專利名稱：一種三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子電路裝置，尤其是一種三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器。
背景技術(shù)：
目前在科學(xué)技術(shù)中 一個電功率的轉(zhuǎn)換、能量的傳遞、改變；是由一個電力電子電路、 裝置、設(shè)備來實現(xiàn)的；然而這個電力電子電路、裝置、設(shè)備在目前常規(guī)的情況中，對于電壓 與電流的正弦函數(shù)的改變、調(diào)節(jié)變量；仍然是一個按非線性函數(shù)性質(zhì)改變調(diào)節(jié)的控制變量； 而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)需要這一個電力電子電路、裝置、設(shè)備能對其輸入和輸出的正弦交流電壓、 電流波形的改變、調(diào)節(jié)具有線性的改變、調(diào)節(jié)、校正與臨界智能控制的物理功能，且使這 種發(fā)生線性改變與調(diào)節(jié)的電壓與電流合成電能函數(shù)的傳遞結(jié)果，能滿足多種需要不同電功率 的負(fù)載服務(wù)。必需說明如果僅僅是其中的一種電量即電壓或電流的物理量的出現(xiàn)，是不可 能產(chǎn)生能量和能量轉(zhuǎn)換的；正是由于電壓與電流合成電功率函數(shù)的出現(xiàn)，才能使控制事件產(chǎn) 生有效的改變與調(diào)節(jié)。在能量轉(zhuǎn)換過程和電功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的控制裝置中，通常改變的規(guī)律是從一個具備較高 的電壓、電流的供應(yīng)端，轉(zhuǎn)換至為一個需要較低電功率的負(fù)載服務(wù)；或者從一個具備較低的 電壓、電流的供應(yīng)端，轉(zhuǎn)換至一個需要較高電功率的負(fù)載服務(wù)。若能通過對電力電子電路裝置進行優(yōu)化設(shè)計，使其能獲得較高的轉(zhuǎn)換效率和性能；從而 將輸出的能量轉(zhuǎn)換與輸入的電功率轉(zhuǎn)換做到在物理量被線性調(diào)節(jié)、改變后整體上仍有很高 的效率及恒量與臨界控制高的平衡狀態(tài)；且使其能達(dá)到節(jié)能、改善工作性能和提高系統(tǒng)效率 的目的。目前，由于電網(wǎng)60%負(fù)載的是感性負(fù)載，公知的控制器、轉(zhuǎn)換器，它包括了機械式手控 開關(guān)，電磁式的接觸器、繼電器、可控硅(SCR)裝置、還包括某些使用IGBT的電力電子裝置、 電路系統(tǒng)及變頻器。由于這些設(shè)備都與交流電網(wǎng)的電力系統(tǒng)端直接相連，因而無論是機械式手控開關(guān)，電磁式的接觸器、繼電器的工作，都可能會對交流電網(wǎng)的電源則產(chǎn)生7倍以上較大的沖擊電流；為之電力系統(tǒng)必需成N倍設(shè)置運動的無功電能，以保證用電設(shè)備的安全啟 動運行；還有使用IGBT器件的某些電力電子裝置、電路系統(tǒng)及變頻器等的電功率轉(zhuǎn)換器、能 量轉(zhuǎn)換器、控制器；特別是較大的可控硅(SCR)裝置，還可能對交流電網(wǎng)的電源則產(chǎn)生強烈的 電流、電壓諧波，來污染和干擾運行在電力系統(tǒng)中諸多電子、電氣設(shè)備及電力系統(tǒng)本身的安全運行，其結(jié)果可能直接降低了交流電網(wǎng)的傳輸效率、功率因素；進而也可能降低設(shè)備的某 些性能。還有目前普遍存在于電網(wǎng)電力系統(tǒng)中的電壓波形平頭現(xiàn)象這種情況則可能是送、變電 單位、用電單位的磁電轉(zhuǎn)換部件中的材料特性欠佳，或材料用量不足所導(dǎo)致，因而在設(shè)備的 磁電轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)電磁飽和的平頭現(xiàn)象，這些電磁飽和的平頭現(xiàn)象直接損失了電力能 源的實際轉(zhuǎn)換效率；即成了在電力線路中不能轉(zhuǎn)換成作功能量的無功線路發(fā)熱損耗。由于人類的文明與進步蓬勃發(fā)展，人們越來越需要和越來越多地消費著強大的電力、電 網(wǎng)資源。若人類能對電力資源實行節(jié)約、優(yōu)化、智能控制的方案來保護、改善電網(wǎng)系統(tǒng)及有 關(guān)運行條件和努力提高電網(wǎng)傳輸效率；克服、降低感性負(fù)載的7倍以上的激磁、充磁電流， 克服電力電網(wǎng)諧波；從理論上講就能成倍地提高電力線網(wǎng)系統(tǒng)的運行效率；這對人類的生存 資源、環(huán)境條件、控制二氧化碳有毒廢氣體的排放量、改善控制全球氣候持續(xù)升溫、海平面 上升、陸地面積減小等諸多不良的因素有直接影響。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種可控的性能優(yōu)良的、在電功率函數(shù)被調(diào)節(jié)、校正時能發(fā)生線性 改變的、有臨界節(jié)能(包括軟啟動)、恒量控制功能的三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本說明書提供了一種三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器，包括 直接連接于交流電網(wǎng)電力輸入模塊的三個輸出端與濾波模塊；濾波模塊的三個輸出端分別與 三只IGBT模塊的集電極C端連接；三只IGBT模塊集電極C端上設(shè)置了三個電流取樣模塊； 電流取樣模塊獲取的電流信號端與PWM電流取樣信號處理模塊連接；濾波模塊的三個輸出端 點引線與三相同步信號(相位切換)模塊連接；用二個串聯(lián)組合，其中第一串聯(lián)組的第一 只IGBT模塊發(fā)射極E與第二只IGBT模塊集電極C連接，第二串聯(lián)組的第一只IGBT模塊發(fā)射 極E與第二只IGBT模塊集電極C連接，第三串聯(lián)組的第一只IGBT模塊發(fā)射極E與第二只IGBT 模塊集電極C連接；并將三個串聯(lián)組合中的第二只IGBT模塊的發(fā)射極E并聯(lián)成一個公共端； 三個串聯(lián)組合的六個IGBT模塊中，各自的控制極G分別與PWM調(diào)節(jié)、校正、臨界節(jié)能(軟啟 動)恒量的控制系統(tǒng)模塊中的控制回路連接；每個串聯(lián)組合中IGBT模塊的E端與IGBT模塊 的C端連接點，連接負(fù)載模塊；負(fù)載通過傳感物理信號模塊連接閉環(huán)控制的傳感物理信號處 理模塊；閉環(huán)控制的傳感物理信號處理模塊與三相同步信號(相位切換)模塊、電流取樣信 號處理模塊同時連接PWM調(diào)節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動)控制系統(tǒng)模塊。本三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器采用閉環(huán)隨機控制的方式。交流電網(wǎng)電力輸入模塊與三相同步信號(相位切換)模塊連接處接入缺相、欠壓、過壓 保護模塊；缺相、欠壓、過壓保護模塊與調(diào)節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動)控制 系統(tǒng)模塊連接。本發(fā)明在控制系統(tǒng)模塊中專門設(shè)計了一個能使給定變量與高速取樣變量，保持高度平衡 的控制電路及有關(guān)控制方法與控制理論。本發(fā)明對交流電網(wǎng)電源則的電流引力干擾小、諧波污染低、控制性能優(yōu)良的；由于方程 式交流電功率控制對正弦電壓、電流的Pmi的改變控制方式，是在原有50HZ正弦波函數(shù)的基 礎(chǔ)上用高頻PWM斬波的控制方式，調(diào)節(jié)、校正成另一個5QHZ正弦波函數(shù)的控制變量，為之其 控制變量是線性的控制變量。由于這種方式是50HZ正弦波函數(shù)上的線性切割而后給定作用 予一個非線性的感性元件，就要必需解決感性元件其控制開關(guān)截止時的能量續(xù)流通路，本發(fā) 明在主電路中設(shè)計了一個公共端，解決了這個關(guān)鍵問題。而使非線性的感性元件理想地接受 了一個給定的線性的時變的控制變量。于是三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器的控制改變 是時變的線性的高階的控制改變，所以能對電網(wǎng)正弦波形的對稱、三相的平衡運行有著良好 的功率因素性能，且能對多種物理參量包括異步電機的轉(zhuǎn)速及電壓、電流、溫度、位移、 壓力、流量等物理量進行線性的高頻的P W M調(diào)節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動) 的有效控制。本發(fā)明的目的，特征及優(yōu)點將結(jié)合實施例，參照附圖作進一步的說明。


圖l是本發(fā)明的模塊框圖；其中，O為交流電網(wǎng)電力輸入模塊，l為濾波模塊，2、 3、 4為電流取樣模塊，5、 6、 7、 8、 9、 IO為IGBT模塊，11為公共端，12為負(fù)載，13為傳感物理信號模塊，14為閉環(huán)控制 傳感物理信號處理模塊，15為三相同步信號(相位切換)模塊，16為P觀調(diào)節(jié)、校正、臨界 節(jié)能(包括軟啟動)、恒量控制系統(tǒng)模塊，17PB1電流取樣信號處理模塊，18為缺相、欠壓、 過壓保護模塊。
具體實施方式
參照上圖，提供下述實施例。通過實施例將有助于理解本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的內(nèi)容。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本 發(fā)明的保護范圍。實施例1:這一種三相交流六開關(guān)方程式電功率控制器，包括直接連接于交流電網(wǎng)電力輸入模塊0的Ll、 L2、 L3三個輸出端與濾波模塊1連接；濾波模塊1的三個輸出端分別與 IGBT模塊5的集電極C端、IGBT模塊7的集電極C端、IGBT模塊9的集電極C端連接；IGBT 模塊5、 7、 9的集電極C端上設(shè)置了三個電流取樣模塊2、 3、 4;電流取樣模塊2、 3、 4獲 取的電流取樣信號端與PWM電流取樣信號處理模塊17連接；濾波模塊1的三個輸出端點引線 與三相同歩信號(相位切換)模塊15連接；用三個串聯(lián)組合，其中第一串聯(lián)組為IGBT模 塊5發(fā)射極E與IGBT模塊6集電極C連接，第二串聯(lián)組為IGBT模塊7發(fā)射極E與IGBT模塊 8集電極C連接，連接第二串聯(lián)組為IGBT模塊9發(fā)射極E與IGBT模塊10集電極C連接，IGBT 模塊6的E端、IGBT模塊8的E端、IGBT模塊10的E端并聯(lián)成一個公共端11; IGBT模塊5、 IGBT模塊6、 IGBT模塊7、 IGBT模塊8、 IGBT模塊9、 IGBT模塊10中各自的控制極G分別 與P麗調(diào)節(jié)、校正、臨界節(jié)能、恒量、軟啟動的控制系統(tǒng)模塊16中的控制回路連接；在IGBT 模塊5的E端與IGBT模塊6的C端連接點，在IGBT模塊7的E端與IGBT模塊8的C端連接 點，在IGBT模塊9的E端與IGBT模塊10的C端連接點，這三個連接點接入負(fù)載模塊12; 負(fù)載12通過傳感物理信號模塊13連接閉環(huán)控制物理信號處理模塊14;閉環(huán)控制物理信號處 理模塊14與三相同步信號(相位切換)模塊15、電流取樣信號處理模塊17同時連接PWM調(diào) 節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動)控制系統(tǒng)模塊16。交流電網(wǎng)電力輸入模塊0與三相同步信號(相位切換)模塊15之間設(shè)置具有缺相、欠壓、 過壓保護功能模塊18，并與調(diào)節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動)控制系統(tǒng)模塊(16) 連接。三相交流六開關(guān)方程式電功率控制器是采用閉環(huán)隨機控制的方式。在背境技術(shù)中提及；交流電源對電感(磁)性負(fù)載(包括異步電機、變壓器等)在電路 接通瞬間所產(chǎn)生的7倍以上的沖擊電流是由于人們使用的機械式手控開關(guān)的接觸器、繼電 器、其中包括某些可控硅(SCR)裝置等的電力控制設(shè)備它們的工作狀態(tài)，都處在手動或工頻 50HZ的工作狀態(tài)；這就對于電機、變壓器等電感(磁)性負(fù)載材料內(nèi)部硅鋼片中的電磁粒子的 激勵磁化工作狀態(tài)不能完全有效的控制，因而造成了出現(xiàn)了 7倍以上的沖擊電流。原因就是 電感性負(fù)載的導(dǎo)磁載體，處在工頻條件下自由的激磁一充磁狀態(tài)。由于電網(wǎng)60%負(fù)載的是感性負(fù)載，這些感性負(fù)載都是非正弦的時變元件，如果在電力電 源的局域系統(tǒng)要獲得有正弦函數(shù)響應(yīng)的時變控制變量，通常的做法需要有一個非常復(fù)雜的電 路系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。且可能犧牲一定的有功和無功電能，即便是這樣也很難做到。再者前述 中發(fā)生較大的電壓、電流諧波是由可控硅裝置的控制方式?jīng)Q定的因(SCR)是在基波基礎(chǔ)上以改變相位導(dǎo)電角的控制方式工作，所以形成了與正弦函數(shù)變量完全不同的象限概念的時變函 數(shù)變量。而在這類控制方式中要建立一個平直的直流供電電源，就要設(shè)計用很大電容來平波 或很大電感來穩(wěn)流。大的電容或大的電感它們的能量釋放工作時間參數(shù)即t-RC或t二R L的衰變時間，必需超過了電網(wǎng)50HZ的交流轉(zhuǎn)換的頻率時間，也即濾波電容、穩(wěn)流電感的蓄 能釋放的工作時間通常單相時應(yīng)大于10.2ms，三相時應(yīng)大于3.6ms以上的時間；由于大平 波電容、穩(wěn)流電感蓄能的持續(xù)工作時間長，就會很明顯地破壞、改變了交流電源電壓、電流 50HZ的正弦波形的工作態(tài)狀；因而隨即出現(xiàn)了電壓和電流波形的奇變，為之正是由于這些大 的電容或大的電感的存在，使電力系統(tǒng)中可能出現(xiàn)大量的不同次數(shù)的電壓、電流諧波。前述中特別提到的在電力系統(tǒng)中，通常在人們用示波器觀察，可以看到電壓波形存在平 頭現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫磁電飽和現(xiàn)象，即電壓形波頂部有平直方形波。而磁飽和現(xiàn)象是由于電 氣設(shè)備的導(dǎo)磁材料的用量不足，或?qū)Т挪牧系馁|(zhì)量及設(shè)計參數(shù)某些問題的原因。其結(jié)果使流 動的電流變成了線路中的發(fā)熱損耗，而不能進行電能的轉(zhuǎn)換耦合。上述問題其實通常存在于 許多用電設(shè)備中；只是相對電力電路系統(tǒng)的影響大小、明顯程度不同而意。若能對上述問題，包括電機、變壓器等感性設(shè)備的這種自由激勵充磁狀態(tài)進行有效的控 制，就能克服、解決這些問題。本發(fā)明根據(jù)上述控制器、轉(zhuǎn)換器中的一些問題，根據(jù)高頻(PWM)斬波控制理論，發(fā)現(xiàn)對 交流電源的輸入電能直接進行高頻(PWM)斬波控制，能大大改善和克服上述問題。并在電源 的輸入端加入了用于低通與高頻濾波的電感L和高頻補償電容C蓄能元件。電感L:對工頻 電流暢通、而對高頻電流則呈現(xiàn)較大的電抗性；電容C:則能在電感L呈現(xiàn)較大電抗時，能 在瞬間釋放出對負(fù)戴所需電能的補償。因L.C的重復(fù)工作周期設(shè)計，比50HZ工頻電源頻率時 縮小了幾百倍甚至幾千倍，在這樣高的工作頻率下，使得電源系統(tǒng)的電壓、電流的改變是原 來50HZ的正弦周期狀態(tài)演變?yōu)樵趲装俜肿右簧踔翈浊Х肿右坏臅r間內(nèi)的高頻開關(guān)周期的改 變，因為這種控制改變由于高頻(P麗〕斬波控制，所以對工頻正弦函數(shù)來講是 一個正弦函 數(shù)對另一個正弦函數(shù)的高頻〔PWM)線性的控制改變與校正，因而相對于50HZ時的電壓、電 流工作狀態(tài)來講，當(dāng)每工頻周期內(nèi)的斬波頻率超過360HZ時，電壓、電流的動作相位就可能 小于1° ，這樣幾乎可以講電壓、電流處在完全的同相狀態(tài)；對本控制器而言這種高頻〔P麗) 斬波控制方式對該供電系統(tǒng)端有功率因素補償效果和性能，可謂該電源端的局域系統(tǒng)的功率 因素，運行在接近(1 )的狀態(tài)。同理由于電網(wǎng)60%負(fù)載的是感性負(fù)載，這些負(fù)載按常規(guī)工頻條件設(shè)計工作在50HZ頻率條件下，而電感性負(fù)載主要作用是存在于磁性材料內(nèi)的磁埸強度，這些磁性材料體的激勵狀 態(tài)若處在合理的被高頻開關(guān)控制的工作狀態(tài)，就能使原先按50HZ設(shè)計的的電感量被放大了許 許多多倍，這樣就增強了工頻磁性材料的磁耦合性與互感性能，因而提高和解決電力系統(tǒng)的 送電、變電中電能轉(zhuǎn)換器效率；可克服電磁飽和的平頭電壓諧波、電流諧波等現(xiàn)象；從而可 以使得該電源端在電力傳輸中的電流波形、電壓波形、功率因素等重要的技術(shù)指標(biāo)，被校正 到最佳的工作狀態(tài)。這樣的結(jié)果就能使得前述中存在于某些控制器、轉(zhuǎn)換器中的一些不足和 問題，能得到了有效的改善，控制器、轉(zhuǎn)換器中多種諧波也隨之被抑止和有效克服。本發(fā)明是在原有正弦波函數(shù)的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)、校正成另一個正弦波函數(shù)的控制變量，為之 本方程式交流電功率控制器的控制改變，是時變的線性的高階的控制改變，所以能對電力、 電網(wǎng)的正弦波形的對稱、三相的平衡運行有著良好的功率因素性能。且本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)筒單、 元件用量少而經(jīng)典。因而設(shè)計、研制優(yōu)良控制器、轉(zhuǎn)換器，存在著巨大經(jīng)濟和社會價值。
權(quán)利要求
1、一種三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器，其特征在于包括交流電網(wǎng)電力輸入模塊(0)的L1、L2、L3三個輸出端與濾波模塊(1)連接；濾波模塊(1)的三個輸出端分別與IGBT模塊(5)的集電極(C)端、IGBT模塊(7)的集電極(C)端、IGBT模塊(9)的集電極C端連接；IGBT模塊(5)、(7)、(9)的集電極(C)端上設(shè)置了三個電流取樣模塊(2)、(3)、(4)；電流取樣模塊(2)、(3)、(4)獲取的電流信號與PWM電流取樣信號處理模塊(17)連接；濾波模塊(1)的三個輸出端點引線與三相同步信號(相位切換)模塊(15)連接；用三個串聯(lián)組合，其中第一串聯(lián)組為IGBT模塊(5)發(fā)射極E與IGBT模塊(6)集電極C連接，第二串聯(lián)組為IGBT模塊(7)發(fā)射極E與IGBT模塊(8)集電極C連接，第三串聯(lián)組為IGBT模塊(9)發(fā)射極E與IGBT模塊(10)集電極C連接；并將IGBT模塊(6)的E端、IGBT模塊(8)的E端、IGBT模塊(10)的E端并聯(lián)成一個公共端(11)；IGBT模塊(5)、IGBT模塊(6)、IGBT模塊(7)、IGBT模塊(8)、IGBT模塊(9)、IGBT模塊(10)中各自的控制極(G)分別與PWM調(diào)節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動)控制系統(tǒng)模塊(16)中的控制回路連接；IGBT模塊(5)的E端與IGBT模塊(6)的C端連接點，IGBT模塊(7)的E端與IGBT模塊(8)的C端連接點，IGBT模塊(9)的E端與IGBT模塊(10)的C端連接點，這三個連接點接入負(fù)載模塊(12)；負(fù)載模塊(12)通過傳感物理信號模塊(13)連接閉環(huán)控制物理信號處理模塊(14)；閉環(huán)控制物理信號處理模塊(14)與三相同步信號(相位切換)模塊(15)、電流取樣信號處理模塊(17)、同時連接PWM調(diào)節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動)控制系統(tǒng)模塊(16)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電功率控制器，其特征是所述的交流電網(wǎng)電力輸入模塊(0) 與三相同步信號(相位切換)模塊(15)之間設(shè)置具有缺相、欠壓、過壓保護功能的模塊(18)， 并與調(diào)節(jié)、校正、恒量、臨界節(jié)能(包括軟啟動)控制系統(tǒng)模塊(16)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器，其特征是控制器是 采用閉環(huán)隨機控制的方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力電子電路裝置，尤其是一種三相六開關(guān)方程式交流電功率控制器。在連接于交流電網(wǎng)電力輸入模塊的L、L、L三個輸入端的濾波模塊的三個輸出端分別與三個IGBT模塊的集電極C端連接；三個IGBT模塊集電極C端上設(shè)置了三個PWM電流信號取樣模塊并與獲取的PWM電流信號端與PWM電流信號放大處理模塊連接；濾波模塊的三個輸出端點引線同時與三相同步信號、相位切換模塊和缺相、欠壓、過壓保護模塊連接；兩個IGBT模塊形成一個IGBT模塊組，每個IGBT模塊組中，發(fā)射極E與電極C串聯(lián)，三個IGBT模塊的E端并聯(lián)成了一個公共端。本發(fā)明對交流電網(wǎng)電源則的電流引力干擾小、諧波污染低、控制性能優(yōu)良的。
文檔編號H02M5/00GK101232250SQ20081005935
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者徐德鴻, 朱利法, 朱甜園, 錢照明 申請人:浙江大學(xué)