專利名稱：三相ac-ac直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電能變換方法，特別是涉及一種三相AC-AC直接頻率變換器新拓撲結(jié)構(gòu)及控制方法。
背景技術(shù)：
在電能的變換和利用中，AC-AC變換器具有重要地位，它能實現(xiàn)電能的直接變換，不需要中間環(huán)節(jié)，從而提高效率，總體分為變壓不變頻和直接變壓變頻兩方面。在變壓不變頻方面，比較成熟的技術(shù)有晶閘管調(diào)壓控制器，PWM控制的AC-AC變換器等。在實現(xiàn)AC-AC直接頻率變換方面，比較早的技術(shù)是基于晶閘管的周波變換器技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展非常成熟，缺點是所用的器件數(shù)目多，輸入輸出特性差，交流輸入電流諧波嚴重，變頻范圍比較狹窄，且為減小脈動，器件數(shù)目成倍增加，抵消了成本優(yōu)勢。矩陣式變換器于1980年被提出，經(jīng)過30年的發(fā)展，到最近10年間逐步成熟并實現(xiàn)商品化，其優(yōu)點是正弦輸入輸出電流，輸出頻率不受輸入頻率的限制，輸入功率因數(shù)高，能量雙向流動，直接實現(xiàn)變頻，無中間直流環(huán)節(jié)及其濾波元件，變換效率高，省去了直流側(cè)大電容，將使體積減小，且容易實現(xiàn)集成化和功率模塊化。但矩陣變換器的控制策略復雜，計算工作繁重；為了實現(xiàn)安全換流，通常采用四步換流法，增加了控制難度，降低了系統(tǒng)可靠性，開關(guān)數(shù)量多，系統(tǒng)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種拓撲簡潔、功率變換級數(shù)少、可靠性高的一種三相AC-AC直接頻率變換器及其控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括三相電源、濾波器、主電路和緩沖電路，其特征是電源U接濾波電路再接主電路，主電路接緩沖電路。所述的主電路包括第一到第十五全控型器件(以IGBT為例說明，其它全控型器件如 PowerMOSFET，IGCT 等也能實現(xiàn)此功能)VI、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、VIO、V11、V12、￥13、￥14、￥15，第一到第九二極管01、02、03、06、07、08、011、012、013 ;第一全控型器件 Vl和第二全控型器件V2劃為組I，第三全控型器件V3、第四全控型器件V4和第五全控型器件V5劃為組2，第六全控型器件V6和第七全控型器件V7劃為組3，第八全控型器件V8、第九全控型器件V9和第十全控型器件VlO劃為組4，第十一全控型器件Vll和第十二全控型器件V12劃為組5，第十三全控型器件V13、第十四全控型器件V14和第十五全控型器件V15劃為組6 ;第三全控型器件V3的發(fā)射極與第十全控型器件VlO發(fā)射極、第十五全控型器件V15的發(fā)射極相連，第四全控型器件V4發(fā)射極與第十四全控型器件V14發(fā)射極、第八全控型器件V8發(fā)射極相連，第五全控型器件V5發(fā)射極與第九全控型器件V9發(fā)射極和第十三全 控型器件V13發(fā)射極相連；第三全控型器件V3的集電極接第十二全控型器件V12的發(fā)射極和第十一全控型器件Vll的集電極，第十二全控型器件V12的集電極分別與第二全控型器件V2和第七全控型器件V7的集電極相連，第十一全控型器件Vll的發(fā)射極與第四全控型器件V4和第五全控型器件V5的集電極相接，第十一全控型器件Vll的發(fā)射極還與負載的c端相接；第十三全控型器件V13的集電極接第七全控型器件V7的發(fā)射極和第六全控型器件V6的集電極，第十四全控型器件V14和第十五全控型器件V15的集電極相接后再接第六全控型器件V6的發(fā)射極，第六全控型器件V6的發(fā)射極還與負載的b端相連；第八全控型器件V8的集電極接第二全控型器件V2的發(fā)射極和第一全控型器件Vl的集電極，第九全控型器件V9的集電極和第十全控型器件VlO的集電極相連接后與第一全控型器件Vl的發(fā)射極相接，第一全控型器件Vl的發(fā)射極還與負載的a端相接；第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D6、第五二極管D7、第六二極管D8、第七二極管D11、第八二極管D12、第九二極管D13分別與第一全控型器件VI、第二全控型器件 V2、第三全控型器件V3、第六全控型器件V6、第七全控型器件V7、第八全控型器件V8、第i^一全控型器件VII、第十二全控型器件V12、第十三全控型器件V13反向并聯(lián)。所述的濾波電路包括第一到第三濾波電容Cl、C2、C3和第一到第三濾波電感電感L1、L2、L3 ;三相電源的Ua接第一濾波電感LI 一端，第一濾波電感LI另一端接第一濾波電容Cl和第四全控型器件V4、第十四全控型器件V14和第八全控型器件V8的發(fā)射極，三相電源的Ub接第二濾波電感L2 —端，第二濾波電感L2另一端接第二濾波電容(C2)和第五全控型器件V5、第十三全控型器件V13和第九全控型器件V9的發(fā)射極；三相電源的U。接第三濾波電感L3 —端，第三濾波電感L3另一端接第三濾波電容(C3)和第三全控型器件V3、第十五全控型器件V15、第十全控型器件VlO的發(fā)射極；第一濾波電容Cl、第二濾波電容C2、第三濾波電容C3與濾波電感連接的另一端相互連接。所述的緩沖電路包括第一到第三緩沖電容Csbl、Csb2、Csb3，第一到第六緩沖電阻Rsbl、Rsb2、Rsb3、Rsbll、Rsb22、Rsb33，第十到第十二二極管 DIR、D6R、DllR 和第十六到第十八全控型器件V1R、V6R、VllR ;負載的a端接第十六全控型器件VlR的集電極，第一緩沖電容Csbl、第四緩沖電阻Rsbll串聯(lián)后與第一緩沖電阻Rsbl并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端與第十六全控型器件VlR的發(fā)射極相連，阻容回路的另一端接第二全控型器件V2的發(fā)射極；負載的b端接第十七全控型器件V6R的集電極，第二緩沖電容Csb2、第五緩沖電阻Rsb22串聯(lián)然后與第二緩沖電阻Rsb2并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端與第十七全控型器件V6R的發(fā)射極相連，阻容回路的另一端接第七全控型器件V7的發(fā)射極；負載的c端接第十八全控型器件Vl IR的集電極，第三緩沖電容Csb3、第六緩沖電阻Rsb33串聯(lián)然后與第三緩沖電阻Rsb3并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端與第十八全控型器件VllR的發(fā)射極相連，阻容回路的另一端接第十二全控型器件V12的發(fā)射極；第十六全控型器件V1R、第十七全控型器件V6R、第十八全控型器件VlIR的發(fā)射極相接，第十極管D1R、第十一極管D6R、第十二極管DllR分別反向并聯(lián)在第十六全控型器件V1R、第十七全控型器件V6R、第十八全控型器件VllR的兩端。三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)的控制方法是第一種控制方法是SPWM控制方式，用6路SPWM脈沖觸發(fā)組I、組2、組3、組4、組5和組6六組全控型器件，通過控制SPWM脈沖的調(diào)制波頻率得到所需頻率的三相交流電流、電壓；第二種控制方法是滯環(huán)電流控制，采用恒頻率的方式對參考電流與實際輸出電流進行采樣比較，若參考電流大于實際輸出電流，則打開相應的開關(guān)組合使實際電流增大，若參考電流小于實際輸出電流，則打開相應開關(guān)組合使輸出電流減小，通過控制參考電流的頻率得到所需頻率的三相交流電流、電壓。本發(fā)明的優(yōu)點在于拓撲結(jié)構(gòu)簡單，換流的可靠性提高；控制策略簡單，靈活和動態(tài)響應好。為實現(xiàn)拓撲簡潔、功率變換級數(shù)少、變換效率和功率密度高、輸出波形質(zhì)量高、可靠性高的新型電力電子變壓器、正弦交流調(diào)壓器、新型交-交變頻器、電力系統(tǒng)無功功率調(diào)節(jié)器等奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。


圖I為三相AC-AC直接頻率變換器新拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖2為SPWM控制時三相輸入線電壓波形圖；圖3為SPWM控制輸出電壓波形圖；圖4為SPWM控制輸出電流波形圖；圖5為滯環(huán)電流控制時三相輸入線電壓波形圖；圖6為滯環(huán)電流控制輸出電壓波形圖；圖7為滯環(huán)電流控制輸出電流波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更詳細的描述結(jié)合圖I。UA、UjPUB為分別為三相交流電源的相電壓，第一濾波電感LI、第二濾波電感L2、第三濾波電感L3、第一濾波電容Cl、第二濾波電容C2、第三濾波電容C3為濾波器，第一全控型器件VI、第二全控型器件V2、第三全控型器件V3、第四全控型器件V4、第五全控型器件V5、第六全控型器件V6、第七全控型器件V7、第八全控型器件V8、第九全控型器件V9、第十全控型器件V10、第i^一全控型器件VII、第十二全控型器件V12、第十三全控型器件V13、第十四全控型器件V14和第十五全控型器件V15為15個單向全控型開關(guān)器件，其中，第一全控型器件VI、第二全控型器件V2劃為組1，第三全控型器件V3、第四全控型器件V4、第五全控型器件V5劃為組2，第六全控型器件V6、第七全控型器件V7劃為組3，第八全控型器件V8、第九全控型器件V9、第十全控型器件VlO劃為組4，第十一全控型器件VII、第十二全控型器件V12劃為組5，第十三全控型器件V13、第十四全控型器件V14、第十五全控型器件V15劃為組6 ;第一二極管D 1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D6、第五二極管D7、第六二極管D8、第七二極管D11、第八二極管D12、第九二極管D13為9個與相應開關(guān)器件反并聯(lián)的二極管；第一緩沖電阻Rsbl、第四緩沖電阻Rsbll、第一緩沖電容Csbl、第十六全控型器件V1R、第十二極管D1R、第二緩沖電阻Rsb2、第五緩沖電阻Rsb22、第二緩沖電容Csb2、第十七全控型器件V6R、第i^一二極管D6R、第三緩沖電阻Rsb3、第六緩沖電阻Rsb33、第三緩沖電容Csb3、第十八全控型器件V11R、第十二二極管DllR組成緩沖電路，第十八全控型器件Vl IR屬于組2，第十七全控型器件V6R屬于組6，第十六全控型器件VlR屬于組4。此拓撲結(jié)構(gòu)的任意時刻都有3組開關(guān)保持導通，組I和組4不能同時導通；組3和組6不能同時導通；組2和組5不能同時導通，它們的控制信號在相位上互補，否則會造成電源短路。若構(gòu)造正的輸出電壓Uab’將組I和組6觸發(fā)導通，若此時三相電源電壓UA>UB>UC，則相電壓A經(jīng)第六二極管D8、第一全控型器件Vl加在負載a端上，由于UB>UC，輸出b端經(jīng)第十五全控型器件V15連到相電壓C上，輸出電壓Uab即為輸入線電壓Uac ;若此時三相電源電壓UA>UC>UB，則相電壓A經(jīng)第六二極管D8、第一全控型器件Vl加在負載a端上，由于此時UC>UB，輸出b端經(jīng)第四二極管D6、第十三全控型器件V13連到相電壓B上，輸出電壓Uab即為輸入線電壓Uab ;若此時三相電源電壓貝U相電壓B經(jīng)第九二極管D13、第五二極管D7、第二全控型器件V2、第一全控型器件Vl加在負載a端上，由于此時UA>UC，輸出b端經(jīng)第十五全控型器件V15連到相電壓C上，輸出電壓Uab即為輸入線電壓Ubc ;若此時三相電源電壓UB>UC>UA，則相電壓B經(jīng)第九二極管D13、第五二極管D7、第二全控型器件V2、第一全控型器件Vl加在負載a端上，由于此時UC>UA，輸出b端經(jīng)第十四全控型器件V14連到相電壓A上，輸出電壓Uab即為輸入線電壓Uba ;若此時三相電源電壓UC>UA>UB，則相電壓C經(jīng)第三二極管D3、第七二極管D11、第二全控型器件V2、第一全控型器件Vl加在負載a端上，由于此時UA>UB，輸出b端經(jīng)第四二極管D6、第十三全控型器件V13連到相電壓B上，輸出電壓Uab 即為輸入線電壓Ucb ;若此時三相電源電壓UC>UB>UA，則相電壓C經(jīng)第三二極管D3、第七二極管DlI、第二全控型器件V2、第一全控型器件Vl加在負載a端上，由于此時UB>UA，輸出b端經(jīng)第十四全控型器件V14連到相電壓A上，輸出電壓Uab即為輸入線電壓Uca，可見只要組I和組6導通，不論電源電壓的大小關(guān)系如何，輸出電壓Uab總是大于O的且Uab瞬時值等于三相電壓中最大值與最小值之差。同理，通過組3、組4及相應二極管的組合可以構(gòu)造出負的輸出電壓Uab ;通過組2、組3及相應二極管的組合可以構(gòu)造出正的輸出電壓Ubc ;通過組5、組6及相應二極管的組合可以構(gòu)造出負的輸出電壓Ub。；通過組I、組2及相應二極管的組合可以構(gòu)造出正的輸出電壓Ua。；通過組4、組5及相應二極管的組合可以構(gòu)造出負的輸出電壓Uac ;通過組I、組3及相應二極管的組合可使輸出電壓Uab=O ;通過組3、組5及相應二極管的組合可使輸出電壓Ubc=O ;通過組I、組5及相應二極管的組合可使輸出電壓Uac=0。其中，組
2、組4和組6中任何兩組同時導通時，相應的相電壓無法在主電路中構(gòu)成電壓回路,所以輸出電壓為O。表I給出了三相AC-AC直接頻率變換器新拓撲各組開關(guān)器件的邏輯關(guān)系，由于任意時刻都有三組開關(guān)開通，利用表I的數(shù)據(jù)進行組合便可得出該具體時刻的三相輸出電壓。表I三相AC-AC直接頻率變換器新拓撲各開關(guān)器件的邏輯關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括三相電源、濾波器、主電路和緩沖電路，其特征是電源接濾波電路再接主電路，主電路接緩沖電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征是所述的主電路包括第一到第十五全控型器件(V 1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12、V13、V14、V15)，第一到第九二極管(01、02、03、06、07、08、011、012、013);第一全控型器件(￥1)和第二全控型器件(V2)劃為組1，第三全控型器件(V3)、第四全控型器件(V4)和第五全控型器件(V5)劃為組2，第六全控型器件(V6)和第七全控型器件(V7)劃為組3，第八全控型器件(V8)、第九全控型器件(V9)和第十全控型器件(VlO)劃為組4，第十一全控型器件(VII)和第十二全控型器件(V12)劃為組5，第十三全控型器件(V13)、第十四全控型器件(V14)和第十五全控型器件(V15)劃為組6 ;第三全控型器件(V3)的發(fā)射極與第十全控型器件(VlO)發(fā)射極、第十五全控型器件(V15)的發(fā)射極相連，第四全控型器件(V4)發(fā)射極與第十四全控型器件(V14)發(fā)射極、第八全控型器件(V8)發(fā)射極相連，第五全控型器件(V5)發(fā)射極與第九全控型器件(V9)發(fā)射極和第十三全控型器件(V13)發(fā)射極相連；第三全控型器件(V3)的集電極接第十二全控型器件(V12)的發(fā)射極和第十一全控型器件(Vll)的集電極，第十二全控型器件(V12)的集電極分別與第二全控型器件(V2)和第七全控型器件(V7)的集電極相連，第十一全控型器件(Vll)的發(fā)射極與第四全控型器件(V4)和第五全控型器件(V5)的集電極相接,第^ 全控型器件(Vll)的發(fā)射極還與負載的c端相接；第十三全控型器件(V13)的集電極接第七全控型器件(V7)的發(fā)射極和第六全控型器件(V6)的集電極，第十四全控型器件(V14)和第十五全控型器件(V15)的集電極相接后再接第六全控型器件(V6)的發(fā)射極，第六全控型器件(V6)的發(fā)射極還與負載的b端相連；第八全控型器件(V8)的集電極接第二全控型器件(V2)的發(fā)射極和第一全控型器件(Vl)的集電極，第九全控型器件(V9)的集電極和第十全控型器件(VlO)的集電極相連接后與第一全控型器件(Vl)的發(fā)射極相接，第一全控型器件(Vl)的發(fā)射極還與負載的a端相接；第一二極管(Dl )、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D6)、第五二極管(D7)、第六二極管(D8)、第七二極管(Dll)、第八二極管(D12)、第九二極管(D13)分別與第一全控型器件(VI)、第二全控型器件(V2)、第三全控型器件(V3)、第六全控型器件(V6)、第七全控型器件(V7)、第八全控型器件(V8)、第十一全控型器件(VII)、第十二全控型器件(V12)、第十三全控型器件(V13)反向并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征是所述的濾波電路包括第一到第三濾波電容(C1、C2、C3)和第一到第三濾波電感(L1、L2、L3);三相電源(Ua)接第一濾波電感(LI) 一端,第一濾波電感(LI)另一端接第一濾波電容(Cl)和第四全控型器件(V4)、第十四全控型器件(V14)和第八全控型器件(V8)的發(fā)射極，三相電源(Ub)接第二濾波電感(L2)—端，第二濾波電感(L2)另一端接第二濾波電容(C2)和第五全控型器件(V5)、第十三全控型器件(V13)和第九全控型器件(V9)的發(fā)射極；三相電源(U。)接第三濾波電感(L3) —端，第三濾波電感(L3)另一端接第三濾波電容(C3)和第三全控型器件(V3)、第十五全控型器件(V15)、第十全控型器件(VlO)的發(fā)射極；第一濾波電容(Cl)、第二濾波電容(C2)、第三濾波電容(C3)與濾波電感連接的另一端相互連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征是所述的緩沖電路包括第一到第三緩沖電容(Csbl、Csb2、Csb3)，第一到第六緩沖電阻(Rsbl、Rsb2、Rsb3、Rsbll、Rsb22、Rsb33),第十到第十二二極管(DIR、D6R、D11R)和第十六到第十八全控型器件(V1R、V6R、V11R);負載的a端接第十六全控型器件(VlR)的集電極，第一緩沖電容(Csbl)、第四緩沖電阻(Rsbll)串聯(lián)后與第一緩沖電阻(Rsbl)并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端與第十六全控型器件(VlR)的發(fā)射極相連，阻容回路的另一端接第二全控型器件(V2)的發(fā)射極；負載的b端接第十七全控型器件(V6R)的集電極，第二緩沖電容(Csb2)、第五緩沖電阻(Rsb22)串聯(lián)然后與第二緩沖電阻(Rsb2)并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端與第十七全控型器件(V6R)的發(fā)射極相連，阻容回路的另一端接第七全控型器件(V7)的發(fā)射極；負載的c端接第十八全控型器件(VllR)的集電極，第三緩沖電容(Csb3)、第六緩沖電阻(Rsb33)串聯(lián)然后與第三緩沖電阻(Rsb3)并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端與第十八全控型器件(VllR)的發(fā)射極相連，阻容回路的另一端接第十二全控型器件(V12)的發(fā)射極；第十六全控型器件(VlR)、第十七全控型器件(V6R)、第十八全控型器件(VllR)的發(fā)射極相接，第十極管(DlR)、第^ 極管(D6R)、第十二極管(DllR)分別反向并聯(lián)在第十六全控型器件(VlR)、第十七全控型器件(V6R)、第十八全控型器件(VllR)的兩端。
5.一種采用權(quán)利要求I所述的三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征是第一種控制方法是SPWM控制方式，用6路SPWM脈沖觸發(fā)組I、組2、組3、組4、組5和組6六組全控型器件，通過控制SPWM脈沖的調(diào)制波頻率得到所需頻率的三相交流電流、電壓。
6.一種采用權(quán)利要求I所述的三相AC-AC直接頻率變換器拓撲結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征是第二種控制方法是滯環(huán)電流控制，采用恒頻率的方式對參考電流與實際輸出電流進行米樣比較，若參考電流大于實際輸出電流，則打開相應的開關(guān)組合使實際電流增大，若參考電流小于實際輸出電流，則打開相應開關(guān)組合使輸出電流減小，通過控制參考電流的頻率得到所需頻率的三相交流電流、電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種三相AC-AC直接頻率變換器及其控制方法。三相AC-AC直接頻率變換器包括三相電源、濾波器、主電路和緩沖電路，其特征是電源接濾波電路再接主電路，主電路接緩沖電路。三相AC-AC直接頻率變換器的控制方法是第一種控制方法是采用SPWM控制方式，第二種控制方式是滯環(huán)電流控制。本發(fā)明拓撲結(jié)構(gòu)簡單，控制方法簡單易行功率變換級數(shù)少、可靠性高。
文檔編號H02M5/297GK102664534SQ20121014028
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者張強, 白成彪, 趙凱岐 申請人:哈爾濱工程大學