專利名稱：?jiǎn)蜗嗟饺嗟霓D(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于轉(zhuǎn)換電能的轉(zhuǎn)換器，具體來說，涉及一種將電能 從單相電源轉(zhuǎn)換到三相負(fù)載的轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
通過使用將輸入的單相電源轉(zhuǎn)換為三相輸出電壓的轉(zhuǎn)換器，單相AC 電壓常常用于為三相負(fù)栽供電。轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)包括輸入電橋、DC鏈 路和逆變器級(jí)。輸入電橋，如二極管整流器，對(duì)輸入的AC電壓進(jìn)行整流。 輸入電橋也可以包含用于抑制電流諧波的電感器和功率因數(shù)校正電路。
整流過的電壓被從整流器饋送到DC鏈路。此DC鏈路，也稱為中間 電壓電路，包含電容器或電容器組，用于存儲(chǔ)整流過的電壓并使其平滑化。
轉(zhuǎn)換器的逆變器級(jí)耦合到DC鏈路，并使用DC電壓來為負(fù)栽產(chǎn)生 AC電壓。借助逆變器所產(chǎn)生的AC電壓的大小和振幅是可變的，并且是 可控制的，從而可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并且因此形成AC驅(qū)動(dòng)。
轉(zhuǎn)換器的上述的lJ^部件形成了轉(zhuǎn)換器的主電路。此外，轉(zhuǎn)換器還包 含必要的測(cè)量和控制電路，用于接收測(cè)量到的反饋信號(hào)，并用于以所希望 的參考值的方式來驅(qū)動(dòng)負(fù)栽?？刂齐?使轉(zhuǎn)換器保持這樣的狀態(tài)，使得 可以實(shí)現(xiàn)與負(fù)載相關(guān)的所希望的控制作用。這樣的控制作用包括例如， 當(dāng)例如使用有源整流器時(shí)，使DC鏈路電壓保持在所希望的值。
圖1示出了一種單相到三相的轉(zhuǎn)換器17，該轉(zhuǎn)換器包含用于抑制電 流諧波的輸入濾波器11、用于對(duì)電力網(wǎng)16的AC電壓進(jìn)行整流的二極 管電橋12、電容器13和用于為負(fù)載15供給具有可變的振幅和頻率的電 壓的逆變器級(jí)14。在圖1、 2和3中，負(fù)載15表示電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)以 等效電路示出'
圖2又示出了單相到三相的轉(zhuǎn)換器的其他種結(jié)構(gòu)。在此現(xiàn)有技術(shù)修改 方案中，二極管電橋21包含用于校正輸入功率因數(shù)的簡(jiǎn)單電路，逆變器 級(jí)類似于圖1中的逆變器級(jí)。該升壓型功率因數(shù)校正(PFC)電路包括可
3控開關(guān)22、電感器23和二極管24。電感器23既用于減小電流諧波，也 作為用于使DC鏈路的電壓升壓的升壓電感器。二極管24需要在開關(guān)22 導(dǎo)通間隔期間防止DC電容器短路，并阻塞升壓的電壓。眾所周知，PFC 電路通過使從電力網(wǎng)提取的電流處于與電網(wǎng)電壓相同的相位和波形，對(duì)轉(zhuǎn) 換器的輸入功率因數(shù)進(jìn)行校正。
圖1和2的逆變器級(jí)14對(duì)于每個(gè)輸出相包含兩個(gè)可控開關(guān)，即，總 共六個(gè)開關(guān)，用于形成三相輸出。可控開關(guān)將輸出相連接到DC^的負(fù) 的或者正的電壓。通過調(diào)制逆變器的切換，以已知的方式實(shí)現(xiàn)具有可變頻 率的AC電壓。
圖1和2所示的結(jié)構(gòu)是用于低壓應(yīng)用的典型的轉(zhuǎn)換器的示例。這樣的 應(yīng)用可以包括家用電器中的特殊用途驅(qū)動(dòng)，其中電動(dòng)M選擇為三相電動(dòng) 機(jī)。圖1和2的轉(zhuǎn)換器也可以作為獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器來^^供，用于驅(qū)動(dòng)用戶定 義的應(yīng)用中的電動(dòng)機(jī)。這樣的應(yīng)用可以包括泵或itX機(jī)的驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)工具 的控制。
在圖1的結(jié)構(gòu)中，輸入濾波器必須是巨大的，以便使轉(zhuǎn)換器符合控制 電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)。圖2的結(jié)構(gòu)通過在饋送DC鏈路的PFC電路中使用可 控開關(guān)，可以最小化濾波扼流團(tuán)。
單相到三相的轉(zhuǎn)換器主要用于有單相電網(wǎng)電壓可用的家庭或小型工 業(yè)環(huán)境中。圖1的結(jié)構(gòu)具有較大的電感器和六個(gè)可控開關(guān)，這4吏得與部件 相關(guān)的成;M目當(dāng)高。在圖2的結(jié)構(gòu)中，可控開關(guān)的數(shù)量是七個(gè)，但是，所 使用的電感器更小且更為便宜。此外，圖l和2所示的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為只用 于一種電網(wǎng)電壓，因此，沒有提供通用結(jié)構(gòu)。這樣，與現(xiàn)有技術(shù)的單相到 三相的轉(zhuǎn)換器有關(guān)的問^A可控部件的數(shù)量和所需的較大的電感器，這兩 者都會(huì)顯著影響總制造成本。因此，值得希望的是，在將單相電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn) 換為三相輸出電壓并且可以以多種電網(wǎng)電壓來使用的輕型轉(zhuǎn)換器中使用 最小數(shù)量的可控開關(guān).
文件US 5,563,487公開了 一種針對(duì)感性負(fù)栽的控制電路。在此控制電 路中，整流器由二改管電橋以及形成PFC電路的可控開關(guān)和電感器構(gòu)成。 這些特征被記栽在權(quán)利要求1的前序部分中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種轉(zhuǎn)換器，以解決上面的問題。本發(fā)明的目的通過具有在獨(dú)立的權(quán)利要求中所述特征的轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求 中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
本發(fā)明基于利用可控開關(guān)形成三相逆變器輸出的兩相，而第三輸出相
由DC銜洛的中心點(diǎn)構(gòu)成。這樣，本發(fā)明的單相到三相的轉(zhuǎn)換器只包括 五個(gè)可控開關(guān)。整流器電^4I:供了其大小是電網(wǎng)電壓的最大值的DC電 壓。DC電壓可以通過使用PFC電路的升壓特征來提高。
在本發(fā)明中，轉(zhuǎn)換器是可更改的，使得為DC^產(chǎn)生的電壓倍增， 即，電壓的大小兩倍于電力網(wǎng)相電壓最大值或更大。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能4吏本 發(fā)明的轉(zhuǎn)換器用于較小的電網(wǎng)電壓中，而只需使用相同的部件布局稍作修 改。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是，與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)相比，用于主電流， 中的有源部件的數(shù)量減少。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是，該結(jié)構(gòu)能夠在需要時(shí)利 用倍壓器特征。此夕卜，轉(zhuǎn)換器的整流器和逆變器級(jí)也可以分別地予以優(yōu)化。


下面，將借助優(yōu)選的實(shí)施例參照附圖更為詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)；
圖2示出了另 一種現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的主電路；以及
圖4示出了轉(zhuǎn)換器的整流器的控制電路的示例。
具體實(shí)施例方式
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的單相到三相的轉(zhuǎn)換器31的結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu) 中，整流器級(jí)由具有輸入和輸出的二極管電橋Dl、 D2、 D3、 D4構(gòu)成。 在^l管Dl、 D2和二極管D3、 D4之間形成二極管電橋的輸入，而在 二極管D1、 D3和二極管D2、 D4之間形成輸出。電感器Lin連接到二 極管電橋的正輸入。
可控開關(guān)Srec連接在二極管電橋的輸出端子之間，而阻塞二極管Dp 連接到DC M的所iiJt輸出和正軌(rail)之間的4管電橋的正輸出。 類似地，另 一阻塞二極管連接在二極管電橋的負(fù)輸出和DC M的負(fù)^4l間。阻塞二極管的極性是這樣的，使得電流可以從二極管電橋的正輸出流
向DC^的正軌，并從DCM的負(fù)軌流向二極管電橋的負(fù)輸出。
二極管電橋中的可控開關(guān)Srec的用途是與電感器Lin —起作用來 校正功率因數(shù)，并用作升壓器。開關(guān)Srec以已知的方式被控制，以通過 修改輸入電流波形來進(jìn)行功率因數(shù)校正。
圖3示出了 DC絲，該DC鏈路包含電容器Cl和C2的串聯(lián)連接， 即，具有可被連接的中心點(diǎn)的電容器組。電容器組以普通方式跨接正的和 負(fù)的電壓軌。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的逆變器級(jí)由四個(gè)可控開關(guān)Sll、 S21、 S12、 S22以 及它們的并聯(lián)二極管Dll、 D21、 D12、 D22構(gòu)成。這些開關(guān)以^M目應(yīng)的 并聯(lián)二極管形成了三相輸出的兩相。這些輸出通it^ DC M的正的和負(fù) 的軌之間串聯(lián)開關(guān)而形成，輸出位于所述串聯(lián)連接的中間。利用這些開關(guān)， DC M的正的或者負(fù)的電壓可以連接到輸出。
盡管兩個(gè)輸出借助可控開關(guān)形成，但是，第三個(gè)輸出直接由電容器組 的中心點(diǎn)的電壓形成。雖然此輸出相不能以普通方式調(diào)制，但是其他兩個(gè) 相可被控制，使得第三相的電壓被考慮到。下面將簡(jiǎn)要地描述優(yōu)選的調(diào)制 方法。
圖3進(jìn)一步示出了連接開關(guān)CT，該連接開關(guān)例如可以是繼電器、接 觸器、跳線或類似可以用于將電容器組的中心點(diǎn)連接到AC電源的負(fù)輸入 的裝置。在連接開關(guān)CT被閉合的情況下，DC鏈路的電壓相對(duì)于處于斷 開狀態(tài)的接觸器倍增。這是因?yàn)閷?duì)DC鏈路電容器組充電的電流只對(duì)電 容器組的上半部或者下半部進(jìn)行充電。因此，當(dāng)電流從電力網(wǎng)通過二級(jí)管 Dl流動(dòng)，并且開關(guān)Srec正被阻塞時(shí)，電流通過二極管Dp和電容器Cl 返回到電力網(wǎng)。當(dāng)電流的方向相反，并且Srec正被阻塞時(shí)，電流流經(jīng)二 極管Dn和D2對(duì)電容器C2充電。電容器Cl和C2都充電到電網(wǎng)電壓的 最大值，從而，使DC鏈路的電壓倍增。
根據(jù)本發(fā)明，電容器組的中心點(diǎn)可連接到負(fù)的AC電源線。這意味著， 在轉(zhuǎn)換器電路中，存在可以以可選的方式用于使電路適應(yīng)不同的電源電壓 的裝置。當(dāng)使用電壓倍增功能時(shí)，即，當(dāng)連接中心點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)換器適用于較 低的電源電壓中，而無(wú)需任何其他變化。可以考慮的兩種電網(wǎng)電壓電平可 以是，例如，在美國(guó)使用的110VAC,以及在歐洲使用的230VAC。借助 轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)可以自動(dòng)地啟用或禁用電壓倍增功能，當(dāng)需要電壓倍增模式時(shí)，轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)將連接開關(guān)CT設(shè)置為ON狀態(tài)(導(dǎo)通)。當(dāng)不需 要電壓倍增時(shí)，轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)將連接開關(guān)CT設(shè)置為OFF狀態(tài)(阻塞)。 為進(jìn)行自動(dòng)連接切換控制，連接開關(guān)CT必須是可控的，例如，繼電器或 接觸器。甚至也可以使用半導(dǎo)體開關(guān)。連接開關(guān)CT也可以作為轉(zhuǎn)換器的 外殼中或外殼內(nèi)部的手動(dòng)IMt的轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。此外，也可以使用跳線 或類似的連接來實(shí)現(xiàn)連接開關(guān)CT。
當(dāng)電容器組和AC輸入之間的連接是可選的選項(xiàng)時(shí)，也應(yīng)該考慮改變 工作模式。這意味著，控制電路中的電壓平衡適用于選定的工作模式，即， "電壓倍增"或"無(wú)電壓倍增"。優(yōu)選的控制電路示出在圖4的框圖中并 且在下面予以描述。
即使電源電壓不容最終用戶選擇，但當(dāng)相同的電路配置可以使用于兩 個(gè)電壓電平時(shí)，也實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的節(jié)省。
單相到三相的轉(zhuǎn)換器也需要控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)用于以所需的方式控 制可控開關(guān)。在本發(fā)明中，對(duì)于整流器和逆變器級(jí)都需要控制系統(tǒng)，因?yàn)?兩者都包括可控開關(guān)。
整流器控制
圖4是一個(gè)框圖，該框圖示出了可以用于控制本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的整流 器的電路。如上所述，控制必須考慮本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以以其工作的兩種 模式，即，電壓倍增和"普通"整流電壓，這進(jìn)一步意味著，應(yīng)該確保電 容器組電壓的平衡。
當(dāng)使用電壓倍增時(shí)，圖4的控制系統(tǒng)按如下方式工作。借助塊41來
控制電容器組的總電壓，當(dāng)測(cè)量到的電容器組電壓Ude，咖as小于給定的參
考udc，ref時(shí)，塊41的輸出上升，而當(dāng)測(cè)量到的值高于該參考時(shí)，塊41
的輸出類似地下降。電壓控制塊的輸出直接影響線路電流參考iref，從而，
輸出控制移動(dòng)到中間電路的電荷，而電荷又影響電容器的電壓。
借助偏壓控制塊42來控制串聯(lián)的電容器之間的電壓平衡。當(dāng)下面的 電容器C2的電壓小于測(cè)量到的總電容器電壓的一半時(shí)，塊42的輸出增 加。偏壓控制塊42的輸出乘以線路電流的符號(hào)，之后，所獲得的信號(hào)被 添加到電壓控制塊41的輸出中。這樣，電容器之間的電壓平衡受到線路 電流參考的振幅的影響。
上面所獲得的和進(jìn)一步乘以線路電壓的波形，即，乘以測(cè)量到的線路
電壓，結(jié)果是線路電流參考iref。電流控制塊43將電流參考與測(cè)量到的電流值i咖as進(jìn)行比較，并通過
使用滯環(huán)控制，將開關(guān)Srec控制到導(dǎo)通或者阻塞狀態(tài)。塊43中所使用的 電流控制方法也可以是其他合適的控制方法。
當(dāng)電壓未倍增時(shí)，即，當(dāng)接觸器CT處于斷開狀態(tài)時(shí)，整流器控制被 簡(jiǎn)化。圖4中的虛線將控制電路劃分為兩個(gè)部分。當(dāng)不使用電壓倍增時(shí)， 即，當(dāng)不需要電壓平衡時(shí)，不需要下面的部分。簡(jiǎn)單地通過將零設(shè)置為偏 壓控制塊42的增益值，可以禁用平衡。當(dāng)塊42輸出零值時(shí)，它不影響總 電流和電壓控制。
如上所述，當(dāng)轉(zhuǎn)換器的主電路借助接觸器CT或通過可以以可選的方 式將電容器組的中心點(diǎn)連接到輸入電橋的任何其他類似的裝置而改變時(shí)， 控制電路也被改變。圖4的控制電路的改變可以通過使偏壓控制塊的輸出 的值改變?yōu)閬碜栽搲K的值或者零來進(jìn)行。類似地，也可以對(duì)塊42本身進(jìn) 行改變，使得它在控制操作中產(chǎn)生正常值或產(chǎn)生零。根據(jù)饋送到轉(zhuǎn)換器的 電壓電平，也可以使這些改變自動(dòng)化。
逆變器控制
逆變器級(jí)的調(diào)制例如可以通過使用空間矢量調(diào)制來進(jìn)行，如 Blaabjerg F.、 Neacsu D.O.、 Pedersen J.K.所著的"Adaptive SVM to Compensate DC Link Voltage Ripple for Four-Switch Three畫Phase Voltage-Source Inverters"所描述，該文發(fā)表于IEEE Transactions on Power Electronics, 1999年7月No.4，第14巻，第743-752頁(yè)。
用于調(diào)制逆變器級(jí)的另 一種可能性基于在矢量調(diào)制中使用滯后限制。 在Azab M.、 Orille A丄.所著的"Novel Flux and Torque Control of Induction Motor Drive Using Four Switch Three Phase Inverter" (The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON，Ol，第2巻，2001年11月29日至12月2日，第1268 - 1273頁(yè)) 以及SunD.、 HeZ.、 HeY.、 GuanY.所著的"Four-Switch Inverter Fed PMSM DTC with SVM Approach for Fault Tolerant Operation" (IEEE International Electric Machines & Drives Conference, 2007，第1, 3 - 5 巻，2007年5月，第295-299頁(yè))中都描述了這種調(diào)制。在這些調(diào)制方 案中，四個(gè)有效電壓矢量被逐一使用。當(dāng)根據(jù)控制算法，磁通或轉(zhuǎn)矩超過
所設(shè)置的滯后限制時(shí)，改變所使用的電壓矢量。
當(dāng)然，顯而易見的是，其他合適的調(diào)制原理也可以用于對(duì)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的逆變器級(jí)的調(diào)制中。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，本發(fā)明的構(gòu)思可 以以各種方式來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明及其實(shí)施例并不限于上文所描述的示例，而 是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求
1. 一種單相到三相的轉(zhuǎn)換器(31)，包括整流器級(jí)、直流鏈路和逆變器級(jí)，其中整流器包括濾波扼流圈(Lin)、一個(gè)用于功率因數(shù)校正的可控開關(guān)(Srec)、置于具有輸入端子和輸出端子的二極管電橋配置中的整流二極管(D1、D2、D3、D4)、連接到二極管電橋的輸出端子的可控開關(guān)(Srec)、置于二極管電橋的正輸出端子和直流鏈路的正輸入之間的上阻塞二極管(Dp)，以及置于二極管電橋的負(fù)輸出端子和直流鏈路的負(fù)輸入之間的下阻塞二極管(Dn)，直流鏈路包括在該直流鏈路之間連接的電容器組(C1、C2)，電容器組具有中心點(diǎn)，其特征在于，逆變器級(jí)包括三個(gè)相輸出，其中的兩個(gè)相輸出借助置于直流鏈路之間的用于將直流鏈路的正電壓或者負(fù)電壓切換到相輸出的可控開關(guān)(S11、S12、S21、S22)的串行連接來形成，而一個(gè)相輸出由電容器組(C1、C2)的中心點(diǎn)的電壓形成，以及電容器組的中心點(diǎn)被配置為通過使用連接開關(guān)(CT)元件以可選的方式連接到單相交流輸入的中性線，從而向直流鏈路提供倍增的電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，連接開關(guān)(CT)元 件借助繼電器、接觸器、半導(dǎo)體開關(guān)或類似的受控電路部件來實(shí)現(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，電容器組的中心點(diǎn) 能夠通過使用手動(dòng)IMt開關(guān)連接到交流輸入的中性線.
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，電容器組的中心點(diǎn) 能夠通過使用跳線連接到交流輸入的中性線。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 轉(zhuǎn)換器也包括用于控制可控開關(guān)的控制電路，控制電路具有兩個(gè)工作模 式，當(dāng)電容器的中心點(diǎn)連接到單相交流輸入的中性線時(shí)，使用第一工作模 式，當(dāng)電容器的中心點(diǎn)未連接到單相交流輸入的中性線時(shí)，使用第二工作 模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單相到三相的轉(zhuǎn)換器，包括整流器級(jí)、直流鏈路和逆變器級(jí)，其中整流器包括濾波器扼流圈、一個(gè)用于功率因數(shù)校正的可控開關(guān)、置于二極管電橋配置中的整流二極管、連接到二極管電橋的輸出端子的可控開關(guān)、上阻塞二極管，以及下阻塞二極管，直流鏈路包括在直流鏈路之間連接的電容器組，電容器組具有中心點(diǎn)，逆變器級(jí)包括三相輸出，其中的兩相輸出借助置于直流鏈路之間的用于將直流鏈路的正電壓或者負(fù)電壓切換到相輸出的可控開關(guān)的串行連接來形成，而一個(gè)相輸出由電容器組的中心點(diǎn)的電壓形成，電容器組的中心點(diǎn)被配置為通過使用連接開關(guān)元件以可選的方式連接到單相交流輸入的中性線，從而向直流鏈路提供倍增的電壓。
文檔編號(hào)H02M7/44GK101442263SQ200810212229
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者埃爾基·尼米, 泰勒·維塔寧 申請(qǐng)人:Abb公司