專利名稱：一種適應于中小功率場合的簡化型高效三相ac-dc-ac變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相變換器，具體是一種適應于中小功率場合的簡化型高效三相 AC-DC-AC變換器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的交流電壓變換采用電磁變壓器技術(shù)，低頻電磁變壓器廣泛應用于工礦企業(yè)、科研院所和大學實驗室等領(lǐng)域，實現(xiàn)了 AC/AC變壓與電氣隔離等功能，功率傳遞效率高。但傳統(tǒng)的電磁變壓器體積大且笨重、音頻噪音大、無穩(wěn)壓功能、對非線性負載(如典型的二極管整流、電容濾波電路)供電時諧波污染電網(wǎng)現(xiàn)象嚴重，滿足不了電氣電子設備小型化的需要。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種功率變換裝置應用而生。電力電子裝置種類繁多， 交流-交流變換(AC/AC變換)是一種用應很廣泛的功率變換裝置。利用半導體開關(guān)型電力變換電路，可以將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能，再對負載供電，可以大大提高用電效率和經(jīng)濟效益。AC/AC變換器主要可分為可控硅相控變頻器、具有諧振交流環(huán)節(jié)的AC/AC變換器、矩陣變換器、基于DC-DC拓撲的直接AC/AC變換器和間接AC-AC變換(AC-DC-AC)型變換器。AC-DC-AC型變換器由兩個三相橋PWM變流器組合而成的雙四象限PWM變流系統(tǒng)應用尤為廣泛，通過三相六開關(guān)逆變器可以實現(xiàn)PWM整流與PWM逆變功能，保證三相交流側(cè)電流具有高功率因數(shù)、低諧波特點，從而保證了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。它可用于電力系統(tǒng)中輸電、 配電和用電多個環(huán)節(jié)，是一種基礎的并且很重要的電力電子電路結(jié)構(gòu)，屬于電力電子學發(fā)展的前沿方向。它的一些主要應用如下(1)電力系統(tǒng)的直流遠距離輸電。在輸電線首端將交流電整流成直流電，經(jīng)遠距離直流輸電后，在輸電線末端將直流電變換為交流電給負載供電；( 構(gòu)成統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC或在線互動式UPS的主體。電源側(cè)按串聯(lián)一個三相變流器來補償電網(wǎng)電壓維持逆變器直流側(cè)穩(wěn)定，負載側(cè)接并聯(lián)一個變流器來補償負載的無功、負序和諧波電流；C3)交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。利用輸入級的三相逆變器將交流電裝化為直流電，然后利用V/f控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等方法來控制后級逆變器， 實現(xiàn)交流電動機變頻調(diào)速；(4)兩個變流器都作為PWM串聯(lián)型補償控制器運行，調(diào)控線路電壓、電流、等效阻抗、或?qū)崿F(xiàn)線間潮流控制(IPFC) ； (5)變速恒頻恒壓發(fā)電系統(tǒng)等，如雙饋電機的功率變換系統(tǒng)。針對低壓中小功率場合，這種由兩背靠背式三相逆變器組成的間接AC-DC-AC型變換器，具有開關(guān)器件多，損耗大等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種適應于中小功率場合的簡化型高效三相AC-DC-AC變換器，減少能量的損耗，降低成本，實現(xiàn)能量的高效變換與傳輸，降低無功和諧波，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種適應于中小功率場合的簡化型高效三相AC-DC-AC變換器，包括六個輸出濾波電感，還包括兩個三相四開關(guān)逆變器和一個直流側(cè)均壓電路，三相四開關(guān)逆變器由兩個開關(guān)臂和一個電容支路組成，兩個三相四開關(guān)逆變器共用一個電容支路，兩個三相四開關(guān)逆變器的開關(guān)臂分別并聯(lián)在電容支路的兩側(cè)，開關(guān)臂由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，電容支路由兩個電容串聯(lián)組成；直流側(cè)均壓電路由一個開關(guān)管支路和一個電感支路組成，開關(guān)管支路由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，開關(guān)管支路與三相四開關(guān)逆變器的電容支路并聯(lián)，電感支路一端接入開關(guān)管支路的兩個開關(guān)管之間，另一端接入三相四開關(guān)逆變器電容支路的兩個電容之間；三相四開關(guān)逆變器通過輸出濾波電感接入電網(wǎng)或者三相平衡負載。直流側(cè)采用一種均壓電路，由兩個開關(guān)管和一個電感組成，其開關(guān)管和電感的額定電流在三相四開關(guān)逆變器開關(guān)管額定電流的5 %以內(nèi)，通過采用基于電流閉環(huán)的控制方法可以實現(xiàn)兩直流側(cè)電容的動態(tài)均衡。本發(fā)明的工作原理詳細描述如下簡化型高效三相AC-DC-AC變換器包括二個背靠背的三相四開關(guān)逆變器、一個直流側(cè)均壓電路和六個輸出濾波電感。所述的三相四開關(guān)逆變器是一種三相二臂的三相逆變器，當逆變器三相交流側(cè)與三相電源連接，此時的三相四開關(guān)逆變器可以用來做PWM整流穩(wěn)定直流側(cè)電壓，也可以通過電流閉環(huán)控制來跟蹤或補償期望的基波和諧波信號；當逆變器三相交流側(cè)與三相平衡電阻連接，此時的三相四開關(guān)逆變器可以用來做PWM逆變輸出能量，也可以通過電流閉環(huán)控制來跟蹤或補償期望的基波和諧波信號。為了保持直流側(cè)電壓的動態(tài)均衡，通過采用電容電壓差外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方法來控制均壓電路的IGBT，可以實現(xiàn)直流側(cè)電容的動態(tài)均衡，這樣可以提高變換器的穩(wěn)定性能。本發(fā)明提出了一種適應于中小功率場合的簡化型三相AC-DC-AC變換器，與常用的由背靠背式三相六開關(guān)逆變器組合而成的雙四象限PWM變換器相比較，本發(fā)明的 AC-DC-AC變換器只包含4個功率開關(guān)管臂，減少了一對開關(guān)臂，減少了能量的損耗，大幅度降低了成本，可以實現(xiàn)能量的高效變換與傳輸，降低無功和諧波，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量；為了保持直流側(cè)電壓的動態(tài)均衡，通過采用基于電流閉環(huán)的控制方法可以實現(xiàn)直流側(cè)電容的動態(tài)均衡，這樣可以提高變換器的穩(wěn)定性能。


圖1為傳統(tǒng)的由兩個背靠背式三相逆變器組成的AC-DC-AC變換器；圖2為本發(fā)明AC-DC-AC變換器結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明三相四開關(guān)逆變器三相側(cè)接電網(wǎng)時的閉環(huán)控制框圖；圖4為本發(fā)明三相四開關(guān)逆變器三相側(cè)接負載時的閉環(huán)控制框圖；圖5為本發(fā)明直流側(cè)均壓電路的閉環(huán)控制框圖。
具體實施例方式參見圖1，為現(xiàn)有的由兩個背靠背式三相逆變器組成的AC-DC-AC變換器。該系統(tǒng)有兩個三相六開關(guān)逆變器、一個直流側(cè)電容和六個輸出電感構(gòu)成。兩個三相六開關(guān)逆變器通過公用的直流側(cè)電容形成了背靠背結(jié)構(gòu)，通過三相六開關(guān)逆變器可以實現(xiàn)一邊PWM整流和一邊PWM逆變功能，這樣可以實現(xiàn)電網(wǎng)的高功率因數(shù)運行、并可以實現(xiàn)有功能量的動態(tài)轉(zhuǎn)移，動態(tài)補償無功、負序和諧波。然而針對中小功率場合，該AC-DC-AC變換器結(jié)構(gòu)具有功率開關(guān)器件較多，損耗大，效率低等缺點。參見圖2，為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。針對中小功率的AC-DC-AC變換器，本發(fā)明提出了一種簡化型三相AC-DC-AC變換器，該結(jié)構(gòu)包括二個背靠背的三相四開關(guān)逆變器、一個直流側(cè)均壓電路和六個輸出濾波電感。所述的三相四開關(guān)逆變器是一種三相二臂的三相逆變器， 當逆變器三相交流側(cè)與三相電源連接，此時的三相四開關(guān)逆變器可以用來做PWM整流穩(wěn)定直流側(cè)電壓，也可以通過電流閉環(huán)控制來跟蹤或補償期望的基波和諧波信號；當逆變器三相交流側(cè)與三相平衡電阻連接，此時的三相四開關(guān)逆變器可以用來做PWM逆變輸出能量， 也可以通過電流閉環(huán)控制來跟蹤或補償期望的基波和諧波信號。本發(fā)明與傳統(tǒng)由兩個背靠背式三相逆變器組成的AC-DC-AC變換器相比較，該系統(tǒng)采用了兩個背靠背式三相四開關(guān)逆變器，在完成相同的PWM整流和PWM逆變功率的前提下，功率開關(guān)器件進一步減少了 4個，結(jié)構(gòu)更精簡，降低了硬件的成本和復雜度，提高了系統(tǒng)的效率。參見圖3，為本發(fā)明所提出的三相四開關(guān)逆變器三相側(cè)接電網(wǎng)時的閉環(huán)控制框圖。為了實現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制，直流側(cè)電壓外環(huán)采用了一個PI控制器。直流電壓跟蹤誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后分別乘以同步信號得到三相網(wǎng)側(cè)電流參考指令信號。這樣通過外環(huán)PI控制器的輸出指令來合理地調(diào)節(jié)與控制逆變器，可以實現(xiàn)電網(wǎng)與直流側(cè)電容的能量交換。在電流內(nèi)環(huán)跟蹤控制中，網(wǎng)側(cè)電流指令信號與檢測到的實際網(wǎng)側(cè)電流作差，然后利用 PI閉環(huán)控制及PWM調(diào)制后，得到逆變器的各功率開關(guān)管的控制信號，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高功率因數(shù)、低諧波運行，保證了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。具體步驟如下為了維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定并彌補功率開關(guān)管的損失，采用一個PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)直流側(cè)電壓外環(huán)的閉環(huán)調(diào)節(jié)Iout = kP1Audc+kn / Audcdt(1)其中，I。ut為外環(huán)電壓PI控制器輸出；‘和、為比例和積分系數(shù)；Δ Ud。= UMf_udc; 為電壓跟蹤誤差。利用I。ut來進行直流側(cè)電壓能量的補償，維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，如果開關(guān)管功率損失由各自的開關(guān)臂共同承當，則將1_分別乘以各相的同步信號，可以得到逆變器兩相功率開關(guān)臂的調(diào)壓指令信號。這樣將調(diào)壓指令信號與期望補償?shù)碾娏髦噶钚盘?C，‘)疊加，則可以推得三相四開關(guān)逆變器的兩相開關(guān)臂的電流參考信號(iar，ij
為
權(quán)利要求
1.一種適應于中小功率場合的簡化型高效三相AC-DC-AC變換器，包括六個輸出濾波電感，其特征在于，還包括兩個三相四開關(guān)逆變器和一個直流側(cè)均壓電路；三相四開關(guān)逆變器由兩個開關(guān)臂和一個電容支路組成，兩個三相四開關(guān)逆變器共用一個電容支路，兩個三相四開關(guān)逆變器的開關(guān)臂分別并聯(lián)在電容支路的兩側(cè)，開關(guān)臂由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，電容支路由兩個電容串聯(lián)組成；直流側(cè)均壓電路由一個開關(guān)管支路和一個電感支路組成，開關(guān)管支路由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，開關(guān)管支路與三相四開關(guān)逆變器的電容支路并聯(lián)，電感支路一端接入開關(guān)管支路的兩個開關(guān)管之間，另一端接入三相四開關(guān)逆變器電容支路的兩個電容之間；三相四開關(guān)逆變器通過輸出濾波電感接入電網(wǎng)或者三相平衡負載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應于中小功率場合的簡化型高效三相AC-DC-AC變換器，其特征在于，所述直流側(cè)均壓電路開關(guān)管和電感的額定電流在三相四開關(guān)逆變器開關(guān)管額定電流的5%之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適應于中小功率場合的簡化型高效三相AC-DC-AC變換器，包括六個輸出濾波電感，還包括兩個三相四開關(guān)逆變器和一個直流側(cè)均壓電路，其中三相四開關(guān)逆變器由兩個開關(guān)臂和一組公用的直流側(cè)電容組成，兩個三相四開關(guān)逆變器通過公用的直流側(cè)電容組成了一個背靠背的AC-DC-AC變換器，與傳統(tǒng)的由兩個背靠背式三相六開關(guān)逆變器組成的AC-DC-AC變換器相比，本發(fā)明的三相AC-DC-AC變換器減少了一對開關(guān)臂，減少了開關(guān)器件的能量損耗，可以大幅度降低成本。
文檔編號H02J3/01GK102355142SQ20111029640
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者何志興, 孫運賓, 羅安, 謝寧, 馬伏軍 申請人:湖南大學