專利名稱：基于ac/ac斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器，屬于電能變換 裝置中的交流穩(wěn)壓器。
二背景技術(shù)：
我國外界電網(wǎng)電壓波動較大，存在著各種干擾，特別是近年來隨著國民經(jīng)濟的發(fā) 展，用電需求量急速上升，電力電子裝置等非線性設(shè)備的逐漸普及給電網(wǎng)產(chǎn)生了嚴重的諧 波污染，嚴重影響儀器設(shè)備及家用電器的正常工作，因此，交流穩(wěn)壓器就成為許多重要設(shè)備 必不可少的供電設(shè)備。目前實際應(yīng)用的交流穩(wěn)壓器種類很多，包括磁飽和穩(wěn)壓器、參數(shù)型穩(wěn) 壓器和補償式穩(wěn)壓器，其中補償式穩(wěn)壓器使用最為廣泛，又可分為接觸式調(diào)壓器和可控硅 或繼電器調(diào)感的補償式交流穩(wěn)壓器等。其中磁飽和穩(wěn)壓器體積大、重量重、效率低。參數(shù)型 穩(wěn)壓器在啟動過程會引起輸出電壓大的波動，其波動電壓可達到兩倍輸出電壓；由于電感 的存在，在接通或斷開同一交流穩(wěn)壓器的負載時，會嚴重干擾其他設(shè)備。接觸式調(diào)壓器使用 伺服電機改變調(diào)壓器的二次電壓來改變補償電壓，反應(yīng)速度慢，主要問題是由于有觸點，機 械傳動系統(tǒng)噪聲大、易磨損、體積大、成本高、維修困難。晶閘管或繼電器調(diào)感的補償式交流 穩(wěn)壓器在穩(wěn)壓精度和效率上較磁飽和穩(wěn)壓器有了很大提高，但仍然采用重量重和體積大的 電抗器作主調(diào)回路；采用繼電器調(diào)感的補償式交流穩(wěn)壓器仍然有機械觸點存在，而采用晶 閘管調(diào)感的交流穩(wěn)壓器在調(diào)節(jié)過程中容易產(chǎn)生晶閘管共態(tài)導(dǎo)通，使晶閘管損壞；并且這種 調(diào)感式的交流穩(wěn)壓器的輸出電壓為有極調(diào)節(jié)，輸出電壓不平滑，僅能調(diào)節(jié)有效值，對輸入電 壓波形畸變并沒有調(diào)節(jié)或抑制能力，不能調(diào)節(jié)輸出電壓的正弦度。總之，目前應(yīng)用的各種交 流穩(wěn)壓器均存在著明顯的缺陷，特別是不能有效地消除各種電磁擾動，這成為我國電源技 術(shù)工作者面臨的重大課題。三、發(fā)明內(nèi)容1、目的本實用新型的目的是提供一種無觸點能實現(xiàn)輸出電壓快速平滑調(diào)節(jié)且具 有波形調(diào)節(jié)能力的電能質(zhì)量補償器。2、技術(shù)方案為了解決上述的問題，本實用新型的基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電 能質(zhì)量補償器，包括AC/AC斬波器電路1、補償變壓器2和濾波電路3 ；AC/AC斬波器電路1 包括第一雙向開關(guān)Q1、第二雙向開關(guān)Q2、第三雙向開關(guān)Q3、第四雙向開關(guān)Q4、橋臂輸出濾波 電容C。；濾波電路3包括輸出濾波電感Lf、輸出濾波電容Cf ；AC/AC斬波器電路1的輸入端 接外界電網(wǎng)電壓Ui, AC/AC斬波器電路1的輸出端接補償變壓器2的原邊，補償變壓器2的 副邊串聯(lián)在外界電網(wǎng)電壓Ui的輸出端和濾波電路3之間，濾波電路3的輸出接外界負載Z。 本發(fā)明的基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器的特征在于，AC/AC斬波器電路1中， 第一雙向開關(guān)Q1的一端和第二雙向開關(guān)92的一端連接于第一橋臂中點A，構(gòu)成第一橋臂，第 三雙向開關(guān)Q3的一端和第四雙向開關(guān)Q4的一端連接于第二橋臂中點B，構(gòu)成第二橋臂；第 一雙向開關(guān)Q1的另一端和第三雙向開關(guān)Q3的另一端連接到外界電網(wǎng)電壓Ui的輸出端，第 二雙向開關(guān)Q2的另一端和第四雙向開關(guān)Q4的另一端連接到外界電網(wǎng)電壓的負極即“地”，橋臂輸出濾波電容C。的一端連到第一橋臂中點A，橋臂輸出濾波電容C。的另一端連到第二橋 臂中點B ；補償變壓器2的原邊第一端(P1)和補償變壓器2的副邊第一端S1為同名端，補 償變壓器2的原邊第二端p2和補償變壓器2的副邊第二端S2為同名端；補償變壓器2的原 邊第一端P1連到第一橋臂中點A，補償變壓器2的原邊第二端p2連到第二橋臂中點B，補 償變壓器2的副邊第二端S2連到外界電網(wǎng)電壓Ui的輸出端，補償變壓器2的副邊第一端S1 連到輸出濾波電感Lf的一端；輸出濾波電感Lf的另一端和輸出濾波電容Cf的一端相連，構(gòu) 成輸出濾波電路3，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf的連接點接外界負載Z的一端，輸 出濾波電容Cf的另一端和外界負載Z的另一端同時接“地”。3、有益效果本實用新型具有如下優(yōu)點采用交交直接變換的AC/AC斬波器電路 完成電壓補償，既能完全完成所需功能又簡化了電路。若采用傳統(tǒng)的AC/DC加DC/AC的兩級 電路結(jié)構(gòu)構(gòu)建補償單元，兩級電路都需能夠雙向流通能量，需分別加以控制和判斷，又需整 體協(xié)調(diào)控制，需對直流母線電壓進行穩(wěn)壓，電路結(jié)構(gòu)和控制上都十分復(fù)雜，開銷大；通過對 AC/AC斬波器工作橋臂的選擇，可以很方便地選擇進行正補償還是負補償。而這在使用兩級 式結(jié)構(gòu)時實現(xiàn)起來十分復(fù)雜；根據(jù)輸入電壓瞬時值計算占空比調(diào)節(jié)補償電壓，該方法使得 輸出電壓的瞬時值也能得到控制，補償器對輸入電壓的閃變、畸變等都能進行補償和抑制， 這在補償單元采用兩級式結(jié)構(gòu)時也可以做到但實現(xiàn)算法復(fù)雜，而調(diào)感式穩(wěn)壓器等傳統(tǒng)交流 穩(wěn)壓器只能控制輸出電壓的有效值；本實用新型完全采用電子開關(guān)，無機械切換觸點；采 用AC/AC變換電路作為補償電路，使用器件少，沒有調(diào)感式補償器的電抗器，且補償變壓器 工作高頻調(diào)制狀態(tài)，這些都極大地減小整體的體積重量；電路結(jié)構(gòu)和控制算法都比較簡單， 易于實現(xiàn)；對輸出電壓進行無極平滑調(diào)節(jié)，動態(tài)響應(yīng)快；對輸出電壓的瞬時值進行控制，輸 出電壓波形正弦質(zhì)量很高，對外界電網(wǎng)電壓閃變、諧波等具有抑制作用。

附圖1是基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器電路結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是雙向開關(guān)實際構(gòu)造圖。附圖3是開關(guān)模態(tài)I示意圖。附圖4是開關(guān)模態(tài)II示意圖。附圖5是開關(guān)模態(tài)III示意圖。附圖6是開關(guān)模態(tài)IV示意圖。附圖7是基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器采用的控制框圖。附圖中，1是AC/AC斬波器電路、2是補償變壓器、3是濾波電路;A是第一橋臂中 點，即第一雙向開關(guān)Q1和第二雙向Q2的連接點；B是第二橋臂中點，即第三雙向開關(guān)Q3和第 四雙向開關(guān)Q4的連接點；C。是橋臂輸出濾波電容；Cf是輸出濾波電容；i。是輸出電流；Lf是 輸出濾波電感職 P2是補償變壓器原邊兩端誶 Q4是第一 第四雙向開關(guān)；Sl S2是 補償變壓器副邊兩端；1^是橋臂電壓，即第一橋臂中點A和第二橋臂中點B之間的電壓；U。 是補償電壓，即補償變壓器2副邊電壓，補償變壓器2的原副邊匝比為n，uc = UabAI ;Ui是 補償變壓器輸入電壓，即外界電網(wǎng)電壓；U。是本發(fā)明的基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì) 量補償器的輸出電壓；U,是AC/AC斬波器電路的電壓基準；us是補償變壓器2輸出電壓即 濾波前電感，Us = Ui-Uc ；Usin是輸出電壓基準，即理想電壓；uz是線路阻抗上的壓降；Z是外
4界負載。
四具體實施方式
如附圖1所示，其結(jié)構(gòu)是AC/AC斬波器電路1的輸入端接外界電網(wǎng)電壓Ui，AC/AC 斬波器電路1的輸出端接補償變壓器2的原邊，補償變壓器2的副邊串聯(lián)在外界電網(wǎng)電壓 Ui的輸出端和濾波電路3之間，濾波電路3的輸出接外界負載Z ;AC/AC斬波器電路1中，第 一雙向開關(guān)Q1的一端和第二雙向開關(guān)92的一端連接于第一橋臂中點A，構(gòu)成第一橋臂，第 三雙向開關(guān)Q3的一端和第四雙向開關(guān)Q4的一端連接于第二橋臂中點B，構(gòu)成第二橋臂；第 一雙向開關(guān)Q1的另一端和第三雙向開關(guān)Q3的另一端連接到外界電網(wǎng)電壓Ui的輸出端，第 二雙向開關(guān)Q2的另一端和第四雙向開關(guān)Q4的另一端連接到外界電網(wǎng)電壓的負極即“地”， 橋臂輸出濾波電容C。的一端連到第一橋臂中點A，橋臂輸出濾波電容C。的另一端連到第二 橋臂中點B ；補償變壓器2的原邊第一端(P1)和補償變壓器2的副邊第一端S1為同名端， 補償變壓器2的原邊第二端p2和補償變壓器2的副邊第二端S2為同名端；補償變壓器2的 原邊第一端P1連到第一橋臂中點A，補償變壓器2的原邊第二端p2連到第二橋臂中點B，補 償變壓器2的副邊第二端S2連到外界電網(wǎng)電壓Ui的輸出端，補償變壓器2的副邊第一端S1 連到輸出濾波電感Lf的一端；輸出濾波電感Lf的另一端和輸出濾波電容Cf的一端相連，構(gòu) 成輸出濾波電路3，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf的連接點接外界負載Z的一端，輸 出濾波電容Cf的另一端和外界負載Z的另一端同時接“地”。如附圖2所示，其結(jié)構(gòu)是第一 第四雙向開關(guān)Q1 Q4的具體構(gòu)造，是通過將兩個 MOS型器件的陰極相連構(gòu)成，兩個MOS型器件的陽極作為雙向開關(guān)的兩端。本實用新型的基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器的工作原理是工作 時，由于補償變壓器串聯(lián)在輸入與負載之間，本補償器的輸出電壓為外界電網(wǎng)電壓Ui減去 補償電壓U。經(jīng)濾波得到，AC/AC斬波器工作于PWM調(diào)制方式，產(chǎn)生的高頻電壓調(diào)制波即補償 電壓U。與外界電網(wǎng)電壓諧波含量大小相等、方向相反，補償變壓器工作時相當于一個受控 電壓源，補償電壓U。與外界電網(wǎng)電壓諧波相互抵消，達到補償諧波電壓的目的，經(jīng)濾波后得 到幅值穩(wěn)定、正弦度很高的輸出電壓。AC/AC斬波器采用全橋拓撲結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生補償電壓，AC/ AC斬波器采用雙向開關(guān)，可四象限運行，實現(xiàn)能量雙向流動；當Q4保持閉合，Q3保持斷開，第 一橋臂調(diào)制工作時，AC/AC斬波器輸出電壓極性與輸入電壓極性相同，當Q2保持導(dǎo)通，Q1保 持斷開，第二橋臂)調(diào)制工作時，AC/AC斬波器輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，因而既 可以對外界電網(wǎng)電壓進行負補償，在外界電網(wǎng)電壓高于理想電壓時將其減去一個差值，也 可以對外界電網(wǎng)電壓進行正補償，在外界電網(wǎng)電壓低于理想電壓時將其加上一個增量。AC/ AC斬波器輸出電壓的大小通過PWM調(diào)制進行調(diào)節(jié)，AC/AC斬波器的輸出同輸入成比例，比例 系數(shù)即占空比。將輸入電壓的瞬時值和所需理想正弦波(即輸出電壓基準)的差值(即輸 入電壓諧波含量)作為全橋AC/AC斬波器電壓基準來計算占空比，得到的全橋AC/AC斬波 器輸出電壓即完全跟蹤輸入電壓諧波含量，則外界電網(wǎng)電壓和全橋AC/AC斬波器的輸出電 壓做差后得到的補償器輸出電壓將同理想正弦波完全相等。實際上考慮線路阻抗和濾波電 感上也有一部分很小的壓降，可采樣輸出電流計算線路壓降對全橋AC/AC斬波器電壓基準 進行一定補償。下面以附圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖3 附圖6來敘述本發(fā)明的基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器的具體工作模態(tài)。本實用新型的基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型 電能質(zhì)量補償器包括附圖3 附圖6所示的四個開關(guān)模態(tài)。在電網(wǎng)電壓大于理想電壓時，需要進行負補償以降低輸入的電網(wǎng)電壓。此時第一 橋臂調(diào)理工作。第二橋臂不工作，第三開關(guān)S3保持閉合，第四開關(guān)S4保持斷開。此時電路 主要包括兩個工作模態(tài)如附圖3所示的開關(guān)模態(tài)I，第一雙向開關(guān)Q1開通，第二雙向開關(guān)Q2關(guān)斷，橋臂輸 出電壓即為外界電網(wǎng)電壓UAB = Ui,補償變壓器2的原副邊匝比為n，其副邊輸出即補償電 壓Uc = UabAI,補償變壓器輸出電壓為Us = Ui-Uc < Ui。如附圖4所示的開關(guān)模態(tài)II，第一雙向開關(guān)Q1關(guān)斷，第二雙向開關(guān)Q2開通，橋臂 輸出電壓為零電位uAB = 0，補償變壓器2的副邊輸出即補償電壓u。= 0，補償變壓器輸出
電壓為 Us = Ui-Uc = UiO經(jīng)濾波電路3濾波后，輸出電壓U。近似等于理想電壓。在外界電網(wǎng)電壓小于理想電壓時，需要進行正補償以升高輸入的電網(wǎng)電壓。此時 第一橋臂不工作，第二橋臂調(diào)理工作，第一雙向開關(guān)S1保持閉合，第二雙向開關(guān)S2保持斷 開。此時電路主要包括兩個工作模態(tài)如附圖5所示的開關(guān)模態(tài)III，第三雙向開關(guān)Q3開通，第四雙向開關(guān)Q4關(guān)斷，橋 臂輸出電壓即為負的外界電網(wǎng)電壓=Uab = -Ui,補償變壓器2的副邊輸出即補償電壓U。 =-uAB/n，補償變壓器器輸出電壓為us = Ui-Uc > Ui。如附圖6所示，第三雙向開關(guān)Q3關(guān)斷，第四雙向開關(guān)Q4開通，橋臂輸出電壓為零電 位uAB = 0，補償變壓器2的副邊輸出即補償電壓u。= 0，補償變壓器輸出電壓為Us = Ui-Uc
=UiO經(jīng)濾波電路3濾波后，輸出電壓U。近似等于理想電壓。為實現(xiàn)上述工作原理，基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器采用的控制框 圖如附圖7所示，其結(jié)構(gòu)是采樣外界電網(wǎng)電壓Ui，經(jīng)鎖相環(huán)后得到與外界電網(wǎng)電壓同步的輸 出電壓基準Usin，采樣輸出電流i。乘以線路阻抗后得到線路壓降uz。外界電網(wǎng)電壓Ui減去 輸出電壓基準Usin，再加上線路壓降uz后得到AC/AC斬波器電壓基準~。根據(jù)AC/AC斬波 器電壓基準 和外界電網(wǎng)電壓Ui經(jīng)運算得到當前所需的占空比d。根據(jù)AC/AC斬波器電 壓基準 的極性對占空比d進行邏輯運算得到雙向開關(guān)Q1 Q4的驅(qū)動Cl1 d4，控制雙向 開關(guān)Q1 Q4的開關(guān)，對補償電壓U。進行調(diào)節(jié)進而調(diào)節(jié)輸出電壓。以上控制策略很好的實 現(xiàn)了對輸出電壓幅值和波形的調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求一種基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器，包括AC/AC斬波器電路(1)、補償變壓器(2)和濾波電路(3)，其特征在于，AC/AC斬波器電路(1)中，第一雙向開關(guān)(Q1)的一端和第二雙向開關(guān)(Q2)的一端連接于第一橋臂中點(A)，構(gòu)成第一橋臂，第三雙向開關(guān)(Q3)的一端和第四雙向開關(guān)(Q4)的一端連接于第二橋臂中點(B)，構(gòu)成第二橋臂；第一雙向開關(guān)(Q1)的另一端和第三雙向開關(guān)(Q3)的另一端連接到外界電網(wǎng)電壓(ui)的輸出端，第二雙向開關(guān)(Q2)的另一端和第四雙向開關(guān)(Q4)的另一端連接到外界電網(wǎng)電壓的負極即“地”，橋臂輸出濾波電容(Cc)的一端連到第一橋臂中點(A)，橋臂輸出濾波電容(Cc)的另一端連到第二橋臂中點(B)；補償變壓器(2)的原邊第一端(p1)和補償變壓器(2)的副邊第一端(s1)為同名端，補償變壓器(2)的原邊第二端(p2)和補償變壓器(2)的副邊第二端(s2)為同名端；補償變壓器(2)的原邊第一端(p1)連到第一橋臂中點(A)，補償變壓器(2)的原邊第二端(p2)連到第二橋臂中點(B)，補償變壓器(2)的副邊第二端(s2)連到外界電網(wǎng)電壓(ui)的輸出端，補償變壓器(2)的副邊第一端(s1)連到輸出濾波電感(Lf)的一端；輸出濾波電感(Lf)的另一端和輸出濾波電容(Cf)的一端相連，構(gòu)成輸出濾波電路(3)，輸出濾波電感(Lf)和輸出濾波電容(Cf)的連接點接外界負載(Z)的一端，輸出濾波電容(Cf)的另一端和外界負載(Z)的另一端同時接“地”。
專利摘要本實用新型是基于AC/AC斬波器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器，由AC/AC斬波器電路、補償變壓器、輸出濾波電路構(gòu)成。主要優(yōu)點有無調(diào)感式補償器的電抗器，且補償變壓器工作在高頻調(diào)制狀態(tài)，減小整體的體積重量；對輸出電壓進行無極平滑調(diào)節(jié)，動態(tài)響應(yīng)快；對輸出電壓的瞬時值進行控制，輸出電壓波形正弦質(zhì)量高，對外界電網(wǎng)電壓閃變、諧波等具有抑制作用；電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，在AC/AC電路中屬于使用器件較少的，電路開銷小。
文檔編號H02M5/10GK201717789SQ20102025302
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者嵇保健, 張廣明, 湯斐挺, 洪峰, 竇迅 申請人:南京工業(yè)大學(xué)