專利名稱：單相ac-ac直接頻率變換器拓?fù)浣Y(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，特別是涉及一種單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(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(yán)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(fù)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?fù)浜啙崱⒐β首儞Q級數(shù)少、可靠性高的一種單AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括電源、濾波電路、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八全控型器件(以IGBT為例說明)V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8，第一到第六二極管Dl、D2、D3、D5、D6、D7和負(fù)載；第一全控型器件Vl和第二全控型器件V2劃分為組1，第三全控型器件V3和第四全控型器件V4劃分為組4，第五全控型器件V5和第六全控型器件V6劃分為組3，第七全控型器件V7和第八全控型器件V8劃分為組2 ;第三全控型器件V3的發(fā)射極和第八全控型器件V8的發(fā)射極相接，第三全控型器件V3的集電極接第六全控型器件V6的發(fā)射極和第五全控型器件V5的集電極，第六全控型器件V6的集電極接第二全控型器件V2的集電極，第二全控型器件V2的發(fā)射極接第一全控型器件Vl的集電極和第七全控型器件V7的集電極，第一全控型器件Vl的發(fā)射極接第八全控型器件V8的集電極和負(fù)載的a端，負(fù)載的b端接第四全控型器件V4的集電極和第五全控型器件V5的發(fā)射極，第四全控型器件V4的發(fā)射極和第七全控型器件V7的發(fā)射極相接；第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D5、第五二極管D6、第六二極管D7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、第五全控型器件V5、第六全控型器件V6、第七全控型器件V7反向并聯(lián)。
所述的濾波電路采用LC濾波電路，包括電容C和電感L，單相交流電源U的B端接電感L，電感L接第三全控型器件V3和第八全控型器件V8的發(fā)射極和電容C，電容C接電源U的A端和第四全控型器件V4和第七全控型器件V7的發(fā)射極。所述的緩沖電路由第一到第二緩沖電容Cl、C2，第一到第四緩沖電阻Rl、R2、R3、R4，第七到第八二極管D9、D10和第九到第十全控型器件V9、V10組成，其中第九全控型器件V9屬于組4，第十全控型器件VlO屬于組2 ;負(fù)載的a端接第十全控型器件VlO的集電極，第八二極管DlO反向并聯(lián)在第十全控型器件VlO兩端，第四緩沖電阻R4、第二緩沖電容C2串聯(lián)后與第三緩沖電阻R3并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端接第十全控型器件VlO的發(fā)射極，阻容回路的另一端接第二全控型器件V2發(fā)射極；負(fù)載的b端接第九全控型器件V9的集電極，第七二極管D9反向并聯(lián)在第九全控型器件V9的兩端，第二緩沖電阻R2、第一緩沖電容Cl串聯(lián)后與第一緩沖電阻Rl并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端接第九全控型器件V9的發(fā)射極，阻容回路的另一端接第六全控型器件V6的發(fā)射極，第九全控型器件V9的發(fā)射極和第十全控
型器件VlO的發(fā)射極相接。單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法是第一種控制方法是SPWM控制方法,采用單極性方式控制時,組I和組2用相序相反的SPWM波形觸發(fā)，組3和和組4用相序相反占空比各占50%的脈沖觸發(fā)；采用雙極性方式控制時，組I和組4用時序相同的SPWM脈沖觸發(fā)，組2和組3采用與組I和組4時序相反的脈沖進行觸發(fā)；第二種控制方式是滯環(huán)電流控制，采用恒頻率的方式對參考電流與實際負(fù)載電流進行采樣比較，若參考電流大于實際電流，則打開組I和組4，使實際電流增大；若參考電流小于實際電流，則打開組2和組
3,使實際電流減小。本發(fā)明的優(yōu)點在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，換流的可靠性提高，其控制策略也相對簡單。為實現(xiàn)拓?fù)浜啙?、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為單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2為輸入電壓波形圖；圖3為單極性SPWM控制時輸出電流、電壓波形；圖4為滯環(huán)電流控制時輸出電流、電壓波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述結(jié)合圖I。U為單相交流電源；L、C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為8個單向全控型器件(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)，第一二極管Dl、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D5、第五二極管D6、第六二極管D7為6個與相應(yīng)全控型器件反向并聯(lián)的二極管。
若構(gòu)造正的輸出電壓Uab,在電源Uab的正半周，使第一全控型器件VI、第三全控型器件V3閉合導(dǎo)通，電源U的A端經(jīng)第六二極管D7、第一全控型器件Vl加在輸出a端上，輸出b端經(jīng)第四二極管D5、第三全控型器件V3連到電源U的B端上，輸出線電壓Uab即為輸入線電壓Uab ;如果使第一全控型器件Vl和第二全控型器件V2閉合，第三全控型器件V3斷開，則Uab將通過第一全控型器件VI、第二全控型器件V2、第四二極管D5、第五二極管D6的回路而被短接，電壓為零；在Uab的負(fù)半周，使第一全控型器件VI、第二全控型器件V2、第四全控型器件V4閉合導(dǎo)通，電源U的B端電位大于電源U的A端電位，電源U的B端經(jīng)第三二極管D3、第五二極管D6、第二全控型器件V2、第一全控型器件Vl加在輸出端a上，輸出端b經(jīng)第四全控型器件V4連到電源U的A端上，因此輸出電壓Uab仍然是大于零的。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在電源Uab的正半周，使第一全控型器件VI、第三全控型器件V3閉合的同時，第二全控型器件V2、第四全控型器件V4也閉合，并不會對輸出電壓Uab造成任何影響；在電源Uab的負(fù)半周，使第一全控型器件VI、第二全控型器件V2、第四全控型器件V4閉合的同時，第三 全控型器件V3閉合，也并不影響輸出電壓Uab，因此，可以把第一全控型器件VI、第二全控型器件V2看作一組開關(guān)，編為組1，可以共用一組觸發(fā)脈沖；第三全控型器件V3、第四全控型器件V4看作一組開關(guān)，編為組4，共用一組觸發(fā)脈沖。同理，通過第五全控型器件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及相應(yīng)二極管的組合可以構(gòu)造出負(fù)的輸出電壓。第五全控型器件V5、第六全控型器件V6編為組3，共用一組觸發(fā)脈沖；第七全控型器件V7、第八全控型器件V8編為組2，共用一組觸發(fā)脈沖。其中，組I和組2不能同時導(dǎo)通；組3和組4不能同時導(dǎo)通，否則會造成電源短路；組2和組4閉合時，輸入電壓無法在電路結(jié)構(gòu)中形成回路，輸出電壓為O。表I給出了單相AC-AC直接頻率變換器新拓?fù)涓鏖_關(guān)器件的邏輯關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)從形式上和單相電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)非常相似，稱之虛擬逆變器結(jié)構(gòu)。表I單相AC-AC直接頻率變換器新拓?fù)涓鏖_關(guān)器件的邏輯關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括電源、濾波電路、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所述的單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是所述的主電路包括第一到第八全控型器件(VI、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8)，第一到第六二極管(Dl、D2、D3、D5、D6、D7)和負(fù)載；第一全控型器件(VI)和第二全控型器件(V2)劃分為組1，第三全控型器件(V3)和第四全控型器件(V4)劃分為組4，第五全控型器件(V5)和第六全控型器件(V6)劃分為組3，第七全控型器件(V7)和第八全控型器件(V8)劃分為組2 ;第三全控型器件(V3)的發(fā)射極和第八全控型器件(V8)的發(fā)射極相接，第三全控型器件(V3)的集電極接第六全控型器件(V6)的發(fā)射極和第五全控型器件(V5)的集電極，第六全控型器件(V6)的集電極接第二全控型器件(V2)的集電極，第二全控型器件(V2)的發(fā)射極接第一全控型器件(Vl)的集電極和第七全控型器件(V7)的集電極，第一全控型器件(Vl)的發(fā)射極接第八全控型器件(V8)的集電極和負(fù)載的a端，負(fù)載的b端接第四全控型器件(V4)的集電極和第五全控型器件(V5)的發(fā)射極，第四全控型器件(V4)的發(fā)射極和第七全控型器件(V7)的發(fā)射極相接；第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D5)、第五二極管(D6)、第六二極管(D7)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)、第五全控型器件(V5)、第六全控型器件(V6)、第七全控型器件(V7)反向并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是所述的濾波電路采用LC濾波電路，包括電容(C)和電感(L)，單相交流電源(U)的B端接電感(L)，電感(L)接第三全控型器件(V3)和第八全控型器件(V8)的發(fā)射極和電容(C)，電容(C)接電源(U)的A端和第四全控型器件(V4)和第七全控型器件(V7)的發(fā)射極。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是所述的緩沖電路由第一到第二緩沖電容(Cl、C2)，第一到第四緩沖電阻(Rl、R2、R3、R4)，第七到第八二極管(D9、D10)和第九到第十全控型器件(V9、V10)組成，其中第九全控型器件(V9)屬于組4，第十全控型器件(VlO)屬于組2 ;負(fù)載的a端接第十全控型器件(VlO)的集電極，第八二極管(DlO)反向并聯(lián)在第十全控型器件(VlO)兩端，第四緩沖電阻(R4)、第二緩沖電容(C2)串聯(lián)后與第三緩沖電阻(R3)并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端接第十全控型器件(VlO)的發(fā)射極，阻容回路的另一端接第二全控型器件(V2)發(fā)射極；負(fù)載的b端接第九全控型器件(V9)的集電極，第七二極管(D9)反向并聯(lián)在第九全控型器件(V9)的兩端，第二緩沖電阻(R2)、第一緩沖電容(Cl)串聯(lián)后與第一緩沖電阻(Rl)并聯(lián)構(gòu)成的阻容回路的一端接第九全控型器件(V9)的發(fā)射極，阻容回路的另一端接第六全控型器件(V6)的發(fā)射極，第九全控型器件(V9)的發(fā)射極和第十全控型器件(VlO)的發(fā)射極相接。
5.一種采用權(quán)利要求I所述的單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征是第一種控制方法是SPWM控制方法，采用單極性方式控制時，組I和組2用相序相反的SPWM波形觸發(fā)，組3和和組4用相序相反占空比各占50%的脈沖觸發(fā)；采用雙極性方式控制時，組I和組4用時序相同的SPWM脈沖觸發(fā)，組2和組3采用與組I和組4時序相反的脈沖進行觸發(fā)。
6.一種采用權(quán)利要求I所述的單相AC-AC直接頻率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征是第二種控制方式是滯環(huán)電流控制，采用恒頻率的方式對參考電流與實際負(fù)載電流進行采樣比較，若參考 電流大于實際電流，則打開組I和組4，使實際電流增大；若參考電流小于實際電流，則打開組2和組3，使實際電流減小。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種單相AC-AC直接頻率變換器及其控制方法。單相AC-AC直接頻率變換器包括電源、濾波電路、主電路和緩沖電路，電源U接濾波電路再接主電路，主電路接緩沖電路。單相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單極性方式控制，第二種控制方式是滯環(huán)電流控制。本發(fā)明拓?fù)浣Y(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H02M5/458GK102664537SQ20121014028
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(xué)