировать по среднему значению входные токи i и i соответственно на входе верхнего С1 и нижнего С2 конденсаторов.
dch
dcl
Токи, обозначенные соответственно i и i, выражаются по моментальному значению в зависимости от токов в каждой фазе следующим образом:
где ,  и , при этом  представляют собой сигналы коммутации верхнего и нижнего полупроводников каждой фазы.
Исходя из этого, уравнения (1) и (2) можно записать следующим образом:
Вычислив среднее значение уравнений (3) и (4) в одном периоде коммутации получаем:
Однако среднее значение фазных токов (обозначаемое ) есть не что иное, как основная составляющая тока, не имеющая высокочастотных составляющих, связанных с прерываниями.
Эта основная составляющая является заданным током, получаемым на основании заданной мощности, зафиксированной пользователем в случае регулирования посредством коррекции коэффициента мощности PFC Виенна-выпрямителя 20. С другой стороны, среднее значение сигнала коммутации, обозначаемое , является не чем иным, как продолжительностью запирания полупроводника в течение периода коммутации. Последний известен под названием коэффициента заполнения импульса и обозначается . Следовательно, уравнения (5) и (6) принимают следующий вид:
x
Поскольку ставится задача достижения , то необходимо определить значение различных коэффициентов заполнения импульсов, применяемых для каждой фазы. Однако коэффициент заполнения импульса можно определить в зависимости от низкочастотного сигнала, называемого «модулирующим сигналом» и обозначаемого mod, при котором
x
x
a = 1 - mod (9)
Следовательно, уравнения (7) и (8) принимают следующий вид:
В рамках стратегии модулирования, где в развитие закона управления силовой электроникой применяют скалярный подход посредством ввода униполярного сигнала, «модулирующий сигнал» выражается в зависимости от вводимой гармонической составляющей и от контрольных напряжений, генерируемых посредством регулирования в замкнутом контуре, следующим образом:
где:
dc
- ,  и  являются заданными напряжениями, нормализованными относительно известного напряжения DC шины, обозначенного V, и принадлежат к интервалу . Их получают посредством преобразования линейных напряжений в фазные напряжения;
-  где x = a, b, c
-  является вводимым униполярным напряжением.
Таким образом, во время заявленного способа определяют униполярное напряжение .
В ходе первого этапа 60 линейные напряжения U*ab, U*ac, U*bc (заданные напряжения между фазами, соответствующие напряжениям соответственно между точками а и b, а и с и b и с) преобразуют 60 в фазные напряжения v*a, v*b, v*c, называемые также заданными напряжениями v*a, v*b, v*c.
Существует несколько решений для осуществления такого преобразования 60, известных специалисту в данной области.
В этом варианте выполнения для упрощения рассматривают проблему в реальном пространстве, образованном тремя фазными заданными напряжениями.
Действительно, в рамках данной стратегии модулирования вращающийся вектор контрольного напряжения выражают в среднем в зависимости от трех фазных напряжений (для трехфазного случая), обозначенных ,  и .
Применяют уравнение (1), чтобы получить три фазных напряжения (v*a, v*b, v*c) на основании двух линейных напряжений:
На втором этапе вычисления 61 вычисляют предназначенную для введения униполярную составляющую.
В примере выполнения рассматриваются следующие значения фазных напряжений: (≥0, <0 и <0).
Поскольку напряжения и токи регулируются в соответствии с коррекцией коэффициента мощности PFC, считается, что токи и напряжения являются синфазными и их знаки являются идентичными.
a
b
c
1h
2l
3l
Таким образом, поскольку i≥0, i<0 и i<0, пропускающими становятся только следующие диоды D, D и D. Следовательно, уравнения (1) и (2) принимают следующий вид:
отсюда:
Выразив уравнения (16) и (17) в зависимости от уравнения (12), получаем:
Уравняв два уравнения (18) и (19), на их основании выводится предназначенное для ввода уравнение  для этого конкретного случая (≥0, <0 и <0):
Обобщив это на полный электрический период, выводят общее уравнение (21) для вводимой униполярной составляющей:
abc
где σ=знак(), при этом:
Условие
σ<sub>a</sub>
σ<sub>b</sub>
σ<sub>c</sub>
<img file="00000004.jpg" he="8" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
+
-
-
<img file="00000005.jpg" he="8" wi="53" img-content="undefined" img-format="jpg" />
+
+
-
<img file="00000006.jpg" he="7" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
+
-
<img file="00000007.jpg" he="7" wi="55" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
+
+
<img file="00000008.jpg" he="6" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
-
+
<img file="00000009.jpg" he="6" wi="54" img-content="undefined" img-format="jpg" />
+
-
+
Затем вычисляют «модулирующие сигналы» трех фаз mod*a, mod*b, mod*c на основании уравнения (12):
После этого приступают к генерированию 62 шести управляющих сигналов ШИМ для управления силовыми ключами Sa, Sb, Sc в зависимости от знаков фазных токов и посредством сравнения «модулирующих сигналов» mod*a, mod*b, mod*c двумя синхронными несущими, которые задают частоту прерывания полупроводников 140 кГц.
ah
bh
ch
Для верхних ключей S, S, S и для каждого плеча x=a, b, как показано на фиг. 7:
x
Если знак (i)≥0, «модулирующий сигнал»  сравнивают с симметричным сигналом треугольной формы, который меняется от 0 до 1, для генерирования и =1.
Что касается генерирования :
x
- Если mod меньше сигнала треугольной формы, который меняется от 0 до 1: =1.
x
- Если mod превышает или равен сигналу треугольной формы, который меняется от 0 до 1: =0.
al
bl
cl
Для нижних ключей S, S, S и для каждого плеча x=a, b, как показано на фиг. 8:
x
Если знак (i)<0, «модулирующий сигнал»  сравнивают с симметричным сигналом треугольной формы, который меняется от -1 до 0, для генерирования и =1.
Что касается генерирования :
x
- Если mod меньше или равен сигналу треугольной формы, который меняется от -1 до 0: =0.
x
- Если mod превышает сигнал треугольной формы, который меняется от -1 до 0: =1.