專利名稱：三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于調(diào)壓技術領域，具體涉及一種三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置。
背景技術：
傳統(tǒng)的“斬波調(diào)壓”是采用有源功率開關器件(例如IGBT、MOSFET等)構成儲能元件的傳統(tǒng)方式構成續(xù)流通路；通常軟開關技術需再增加輔助控制與相應電路；電路復雜成本高、可靠性差；當前工頻移相控制式電機軟起動器對電網(wǎng)諧波污染嚴重，不能滿足電機頻繁起制動場合的環(huán)保要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服以上問題而提供一種在節(jié)能、節(jié)材、降低成本、環(huán)保等諸多方面顯現(xiàn)與基于其它調(diào)壓技術的同類產(chǎn)品具有強競爭優(yōu)勢的三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置。
本發(fā)明的技術方案是這樣得以實現(xiàn)的一種三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置，包括三相交流電源、產(chǎn)生“占空比”可變的三相隔離同步脈沖序列信號的控制單元3，其特征是它還包括由控制單元3控制三個功率開關器件門極的對三相交流電源電壓進行斬波的開關單元1、對被斬電壓波形進行濾波和提供續(xù)流通路的濾波續(xù)流單元2。
本發(fā)明與傳統(tǒng)“斬波調(diào)壓”機理不同，不采用有源功率開關器件(例如IGBT、MOSFET等)構成續(xù)流通路的傳統(tǒng)方式，而借用濾波器中無源儲能元件本身與附加的無源緩沖元件構成續(xù)流通路；且這些無源元件分別兼顧濾波、緩沖器、創(chuàng)造“準零電流開通”和“準零電壓關斷”條件等多項功能，無須像通常軟開關技術那樣再增加輔助控制與相應電路；在參數(shù)合理配置的前提下，只用三個有源功率開關器件和極簡單的控制方式實現(xiàn)對三相交流系統(tǒng)電壓的高效濾波調(diào)節(jié)。它為三相正弦調(diào)壓裝置多類產(chǎn)品系列(三相自耦調(diào)壓器、電機軟起動器、三相穩(wěn)壓器等)的功率傳遞單元，具有節(jié)能、節(jié)材、降低成本、環(huán)保等諸多優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的結構框圖。
圖2是本發(fā)明用于三相三線制系統(tǒng)的一種組合電路圖。
圖3是本發(fā)明用于三相四線制系統(tǒng)的一種組合電路圖。
圖4是本發(fā)明推廣于多相系統(tǒng)的一種組合電路圖。
具體實施例方式圖1中，三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置由開關單元1、濾波續(xù)流單元2和控制單元3共同組成，對三相交流系統(tǒng)電壓進行高效濾波調(diào)節(jié)后向三相Y連接(或Δ連接的)負載單元4供電。在合理配置開關單元1和濾波續(xù)流單元2中無源器件參數(shù)的前提下，續(xù)流和軟開關過程均呈現(xiàn)內(nèi)在的自動調(diào)節(jié)特征，無需另加控制。這是本發(fā)明與現(xiàn)有的斬波調(diào)壓裝置和軟開關技相比的創(chuàng)新之處。當控制單元3輸出的三相隔離同步脈沖序列分別作用于開關單元1中的三個功率開關器件的門極時，在負載4上得到與三相供電電源同步的三相電壓；當脈沖序列的“占空比”被改變時，該三相電壓幅值可調(diào)。
圖2中，開關單元1由分別接在A、B、C三相供電電源上的三個功率開關器件S1、S2、S3及其內(nèi)部的反并聯(lián)二極管D1、D2、D3組成；濾波續(xù)流單元2由A、B、C三相濾波電感L1、L2、L3，濾波電容Cf1、Cf2、Cf3以及諧振電容Cr1、Cr2、Cr3組成，向三相Y連接(或Δ連接)的負載單元4供電。三相參數(shù)對稱?？刂茊卧?產(chǎn)生的三路占空比可調(diào)脈沖序列分別控制開關S1、S2、S3的門極g1、g2、g3。
對應電源線電壓Vab的正半周中若干脈沖序列的任意一個開關周期，當?shù)谝粋€A相脈沖使A相開關S1為通態(tài)，與A相脈沖同步的B相脈沖對B相開關S2不起作用，B相開關S2保持斷態(tài)，因此電流iab的主要分量是經(jīng)A相開關S1、A相電感L1、負載4、B相電感L2和B相開關S2內(nèi)部的反并聯(lián)二極管D2返回電源的。在第一個脈沖結束和第二個脈沖到來之間，A相與B相開關S1、S2均處于斷態(tài)，功率由電源傳遞到負載的通路被截斷，儲存在電感L1上的能量經(jīng)A相濾波電容Cf1、諧振電容Cr1續(xù)流；同理，儲存在電感L2上的能量經(jīng)B相諧振電容Cr2、濾波電容Cf2續(xù)流。由于參數(shù)設定為Cf1＞＞Cr1和Cf2＞＞Cr2，續(xù)流過程的電流諧振頻率基本上取決于(L1Cr1)1/2和(L2Cr2)1/2。在開關S1開通的瞬間，由于電感L1、L2有阻礙電流增加的趨勢，iab自然基本具備準零電流開通條件；而電流iab中包含的次要分量是經(jīng)開關S1、兩諧振電容Cr1、Cr2、開關S2內(nèi)部的反并聯(lián)二極管D2和線路離散電感返回電源的；其中兩諧振電容Cr1、Cr2與線路離散電感構成小參數(shù)電流諧振，其諧振頻率遠遠高于開關頻率，次要分量初始值也接近零；主次分量相迭，仍可構成準零電流軟開通條件。在開關S1關斷的瞬間，由于兩諧振電容Cr1、Cr2上電壓不能突變，開關上的電壓只能從管飽和壓降值緩升至斷態(tài)值；從而創(chuàng)造了準零電壓軟關斷條件。在電源線電壓Vab的正半周中，以上過程會重復多次，次數(shù)與半周內(nèi)對應的脈沖數(shù)相等。開關S1上得到包絡如電源線電壓Vab正半周電壓波形的電壓、電流脈沖波。電源線電壓Vab負半周事實上等效于線電壓Vba正半周，B相開關S2和A相開關S1內(nèi)部反并聯(lián)二極管D1的通斷過程與Vab正半周的情況類似。故雙半周正弦包絡的電流脈沖波經(jīng)濾波續(xù)流單元2濾除開關頻率后，得到向負載施加的整周正弦線電壓。
同理，對應電源線電壓Vbc、Vcb、Vca、Vac的情況與上述類似，描述從略。
圖3中，開關單元1由A、B、C三相開關S1、S2、S3及快速二極管橋D11、D12、D13、D14，D21、D22、D23、D24，D31、D32、D33、D34對應搭配組成；濾波續(xù)流單元2由A、B、C三相濾波電感L1、L2、L3，濾波電容Cf1、Cf2、Cf3以及諧振電容Cr1、Cr2、Cr3對應搭配組成，向三相Y連接的負載單元4供電，負載的中性點OL與濾波續(xù)流單元2的中性點Of和電源中性點Os相連。三相參數(shù)對稱?？刂茊卧?產(chǎn)生的三路占空比可調(diào)脈沖序列分別控制三相開關S1、S2、S3的門極g1、g2、g3。
對應電源相電壓Va的正半周中若干脈沖序列的任意一個開關周期，當?shù)谝粋€A相脈沖使A相開關S1為通態(tài)，與A相脈沖同步的B、C相脈沖對B、C相開關不起作用，B、C相開關保持斷態(tài)，因此電流ia的主要分量是經(jīng)快速二極管D11、A相開關S1、快速二極管D12、A相電感L1、A相負載和中線OLOfOs返回電源的。在第一個脈沖結束和第二個脈沖到來之間，A相開關S1處于斷態(tài)，功率由電源傳遞到負載的通路被截斷，儲存在電感L1上的能量經(jīng)A相濾波電容Cf1、諧振電容Cr1續(xù)流。由于參數(shù)設定為Cf1＞＞Cr1，續(xù)流過程的電流諧振頻率基本上取決于(L1Cr1)1/2。在A相開關S1開通的瞬間，由于電感L1有阻礙電流增加的趨勢，ia自然基本具備準零電流開通條件；而ia中包含的次要分量是經(jīng)快速二極管D11、A相開關S1、快速二極管D12、諧振電容Cr1和線路離散電感返回電源的，其中諧振電容Cr1與線路離散電感構成小參數(shù)電流諧振，其諧振頻率遠遠高于開關頻率，其次要分量初始值也接近零；主次分量相迭，仍可構成準零電流軟開通條件。在A相開關S1關斷的瞬間，由于諧振電容Cr1電壓不能突變，開關上的電壓只能從管飽和壓降值緩升至斷態(tài)值；從而創(chuàng)造了準零電壓軟關斷條件。在電源相電壓Va的正半周中，以上過程會重復多次。次數(shù)與半周內(nèi)對應的脈沖數(shù)相等。
對應電源相電壓Va的負半周，通態(tài)電流ia的主次分量均反流，由于快速二極管橋D11、D12、D13、D14的整流作用，僅在流經(jīng)A相開關S1時保持與電源相電壓Va的正半周一致的流向。因此通態(tài)電流ia的主分量需由中線OsOfOL經(jīng)A相負載、濾波電感L1、快速二極管D13、A相開關S1、快速二極管D14返回電源，通態(tài)電流ia的次分量需由中線OsOfOL經(jīng)諧振電容Cr1、快速二極管D13、A相開關S1、快速二極管D14返回電源。A相開關S1處于斷態(tài)時電感的續(xù)流方向也與電源相電壓Va的正半周時相反。
A相開關S1上得到包絡如電源相電壓Va半周電壓雙半波形的電壓、電流脈沖波，經(jīng)濾波續(xù)流單元2濾除開關頻率后，在濾波電容Cf1上得到向負載施加的整周正弦相電壓。
對應電源相電壓Vb、Vc的情況與上述類似，描述從略。
按圖2、圖3的電路構成1kVA裝置，由三相市電供電，運行于5kHz開關頻率的實驗證明按50％“占空比”輕載條件選擇電感、電容參數(shù)，使(Lf·Cf)1/2＞＞Ts/2π＞＞(Ls·Cr)1/2，其中Ts為開關周期，Ls為等效離散電感量。控制單元3發(fā)出等寬脈沖序列信號的“占空比”從10％調(diào)至96％，可以得到從有效值十幾伏到電源電壓有效值的寬范圍三相正弦調(diào)壓效果。工程測算的效率約為94％-98％，具體視元件材料而略有高低。而在實現(xiàn)相近功能和指標的斬控三相電力電子調(diào)壓裝置中，需要四個以上有源功率開關器件其中必須增設主開關器件處于斷態(tài)時的續(xù)流開關；對續(xù)流過程進行雙向控制。如果還需為提高效率實現(xiàn)軟開關過程，靠現(xiàn)有技術方案，必須在此基礎上再增加輔助器件支路，從而使控制復雜化。本發(fā)明利用濾波續(xù)流單元2，集濾波、續(xù)流、軟開關功能于一身，合理匹配參數(shù)，從而實現(xiàn)了有源功率開關器件數(shù)最少的三相高效正弦波斬控調(diào)壓裝置。
本裝置取代三相自耦調(diào)壓器，可減小體積、重量，節(jié)省銅、鐵材料；用本裝置的技術原理制造的電機軟起動器，能克服當前工頻移相控制式電機軟起動器對電網(wǎng)諧波污染嚴重的缺點，滿足電機頻繁起制動場合的環(huán)保要求。
余類推，圖4是以圖2為基礎，延伸出N相N線制系統(tǒng)，由N個軟開關構成的斬控濾波調(diào)壓裝置。其工作原理與圖2電路類似。可用于多相電機軟起動等。
本發(fā)明裝置靜動態(tài)性能的進一步提高，可在前述的電路基礎上附加常規(guī)閉環(huán)控制手段。
權利要求
1.一種三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置，包括三相交流電源、產(chǎn)生“占空比”可變的三相隔離同步脈沖序列信號的控制單元(3)，其特征在于它還包括由控制單元(3)控制三個功率開關器件門極的對三相交流電源電壓進行斬波的開關單元(1)、對被斬電壓波形進行濾波和提供續(xù)流通路的濾波續(xù)流單元(2)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置，其特征在于所述的開關單元(1)由分別接在A、B、C三相供電電源上的三個功率開關器件(S1)、(S2)、(S3)及其內(nèi)部的三個反并聯(lián)二極管(D1)、(D2)、(D3)組成；所述的濾波續(xù)流單元(2)由A、B、C三相濾波電感(L1)、(L2)、(L3)，三相濾波電容(Cf1)、(Cf2)、(Cf3)以及三相諧振電容(Cr1)、(Cr2)、(Cr3)組成；控制單元(3)產(chǎn)生的三路占空比可調(diào)脈沖序列分別控制三個功率開關器件(S1)、(S2)、(S3)的門極(g1)、(g2)、(g3)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置，其特征在于所述的開關單元(1)由A、B、C三相功率開關器件及其快速二極管橋?qū)钆浣M成；所述的濾波續(xù)流單元(2)由A、B、C三相濾波電感、濾波電容以及諧振電容對應搭配組成，負載(4)的中性點與濾波續(xù)流單元(2)的中性點和電源中性點相連接。
全文摘要
一種三相三軟開關斬控濾波調(diào)壓裝置，包括三相交流電源、產(chǎn)生“占空比”可變的三相隔離同步脈沖序列信號的控制單元3，它還包括由控制單元3控制三個功率開關器件門極的對三相交流電源電壓進行斬波的開關單元1、對被斬電壓波形進行濾波和提供續(xù)流通路的濾波續(xù)流單元2。本發(fā)明借用濾波器中無源儲能元件本身與附加的無源緩沖元件構成續(xù)流通路；無須像通常軟開關技術那樣再增加輔助控制與相應電路；在參數(shù)合理配置的前提下，只用三個有源功率開關器件和極簡單的控制方式實現(xiàn)對三相交流系統(tǒng)電壓的高效濾波調(diào)節(jié)。它為三相正弦調(diào)壓裝置多類產(chǎn)品系列的功率傳遞單元，具有節(jié)能、節(jié)材、降低成本、環(huán)保等優(yōu)點。
文檔編號H02M1/12GK1877977SQ20061008811
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月24日 優(yōu)先權日2006年6月24日
發(fā)明者周謙之, 吳斌, 胡文華 申請人:安徽工業(yè)大學