專利名稱：基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器，屬于功率電子變換的范疇。
背景技術(shù)：
多脈沖逆變技術(shù)采用移相變壓器對多相逆變的輸出進(jìn)行疊加，消除低次諧波，使合成的波形逼近正弦波，具有諧波含量少、開關(guān)頻率低、可靠性高、效率高、過載能力強(qiáng)、不會產(chǎn)生額外的電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，同時，系統(tǒng)中的移相變壓器還可使輸入輸出電氣隔離，對電網(wǎng)污染小。基于以上特點(diǎn)，多脈沖逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于大功率交流驅(qū)動、新能源應(yīng)用和電能質(zhì)量控制中。根據(jù)疊加對象不同，多脈沖逆變技術(shù)可分為電壓源型(即實(shí)現(xiàn)電壓疊加)與電流源型(即實(shí)現(xiàn)電壓疊加)。在并網(wǎng)逆變場合，通過電壓疊加控制進(jìn)網(wǎng)電流時，系統(tǒng)必須引入設(shè)計(jì)十分復(fù)雜的高階濾波器，易引起系級不穩(wěn)定，降低了多脈沖變流器的可靠性。若采用電流源型多脈沖逆變器(即實(shí)現(xiàn)電流疊加)，將直接對網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行控制，濾波與控制都十分簡單，可靠性高。但目前的電流源型逆變器通過分立的移相變壓器輸出側(cè)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電流疊加，磁性元件數(shù)量多，系統(tǒng)體積大。同時，近些年來，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展與節(jié)能環(huán)保意識的深入，作為對偶功率變換結(jié)構(gòu)的逆變器與整流器之間的邊界越來越模糊，變流器在不同時刻需完成不同形式功率變換(整流或逆變)的場合越來越多。如在直流微網(wǎng)場合，當(dāng)新能源供電過剩時，需通過變流器將剩余電能經(jīng)逆變后并入電網(wǎng)，當(dāng)新能源供電不足時，需通過變流器將電網(wǎng)電能經(jīng)整流后供給負(fù)載。在電力機(jī)車牽引場合，當(dāng)機(jī)車正常運(yùn)行時，三相電能需通過變流器將交流電能變換為直流電能為機(jī)車電動機(jī)供電，當(dāng)機(jī)車減速時，需通過變流器將電動機(jī)回饋的直流電能變換為低諧波的交流電并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的充分利用。綜上可知，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動既是多脈沖逆變器未來發(fā)展的必然要求，也將使多脈沖技術(shù)在逆變與整流場合實(shí)現(xiàn)通用，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用場合。南京航空航天大學(xué)的許愛國在“城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)研究”一文中提出將電壓源型多脈沖變流器通過空間矢量調(diào)制的控制方法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。但如前所述，通過電壓疊加控制進(jìn)網(wǎng)電流使系統(tǒng)必須引入設(shè)計(jì)十分復(fù)雜的高階濾波器，且易引起系級不穩(wěn)定，降低了多脈沖變流器的可靠性。若能實(shí)現(xiàn)電流源型多脈沖逆變器能量雙向流動，其將直接對網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行控制，濾波與控制都十分簡單，可靠性高。但如前所述，目前的電流源型多脈沖逆變器通過分立的移相變壓器輸出側(cè)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電流疊加，磁性元件數(shù)量多，系統(tǒng)體積大；同時，系統(tǒng)的開關(guān)管通常采用晶閘管或二極管，其單向?qū)щ娦允箓鹘y(tǒng)的電流源型多脈沖逆變器無法在逆變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)整流，即雙向傳輸能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在傳統(tǒng)電流源型多脈沖逆變器控制與濾波簡便的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，縮小其磁性元件的體積重量，克服其能量無法雙向傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，提出一種基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器。本發(fā)明的目的是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的
基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器，它包括依次連接的直流側(cè)電路、可逆三相橋組、多脈沖變壓器、三相交流電源，其中直流側(cè)電路中串入電感，使直流側(cè)近似為恒定電流源。它還包括控制電路，該控制電路的信號輸入端連接在多脈沖變壓器與三相交流電源之間，控制電路的控制端與所述可逆三相橋組連接。所述控制電路包括信號處理器和放大、隔離電路，其中信號處理器的信號輸入端連接在多脈沖變壓器與三相交流電源之間，放大、隔離電路的輸出端與可逆三相橋組連接?？赡嫒鄻蚪M中三相橋的組數(shù)與多脈沖雙向變流器的脈沖數(shù)相對應(yīng)，其中6脈沖雙向變流器對應(yīng)I組三相橋；12脈沖雙向變流器對應(yīng)2組三相橋；18脈沖雙向變流器對應(yīng)3組三相橋；24脈沖雙向變流器對應(yīng)4組三相橋。所述多脈沖變壓器為自耦型或隔離型，并包括其各種繞組結(jié)構(gòu)類型，例如12、18脈沖變壓器繞組結(jié)構(gòu)可以是P型(Polygon)，D型(Delta)或者是DT型?？赡嫒鄻蚪M的接法可以為各三相橋兩端同極性端點(diǎn)相連，再與直流側(cè)電路兩端點(diǎn)相連，各橋臂中點(diǎn)依次與多脈沖變壓器對應(yīng)接口連接。也可以采用其它連接方式。所述多脈沖變壓器為12或24脈沖雙向變流器時，所述直流側(cè)電路與可逆三相橋組之間最好接入平衡電抗器，接入平衡電抗器能實(shí)現(xiàn)各三相橋電流均流。也可以不接平衡電抗器?？赡嫒鄻蚪M各三相橋兩端端點(diǎn)與相應(yīng)多脈沖變流器的平衡電抗器相連，各橋臂中點(diǎn)依次與多脈沖變壓器對應(yīng)接口連接?？赡嫒鄻蚪M的開關(guān)單元采用電壓雙象限、電流雙象限的開關(guān)管或復(fù)合開關(guān)管。所述可逆三相橋組即能量傳輸時電流流動方向可實(shí)現(xiàn)改變的三相橋組，其開關(guān)管采用雙向晶閘管、雙向關(guān)斷IGBT開關(guān)管或兩反向晶閘管并聯(lián)的復(fù)合開關(guān)管。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點(diǎn)
1、本發(fā)明采用集成式的多脈沖變壓器取代了傳統(tǒng)電流源型逆變器中分立的移相變壓器，顯著減小了系統(tǒng)磁性元件的體積；
2、采用電壓雙象限、電流雙象限的開關(guān)管或復(fù)合開關(guān)管組成三相橋的基本開關(guān)單元，使電流源型多脈沖變流器的開關(guān)管具備了能量雙向流動的能力，同時防止了在換相重疊角度內(nèi)開關(guān)管出現(xiàn)短路情況，并實(shí)現(xiàn)了其零電流關(guān)斷。3、采用信號處理器檢測三相電源相角與周期，結(jié)合各多脈沖變流器的導(dǎo)通矢量圖生成驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)了對電流雙向流動的有效控制?；谝陨咸岢龅碾娐吠?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電流源型多脈沖逆變器能量的雙向流動；相較于傳統(tǒng)電流源型多脈沖逆變器，系統(tǒng)磁性元件體積有了顯著減?。幌噍^于電壓源型多脈沖雙向變流器，其具有控制環(huán)路與濾波器設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。


附圖1是本發(fā)明的基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本發(fā)明的一種放大、隔離電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3是本發(fā)明的隔離型6脈沖雙向變流器結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4是本發(fā)明的自耦型12脈沖雙向變流器結(jié)構(gòu)示意圖。附圖5是本發(fā)明的隔離型18脈沖雙向變流器結(jié)構(gòu)示意圖。附圖6是本發(fā)明的自耦型24脈沖雙向變流器結(jié)構(gòu)示意圖。附圖7是本發(fā)明的18脈沖雙向變流器可逆三相橋組結(jié)構(gòu)示意圖。附圖8是本發(fā)明的18脈沖雙向變流器開關(guān)管導(dǎo)通矢量圖。附圖9是本發(fā)明的雙向多脈沖變流器結(jié)構(gòu)中直流側(cè)與可逆三相橋組中開關(guān)單元的一種接線圖。附圖10是本發(fā)明的18脈沖雙向變流器工作在整流狀態(tài)時輸入電壓與電流波形圖。附圖11是本發(fā)明的18脈沖雙向變流器工作在無源逆變狀態(tài)時阻性負(fù)載的電壓波形。上述附圖中主要符號名稱:1為直流側(cè)電路，2為平衡電抗器，3為可逆三相橋組，4為多脈沖變壓器，5為三相交流電源，6為鎖相環(huán)，7為驅(qū)動器，8為控制電路，Vpulse為DSP生成的脈沖信號， 為加速電容，&為匹配電阻，為經(jīng)放大、隔離電路后得到的驅(qū)動信號，后接開關(guān)管，va、vb、vc為三相相電壓，ο為三相電壓中點(diǎn)，a、b、c,a\b\c\a ”、b ”、c ”、a2、a3、a4、bv b2、bA, C1, c2、cv C4為變壓器構(gòu)造的電壓矢量與相應(yīng)的橋臂編號，Vab, V3c等為開關(guān)管導(dǎo)通矢量，I1U2U3為平衡電抗器，L為直流側(cè)電感，C為直流側(cè)電容。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一:
附圖1給出了本發(fā)明的基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的包括直流側(cè)電路(I)、可逆三相橋組(3)、多脈沖變壓器(4)、三相交流電源(5)和控制電路(8)。當(dāng)系統(tǒng)為12或24脈沖雙向變流器時，所述直流側(cè)電路(I)與可逆三相橋組(3)之間最好接入平衡電抗器(2)，以實(shí)現(xiàn)各三相橋電流均流。多脈沖變壓器在6、12、18、24脈沖雙向變流器對應(yīng)結(jié)構(gòu)中可采用相應(yīng)脈沖數(shù)的各種類型變壓器。所述可逆三相橋組可由雙向晶閘管、兩反向晶閘管并聯(lián)、可雙向關(guān)斷IGBT等電壓雙象限、電流雙象限的開關(guān)管或復(fù)合開關(guān)管組成的基本開關(guān)單元構(gòu)成。所述可逆三相橋組結(jié)構(gòu)中三相橋的組數(shù)與多脈沖雙向變流器的脈沖數(shù)有關(guān)，其中6脈沖雙向變流器對應(yīng)I組三相橋，12脈沖雙向變流器對應(yīng)2組三相橋，18脈沖雙向變流器對應(yīng)3組三相橋，24脈沖雙向變流器對應(yīng)4組三相橋。當(dāng)系統(tǒng)為12或24脈沖雙向變流器時，直流側(cè)電路(I)與可逆三相橋組(3)之間可接入平衡電抗器(2 )，實(shí)現(xiàn)各三相橋電流均流。控制電路(8)由信號處理器(6)與放大、隔離電路(7)組成。附圖1中給出了控制電路框圖(8)，控制電路(8)包括信號處理器(6)和放大、隔離電路(7)，放大、隔離電路(7)原理如附圖2所示。信號處理器(6)的信號輸入端連接在多脈沖變壓器(4)與三相交流電源(5)之間，放大、隔離電路(7)的輸出端與可逆三相橋組
(3)連接?？赡嫒鄻蚪M(3)當(dāng)直流側(cè)電路(I)與可逆三相橋組(3)之間接入平衡電抗器(2)時，各三相橋兩端端點(diǎn)與相應(yīng)多脈沖變流器的平衡電抗器相連，各橋臂中點(diǎn)依次與多脈沖變壓器(4)對應(yīng)接口連接。其中信號處理器(6)可以采用能檢測波形過零點(diǎn)與周期的DSP芯片或其他模擬與數(shù)字電路；放大、隔離電路(7)采用各種對驅(qū)動信號進(jìn)行放大、隔離的電路拓?fù)洹D2為一種放大、隔離電路，其中放大電路采用三極管組成的圖騰柱電路，隔離電路采用HCPL3120芯片實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動信號隔離。本發(fā)明的控制過程為系統(tǒng)工作在整流或并網(wǎng)逆變狀態(tài)時，控制電路中信號處理器檢測出三相電源的周期，找到某相電壓由負(fù)變正的過零點(diǎn)，以相應(yīng)多脈沖變流器開關(guān)管導(dǎo)通矢量圖中對應(yīng)矢量為起點(diǎn)，依次生成驅(qū)動信號，并經(jīng)放大、隔離電路對其進(jìn)行放大、隔離，以導(dǎo)通相應(yīng)開關(guān)管相應(yīng)角度。當(dāng)系統(tǒng)工作在無源逆變狀態(tài)時則只需以任意矢量為起點(diǎn)，按照開關(guān)管導(dǎo)通矢量圖依次導(dǎo)通開關(guān)管即可。實(shí)施例二
如圖3所示，本發(fā)明中隔離型6脈沖雙向變流器結(jié)構(gòu)。直流側(cè)電路(I)與可逆三相橋組(3)之間不接平衡電抗器(2)，各三相橋兩端同極性端點(diǎn)相連，再與直流側(cè)電路兩端點(diǎn)相連，各橋臂中點(diǎn)依次與多脈沖變壓器對應(yīng)接口連接。實(shí)施例三
本發(fā)明的自耦型12脈沖雙向變流器結(jié)構(gòu)如圖4所示。10 實(shí)施例四
下面將以附圖5所示隔離型18脈沖雙向變流器為例，詳細(xì)介紹本發(fā)明的工作原理。隔離型18脈沖雙向變流器三相橋并聯(lián)部分如附圖7所示，為三個三相橋并聯(lián)，共九組橋臂，可按照變壓器構(gòu)造的電壓矢量對應(yīng)編號為a、b、C、a，、b，、C，、a ”、b ”、c 系統(tǒng)工作在整流或并網(wǎng)逆變狀態(tài)時，由信號處理器檢測出三相電源的周期，找到a相電壓由負(fù)變正的過零點(diǎn)，在此處導(dǎo)通矢量KeA10°，即驅(qū)動c橋臂上管與6橋臂下管導(dǎo)通10°，之后按照附圖8所示開關(guān)管導(dǎo)通矢量圖順時針依次導(dǎo)通K3I等矢量20°。而當(dāng)系統(tǒng)工作在無源逆變狀態(tài)時則只需以任意矢量為起點(diǎn)，按照開關(guān)管導(dǎo)通矢量圖依次導(dǎo)通開關(guān)管即可。同時，由于本發(fā)明多脈沖變流器屬于電流源型變換器，在直流側(cè)將串入電感維持直流側(cè)電流恒定，為防止出現(xiàn)三相橋無電流通路導(dǎo)致電感能量無處泄放，進(jìn)而損壞電路，需在即將交替導(dǎo)通的兩管驅(qū)動之間加入換相重疊角。實(shí)施例五
附圖9為直流側(cè)與可逆三相橋組中開關(guān)單元的一種接法，該三相橋開關(guān)單元為兩個反向晶閘管并聯(lián)，需要說明的是此三相橋開關(guān)管采用電壓雙象限、電流雙象限的開關(guān)管或復(fù)合開關(guān)管，如雙向晶閘管、可雙向關(guān)斷的IGBT等均可。以18脈沖雙向變流器為例，其工作方式為當(dāng)工作在整流狀態(tài)時，各復(fù)合開關(guān)管為右側(cè)管有效，即按照圖8所示開關(guān)矢量圖中開關(guān)管的導(dǎo)通時序，順時針依次開通各反向并聯(lián)晶閘管組合中的右管，實(shí)現(xiàn)整流功能；當(dāng)工作在逆變狀態(tài)時，各開關(guān)管組合為左側(cè)管有效，即按照圖8所示開關(guān)矢量圖中開關(guān)管的導(dǎo)通時序，順時針依次導(dǎo)通各反向并聯(lián)晶閘管組合中的左管，實(shí)現(xiàn)逆變功能。實(shí)施例六
本發(fā)明的自耦型24脈沖雙向變流器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。應(yīng)用實(shí)例
為驗(yàn)證本發(fā)明的可行性，以附圖5所示的隔離型18脈沖雙向變流器為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。附圖10為變流器工作在整流狀態(tài)時交流側(cè)輸入電壓與輸入電流的波形，其中&、Vb分別為a相與b相相電壓，ia、Ib分別為a相與b相輸入電流。附圖11為變流器工作在無源逆變狀態(tài)，交流側(cè)接阻性負(fù)載時^波形(電流波形與其呈比例關(guān)系)?？梢钥闯?，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流源型多脈沖逆變器能量的雙向流動。其他類型多脈沖雙向變流器的工作原理與上述類似。由以上描述可知，本發(fā)明提出的基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器具有以下優(yōu)點(diǎn):
X能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)電流源型多脈沖逆變器能量的雙向流動。%相較于傳統(tǒng)電流源型多脈沖逆變器，系統(tǒng)磁性元件體積有了顯著減小。%系統(tǒng)控制與濾 波簡單，損耗小，可靠性高。
權(quán)利要求
1.基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器，它包括直流側(cè)電路(I)和三相交流電源(5)，其特征是:它還包括可逆三相橋組(3)、多脈沖變壓器(4)和控制電路(8)，其中直流側(cè)電路(I)、可逆三相橋組(3)、多脈沖變壓器(4)、三相交流電源(5)依次連接，所述控制電路(8)的信號輸入端連接于多脈沖變壓器(4)與三相交流電源(5)之間，控制電路(8)的控制端與所述可逆三相橋組(3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:所述控制電路(8)包括信號處理器(6)和放大、隔離電路(7)，其中信號處理器(6)的信號輸入端連接在多脈沖變壓器(4)與三相交流電源(5 )之間，放大、隔離電路(7 )的輸出端與可逆三相橋組(3 )連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:可逆三相橋組(3)中三相橋的組數(shù)與多脈沖雙向變流器的脈沖數(shù)相對應(yīng)，其中6脈沖雙向變流器對應(yīng)I組三相橋；12脈沖雙向變流器對應(yīng)2組三相橋；18脈沖雙向變流器對應(yīng)3組三相橋；24脈沖雙向變流器對應(yīng)4組三相橋。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:所述多脈沖變壓器(4)為自耦型或隔離型，并包括其各種繞組結(jié)構(gòu)類型。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:可逆三相橋組(3)的接法為各三相橋兩端同極性端點(diǎn)相連，再與直流側(cè)電路(I)兩端點(diǎn)相連，各橋臂中點(diǎn)依次與多脈沖變壓器(4)對應(yīng)接口連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:所述多脈沖變壓器(4)為12或24脈沖雙向變流器時，所述直流側(cè)電路(I)與可逆三相橋組(3)之間接入平衡電抗器(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:可逆三相橋組(3)各三相橋兩端端點(diǎn)與相應(yīng)多脈沖變流器的平衡電抗器相連，各橋臂中點(diǎn)依次與多脈沖變壓器(4)對應(yīng)接口連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:可逆三相橋組(3)的開關(guān)單元采用電壓雙象限、電流雙象限的開關(guān)管或復(fù)合開關(guān)管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙向多脈沖變流器，其特征是:所述可逆三相橋組(3)的開關(guān)管采用雙向晶閘管、雙向關(guān)斷IGBT開關(guān)管或兩反向晶閘管并聯(lián)的復(fù)合開關(guān)管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于雙向開關(guān)管的電流源型雙向多脈沖變流器，它包括直流側(cè)電路(1)和三相交流電源(5)，它還包括可逆三相橋組(3)、多脈沖變壓器(4)和控制電路(8)，其中直流側(cè)電路(1)、可逆三相橋組(3)、多脈沖變壓器(4)、三相交流電源(5)依次連接，所述控制電路(8)的信號輸入端連接于多脈沖變壓器(4)與三相交流電源(5)之間，控制電路(8)的控制端與所述可逆三相橋組(3)連接。本發(fā)明提出的電路拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)電流源型多脈沖逆變器能量雙向流動，直接對三相交流側(cè)電流進(jìn)行控制，控制器與濾波器各自獨(dú)立，設(shè)計(jì)簡單，可靠性高，適用于各種需要多脈沖變流器實(shí)現(xiàn)雙向能量傳輸?shù)膱龊稀?br> 文檔編號H02M7/72GK103078546SQ20131002097
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者陳乾宏, 楊鳴強(qiáng) 申請人:南京航空航天大學(xué)