專利名稱：?jiǎn)伍_關(guān)交流斬波調(diào)壓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單開關(guān)交流斬波調(diào)壓裝置，特別涉及一種采用全控型電力電 子開關(guān)的交流調(diào)壓裝置。
背景技術(shù)：
交流調(diào)壓技術(shù)，廣泛應(yīng)用于交流電壓調(diào)節(jié)、交流穩(wěn)壓控制、照明系統(tǒng)的照 明控制與節(jié)能保護(hù)，交流溫控系統(tǒng)等。
目前，對(duì)交流電壓的調(diào)節(jié)，主要有三種形式可控硅移相控制、變壓器或 電感的電磁調(diào)節(jié)、以及交流斬波控制。
可控硅移相控制(見(jiàn)圖1，其中1為雙向可控硅，2為交流電源，3為負(fù)載，
4為移相觸發(fā)控制器)，可控硅具有半可控特性，通過(guò)對(duì)其開通角的控制可以調(diào) 節(jié)控制裝置的輸出電壓。由于可控硅的移相控制會(huì)使輸出電壓畸變，對(duì)負(fù)載有 較大的影響，另外還會(huì)使得輸入電流嚴(yán)重畸變，對(duì)電網(wǎng)污染較大。采用移相控 制時(shí)，如果輸出電壓較低，則功率因數(shù)會(huì)非常低。因此，這種控制方式無(wú)論對(duì) 用戶而言，還是對(duì)電網(wǎng)而言都不是最佳選擇。
利用變壓器或者電感的電磁調(diào)節(jié)技術(shù)(見(jiàn)圖2，其中2為交流電源，3為負(fù) 載，5為機(jī)械或雙向電子開關(guān)，6為自耦變壓器)，輸出電壓為正弦波，電磁兼 容性比較好。但是該系統(tǒng)的自身功耗比較大，系統(tǒng)效率低，調(diào)節(jié)困難，響應(yīng)速 度慢，控制精度低。由于所采用的自耦多抽頭變壓器工作在工頻狀態(tài)，利用可 控硅或者接觸器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)的體積重量較大，因此成本比較高。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用全控型電力電子器件進(jìn)行交流斬波控制(見(jiàn)
3圖3，其中2為交流電源，3為負(fù)載，7為電力電子開關(guān)器件所組成的雙向開關(guān)，8為控制器)具有體積小重量輕的特點(diǎn)，由于電力電子器件工作在較高的頻率下，因此可以利用很小的高頻濾波電路就可以有效抑制系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波。所以輸出電壓為正弦波，同時(shí)輸入電流諧波含量也非常小。但是要組成交流斬波電路必需要有續(xù)流通路，以便防止感性負(fù)載上因斬波而引起的高壓擊穿電力電子器件。由于是交流斬波電路，因此續(xù)流電路也必須是雙向的。直流電路中利用二極管就可以續(xù)流，而交流電路必須用雙向開關(guān)對(duì)續(xù)流電路進(jìn)行控制。由于采用雙向開關(guān)，必須防止直通短路，如果插入死區(qū)又會(huì)引起感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的高壓，因此系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜程度都難以被接受，可靠性也較低。
如上所述，目前交流調(diào)壓技術(shù)成本較高，系統(tǒng)控制復(fù)雜，或者諧波污染較為嚴(yán)重，因此，本發(fā)明在已有交流調(diào)壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種具有控制簡(jiǎn)單靈活，可靠性高，諧波含量小，功率因數(shù)高，成本較低的單開關(guān)交流斬波調(diào)壓裝置。使系統(tǒng)的全控型電力電子開關(guān)的數(shù)量降到了最低水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的主要問(wèn)題，提供一種僅利用一個(gè)雙向電力電子開關(guān)加上一個(gè)高頻鏈環(huán)節(jié)進(jìn)行交流斬波控制的裝置，使組成該裝置的全控型電力電子器件的數(shù)量降到了最少，從而大大降低了系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜程度。本發(fā)明中的電力電子開關(guān)是全控型電力電子器件所組成的雙向開關(guān)。高頻鏈環(huán)節(jié)由Z型高頻濾波網(wǎng)絡(luò)或者LC支路組成。由于采用交流斬波控制，與傳統(tǒng)晶閘管移相控制系統(tǒng)相比本發(fā)明的諧波含量非常低。使交流調(diào)壓系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了正弦波控制，又克服了常用交流斬波電路器件多、成本高、控制復(fù)雜、存在直
4通短路風(fēng)險(xiǎn)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
單開關(guān)交流斬波調(diào)壓裝置由控制器，雙向電力電子開關(guān)，Z型高頻濾波器，高頻輸出濾波器構(gòu)成，Z型高頻濾波器由兩個(gè)高頻電感和兩個(gè)高頻電容按Z形交叉連接組成，該Z型濾波器一端與雙向電力電子開關(guān)相連接，另外一端與輸入電源相連接。電力電子開關(guān)是由單個(gè)全控電力電子器件和功率二極管組成的雙向開關(guān)，該雙向開關(guān)串聯(lián)在交流電源與Z型濾波器之間；該雙向電力電子開關(guān)也可以由2個(gè)全控型電力電子器件構(gòu)成，但是所需的功率二極管減少到了 2個(gè)。高頻輸出濾波器由高頻電感和高頻電容組成，連接在Z型濾波器與負(fù)載之間。斬波調(diào)壓裝置還包括加在輸出端的、用于檢測(cè)輸出電壓、電流的傳感器，控制器通過(guò)輸入檢測(cè)得到的輸出電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行反饋控制。Z型高頻濾波器可以用LC支路代替。
本發(fā)明的一個(gè)效果在于，使裝置的輸出交流電壓可調(diào)。本發(fā)明的另外一個(gè)效果在于，使輸出電壓可調(diào)的同時(shí)，降低系統(tǒng)的體積重量和成本。
本發(fā)明的另外一個(gè)效果在于，使輸出電壓可調(diào)的同時(shí)，提高輸出電壓的正弦度，使負(fù)載受電壓畸變的影響減小到最低限度。
本發(fā)明的另外一個(gè)效果在于，使輸出電壓可調(diào)的同時(shí)，提高輸入電流的正弦度，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。
本發(fā)明的另外一個(gè)效果在于，使輸出電壓可調(diào)的同時(shí)，簡(jiǎn)化控制模式，消除短路直通的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明的另外一個(gè)效果在于，通過(guò)系統(tǒng)的閉環(huán)控制使系統(tǒng)可以工作在輸出穩(wěn)壓模式、調(diào)壓模式、電流調(diào)節(jié)模式、和功率調(diào)節(jié)模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1是已有的可控硅移相控制裝置示意圖2是己有的利用變壓器或者電感的電磁調(diào)節(jié)控制裝置示意圖；圖3是己有的全控型電力電子器件交流斬波控制裝置示意圖；圖4是本發(fā)明單開關(guān)斬波調(diào)壓裝置結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明中可以替代雙向電力電子開關(guān)的其它可選結(jié)構(gòu)圖6是本發(fā)明中可以替代Z型高頻濾波器的LC電路。
具體實(shí)施例方式
如圖4所示，本發(fā)明包括控制器14，電壓檢測(cè)電路12,電流檢測(cè)電路13，雙向電力電子開關(guān)9， Z型高頻濾波器IO，高頻輸出濾波器ll。
如圖4所示，本發(fā)明中僅使用了一個(gè)雙向電力電子開關(guān)9，對(duì)交流電壓進(jìn)行斬波控制，使得交流斬波調(diào)壓控制系統(tǒng)的電力電子開關(guān)器件數(shù)量降到了最低水平。
圖4中雙向電力電子開關(guān)9串連在交流電路中，在雙向電力電子開關(guān)輸出端和輸入電源的另外一端加入Z型高頻濾波器10。該濾波器由兩個(gè)高頻電感和兩個(gè)高頻無(wú)感電容組成。由于電力電子開關(guān)工作在高頻斬波模式，因此，該Z型濾波器的參數(shù)可以設(shè)計(jì)的非常小，所以可以降低系統(tǒng)的體積和重量，并且大幅度降低系統(tǒng)的成本。高頻輸出濾波器ll也工作在高頻模式，可以使得輸出電壓更加完美。雙向電力電子開關(guān)9由單個(gè)全控型器件和功率二極管組成，其中的全控型電力電子器件可以是IGBT、 MOSFET、 GT0、 GTR、 IGCT等等，在圖4中僅畫出了IGBT器件作為代表。當(dāng)該全控型電力電子器件受到控制器控制導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)二極管電路可以使得電流可以雙向流動(dòng) ，當(dāng)該全控型電力電子器件受到控制器控制截止時(shí)，該雙向開關(guān)截止，雙向電流均被關(guān)斷。
Z型高頻濾波網(wǎng)絡(luò)10在雙向開關(guān)導(dǎo)通時(shí)作為濾波電路，使得輸出電壓更加平滑，并且可以防止電流沖擊。當(dāng)雙向開關(guān)截止時(shí)，為感性負(fù)載提供了一個(gè)續(xù)流通路。由于在穩(wěn)態(tài)時(shí)，Z型高頻濾波網(wǎng)絡(luò)中的電感兩端的平均電壓為零。因此，輸出電壓僅受雙向開關(guān)的斬波控制，其輸出電壓有效值是雙向開關(guān)斬波控制占空比的函數(shù)。另外，在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，Z型高頻濾波器也可以由單LC電路代替，見(jiàn)圖6。
在電壓調(diào)節(jié)器和負(fù)載之間加入高頻輸出濾波器11，該濾波器濾除由于雙向電力電子開關(guān)斬波時(shí)所造成的高頻諧波，從而保證輸出電壓品質(zhì)達(dá)到最優(yōu)。
在輸出端加入電壓和電流傳感器12、 13，以便對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行控制。通過(guò)控制器14的閉環(huán)控制，可以調(diào)節(jié)輸出電壓、輸出電流、或者輸出功率。因此可以適合多種應(yīng)用場(chǎng)合，并且可以有效降低主電路成本。
控制器14用來(lái)接受上位機(jī)的指令，檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓電流，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要對(duì)輸出電壓、電流、或者功率進(jìn)行控制，并對(duì)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)。根據(jù)控制要求，控制器輸出PWM信號(hào)，對(duì)雙向可控電力電子開關(guān)的控制端進(jìn)行斬波控制。由于本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其控制復(fù)雜性大為降低，因此控制器成本也會(huì)下降。
除此之外雙向開關(guān)還可以用圖5中的形式代替。這時(shí)需要2個(gè)全控型電力電子器件，但是所需的功率二極管減少到了2個(gè)。
權(quán)利要求
1、一種單開關(guān)交流斬波調(diào)壓裝置，其特征在于，它由控制器，雙向電力電子開關(guān)，Z型高頻濾波器，高頻輸出濾波器構(gòu)成，Z型高頻濾波器由兩個(gè)高頻電感和兩個(gè)高頻電容按Z形交叉連接組成，該Z型濾波器一端與雙向電力電子開關(guān)相連接，另外一端與輸入電源相連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的交流斬波調(diào)壓裝置，其特征在于，其電力電子開關(guān) 是由單個(gè)全控電力電子器件和功率二極管組成的雙向開關(guān)，它串聯(lián)在交流電源 與Z型濾波器之間；該開關(guān)也可以由2個(gè)全控型電力電子器件構(gòu)成，但是所需 的功率二極管減少到了2個(gè)。
3、 如權(quán)利要求1所述的交流斬波調(diào)壓裝置，其特征在于，其高頻輸出濾波 器由高頻電感和高頻電容組成，連接在Z型濾波器與負(fù)載之間。
4、 如權(quán)利要求1所述的交流斬波調(diào)壓裝置，其特征在于，它還包括加在輸 出端的、用于檢測(cè)輸出電壓、電流的傳感器，控制器通過(guò)輸入檢測(cè)得到的輸出 電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行反饋控制。
5、 如權(quán)利要求1所述的交流斬波調(diào)壓裝置，其特征在于，Z型高頻濾波器 可以用LC支路代替。
全文摘要
本發(fā)明是一種單開關(guān)交流斬波調(diào)壓裝置，它由控制器，雙向電力電子開關(guān)，Z型高頻濾波器，高頻輸出濾波器構(gòu)成，Z型高頻濾波器由兩個(gè)高頻電感和兩個(gè)高頻電容按Z形交叉連接組成，它一端與雙向電力電子開關(guān)連接，另一端與輸入電源連接。雙向開關(guān)是由單個(gè)全控電力電子器件和功率二極管組成的雙向開關(guān)，串聯(lián)在交流電源與Z型濾波器之間。高頻輸出濾波器連接在Z型濾波器與負(fù)載之間。斬波調(diào)壓裝置還包括加在輸出端的、用于檢測(cè)輸出電壓、電流的傳感器，控制器通過(guò)檢測(cè)輸出電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行反饋控制。由于采用交流斬波控制，與傳統(tǒng)晶閘管移相控制系統(tǒng)相比本發(fā)明的諧波含量較低。使交流調(diào)壓系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了正弦波輸出，又克服了常用交流斬波電路全控型電力電子器件多、成本高、控制復(fù)雜、存在直通短路風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M5/22GK101471610SQ200710301358
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者雷 冬 申請(qǐng)人:雷 冬