三相橋式pwm變流器及其構成的有源電力濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三相橋式PWM變流器，包括：連接方式相同的第一至第三橋臂電路；每個橋臂電路的一端接一電容的正極另一端接該電容的負極；每個橋臂電路包括：兩個串聯(lián)的IGBT，每個IGBT并聯(lián)有一個二極管。本發(fā)明還公開了一種具有所述三相橋式PWM變流器的有源電力濾波器。本發(fā)明三相橋式PWM變流器及其構成的有源電力濾波器能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償，能彌補無源濾波器的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性。
【專利說明】三相橋式PWM變流器及其構成的有源電力濾波器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力設備制造領域，特別是涉及一種三相橋式PWM (脈沖寬度調試)變流器；本發(fā)明還涉及一種具有所述三相橋式PWM變流器的有源電力濾波器。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負載大量增加。各種非線性和時變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開關電源等大規(guī)模地應用，其負面效應也日益明顯。逆變器、整流器及各種開關電源等電力電子裝置在開關動作時向電網(wǎng)中注入大量的諧波，使得電網(wǎng)中的電壓和電流的波形嚴重失真。電力電子裝置已經(jīng)成為電網(wǎng)最主要的諧波源，對其帶來的諧波污染問題的研究也成為了電力電子工程領域的一個關注和研究的熱點。目前，不少國家和學術研究組織都制定了研制電力系統(tǒng)和電力電子裝置諧波的標準和規(guī)定。
[0003]20世紀20、30年代在德國，由于使用靜止汞弧變流器造成了電壓、電流的畸變，諧波問題就引起了人們的注意和研究。1945年，J.C.Read發(fā)表了早期諧波研究的經(jīng)典論文，到了 20世紀50年代和60年代，高壓直流輸電技術的發(fā)展，推動了變流器諧波研究進一步深入。20世紀70年代以來，由于電力電子技術的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通以及人們的日常生活中應用日益廣泛，諧波造成的危害也日趨嚴重，世界各國對諧波問題也日益關注。
[0004]隨著電力電子裝置應用的日益增多和裝置容量的不斷加大，其產(chǎn)生的諧波比重也越來越大，目前已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的主要諧波污染源。諧波對公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害大致有:
[0005]( I)使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，如使電動機引起附加損耗、發(fā)熱增加，過載能力、使用壽命和效率降低，產(chǎn)生脈動轉矩；另外降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波電流流過中性線會導致中線過熱甚至發(fā)生火災。
[0006](2)諧波電流在輸電線路上的壓降會使用戶端的電壓波形產(chǎn)生嚴重的畸變，影響電氣設備的正常工作。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化，壽命縮短，以致?lián)p壞。
[0007](3)易使電網(wǎng)與用于補償電網(wǎng)無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成過壓或過電流，使電容器絕緣老化，甚至引起嚴重事故。據(jù)統(tǒng)計，由于諧波問題引起的電容故障占電容器總故障的71%?83%。
[0008](4)諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電氣測儀表計量不準，影響計
量精度。
[0009](5)諧波會對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質量，重者導致/[目息丟失，使通/[目系統(tǒng)無法正常工作。
[0010]解決電力電子裝置和其他諧波污染源的問題，基本途徑有兩條:一種是設置諧波補償裝置，如各種無源、有源濾波器，這對各種諧波源均適用；另一種是對于電力電子裝置諧波源，可以對其進行改造，使之不產(chǎn)生諧波或者不消耗無功功率，如有源功率因數(shù)校正技術和PWM整流技術。[0011]在電力系統(tǒng)中裝設LC調諧濾波器一直是傳統(tǒng)補償無功及諧波的主要手段。LC調諧濾波器因其結構簡單，既可補償無功，又可抑制諧波而一直被廣泛應用。但LC調諧濾波器也存在著諸如濾波補償特性依賴于電網(wǎng)和負載參數(shù)、LC參數(shù)的漂移會導致濾波特性的改變、具有負的電壓調整效應、重量大、體積大和容易同系統(tǒng)發(fā)生諧振等缺點。

【發(fā)明內容】

[0012]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能實時補償電網(wǎng)諧波與無功的三相橋式PWM變流器；
[0013]本發(fā)明要解決的另一技術問題是提供一種具有動態(tài)抑制諧波和補償無功的有源電力濾波器(Active Power Filter一APF),能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償，能彌補無源濾波器的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性。
[0014]為解決上述技術問題，本發(fā)明的三相橋式PWM變流器，包括:
[0015]第一橋臂電路，包括:串聯(lián)的第一 IGBT Tl和第二 IGBT T2，第一 IGBT Tl的集電極接電容Cd的正極，第二 IGBT T2的發(fā)射極接電容Cd的負極，第一 IGBT Tl發(fā)射極作為第一電流輸出端ica，第一二極管Dl正極接第一 IGBT Tl的集電極，第一二極管Dl負極接第一 IGBT Tl的發(fā)射極，第二二極管D2正極接第二 IGBT T2的集電極，第二二極管D2負極接第二 IGBT T2的發(fā)射極；
[0016]第二橋臂電路，包括:第三IGBT T3、第四IGBT T4、第三二極管D3和第四二極管D4，第二橋臂電路各電氣元件連接方式與第一橋臂電路相同，第三IGBT T3發(fā)射極作為第二電流輸出端icb ；
[0017]第三橋臂電路，包括:第五IGBT T5、第六IGBT T6、第五二極管D5和第六二極管D6,第三橋臂電路各電氣兀件連接方式與第一橋臂電路相同，第五IGBT T5發(fā)射極作為第三電流輸出端ice。
[0018]本發(fā)明的有源電力濾波器，包括:
[0019]DSP控制電路，采用浮點微處理器作為主控芯片，控制系統(tǒng)輔以CPLD芯片進行數(shù)字信號的邏輯處理，CPLD芯片完成采樣信號處理、控制計算、電路保護以及PWM信號輸出功倉泛;
[0020]AD信號檢測及調理單元，三相負載電流信號檢測，兩相有源電力濾波器輸出電流檢測，兩相LC濾波電路輸出電流檢測，直流側電容電壓檢測，經(jīng)互感器檢測，運放電路調理后，由外部AD采樣芯片輸出數(shù)字信號至DSP控制電路進行處理；
[0021]保護電路，保護有源電力濾波器無故障運行，當有源電力濾波器直流電容電壓過高，或上下電容電壓差過大，電網(wǎng)電壓異常，功率器件IGBT溫度過高時，保護電路便產(chǎn)生保護信號，切斷PWM輸出信號，關閉三相橋式PWM變流器；
[0022]PWM驅動單元，DSP控制電路經(jīng)運算處理后，產(chǎn)生PWM信號，由外部放大電路放大信號，再經(jīng)過隔離驅動電路形成具有驅動能力的PWM驅動信號來驅動主功率電路中的三相橋式PWM變流器；
[0023]三相橋式PWM變流器，接收PWM驅動信號，輸出無功電流至電網(wǎng)，IGBT模塊發(fā)出溫度信號輸送至IGBT溫度檢測單元；所述IGBT模塊即所述橋臂電路，能發(fā)出溫度信號；
[0024]IGBT溫度檢測單元，由一個單獨的AD芯片完成，通過兩線式串行總線通訊接口輸出至DSP控制電路；
[0025]通訊單元，具有串行通信接口和串行外圍設備接口。
[0026]本發(fā)明的三相橋式PWM變流器(其實現(xiàn)本發(fā)明有源電力濾波器工作原理中逆變模塊功能)，接收SPWM驅動信號，根據(jù)驅動信號對IGBT模塊進行開關，將直流電容上的直流信號轉變?yōu)殡娋W(wǎng)所需的交流濾波電流和交流無功電流。
[0027]本發(fā)明有源電力濾波器工作原理如圖2所示:有源電力濾波器系統(tǒng)由四個部分組成，即采樣電路(諧波和無功電流檢測采樣)、主控制電路(DSP主控電路)、驅動電路和逆變模塊構成。
[0028]Ua, Ub, Uc為交流電網(wǎng)電壓，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并且消耗無功。
[0029]負載的三相電壓信號以及三相電流信號輸出至采樣模塊的輸入端，三電平逆變模塊輸出的兩相電流信號輸出至米樣模塊的輸入端，LC濾波電路輸出的兩相電流信號輸出至采樣模塊的輸入端，直流電容輸出的電壓信號輸出至采樣模塊的輸入端。以上電壓、電流信號輸入至采樣模塊后，經(jīng)過傳感器、運放后轉化為小電壓、小電流信號。
[0030]采樣模塊輸出的小電壓、小電流信號輸出至DSP控制電路(是采用浮點微處理器作為主控芯片，控制系統(tǒng)輔以CPLD芯片進行數(shù)字信號的邏輯處理即DPS+CPLD)的輸入端，DSP控制電路中CPLD控制模塊的AD采樣芯片將小電壓、小電流信號轉化為數(shù)字信號，傳輸至DSP，DSP根據(jù)采樣信號計算出電網(wǎng)所需補償?shù)闹C波電流，根據(jù)計算的諧波電流發(fā)出PWM信號，SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation正弦脈沖寬度調試)信號經(jīng)CPLD處理后轉化為SPWM信號輸出至驅動電路的輸入端，驅動電路將SPWM信號放大后輸出至逆變模塊的輸入端。
[0031]直流電容的輸出的直流電壓輸出至逆變模塊的輸入端，逆變模塊根據(jù)SPWM信號進行開關，將直流電壓轉化為交流電壓，逆變模塊輸出交流電壓至LC濾波電路的輸入端，交流電壓經(jīng)LC濾波電路后輸出交流補償電流至電網(wǎng)，以消除電網(wǎng)的諧波電流。
[0032]本發(fā)明的三相橋式PWM變流器能能實時補償電網(wǎng)諧波與無功；
[0033]本發(fā)明的有源電力濾波器能實現(xiàn)如下功能:
[0034]1、實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續(xù)調節(jié)。
[0035]2、補償諧波時所需的儲能元件容量不需太大，補償無功功率時不需儲能元件，因此直流側電容器容量要求不高，同時可以省去常規(guī)補償裝置中的大電感和大電容，使APF(有源電力濾波器)裝置的體積減少，且較小的電容量在系統(tǒng)中普遍使用也不易產(chǎn)生諧振。
[0036]3、即使補償對象電流過大，有源電力濾波器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用。
[0037]4、采用全數(shù)字控制技術，系統(tǒng)可靠性高。
[0038]5、控制靈活、響應速度快，調節(jié)范圍廣，能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
[0039]6、運行噪音小，安全穩(wěn)定，無磨損，無機械噪聲，能提高裝置壽命，改善對環(huán)境的影響。
[0040]7、連接電抗小，系統(tǒng)體積小。APF接入電網(wǎng)的連接電抗用于濾除電流中的較高次諧波，另外起到將逆變器和電網(wǎng)這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大。
[0041]8、采用高頻率可關斷器件，再與橋式交流電路的多重化技術SPWM技術相結合，可得到較理想的正弦電流波形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明:
[0043]圖1是本發(fā)明三相橋式PWM變流器一實施例的結構示意圖。
[0044]圖2是本發(fā)明有源電力濾波器的工作原理示意圖。
[0045]圖3是本發(fā)明有源電力濾波器一實施例的結構示意圖。
[0046]附圖標記說明
[0047]Cd 電容
[0048]Dl?D6是第一?第六二極管
[0049]Tl?T6是第一?第六IGBT
[0050]ica是第一電流輸出端
[0051]icb第二電流輸出端
[0052]ice是第三電流輸出端
[0053]Usa、Usb、Usc是三相電網(wǎng)電壓
[0054]isa、isb、isc是三相電網(wǎng)電流
[0055]ila、ilb、ilc是三相負載電流
[0056]Ua、Ub、Uc是電網(wǎng)電壓
[0057]ADC是AD信號檢測及調理單元
[0058]DSP+CPLD 是 DSP 控制電路
【具體實施方式】
[0059]如圖1所示，本發(fā)明三相橋式PWM變流器一實施例包括:第一橋臂電路，包括:串聯(lián)的第一 IGBT Tl和第二 IGBT T2，第一 IGBT Tl的集電極接電容Cd的正極，第二 IGBT T2的發(fā)射極接電容Cd的負極，第一 IGBT Tl發(fā)射極作為第一電流輸出端ica，第一二極管Dl正極接第一 IGBT Tl的集電極，第一二極管Dl負極接第一 IGBT Tl的發(fā)射極，第二二極管D2正極接第二 IGBT T2的集電極，第二二極管D2負極接第二 IGBT T2的發(fā)射極；
[0060]第二橋臂電路，包括:串聯(lián)的第三IGBT T3和第死IGBT T4，第三IGBT T3的集電極接電容Cd的正極，第四IGBT T4的發(fā)射極接電容Cd的負極，第三IGBT T3發(fā)射極作為第二電流輸出端icb，第三二極管D3正極接第三IGBT T3的集電極，第三二極管D3負極接第三IGBT T3的發(fā)射極，第四二極管D4正極接第四IGBT T4的集電極，第四二極管D4負極接第四IGBT T4的發(fā)射極；
[0061]第三橋臂電路，包括:串聯(lián)的第五IGBT T5和第六IGBT T6，第五IGBT T5的集電極接電容Cd的正極，第六IGBT T6的發(fā)射極接電容Cd的負極，第五IGBT T5發(fā)射極作為第三電流輸出端ica，第五二極管D5正極接第五IGBT T5的集電極，第五二極管D5負極接第五IGBT T5的發(fā)射極，第六二極管D6正極接第六IGBT T6的集電極，第六二極管D6負極接第六IGBT T6的發(fā)射極；[0062]如圖3所示，本發(fā)明的有源電力濾波器一實施例，包括:
[0063]DSP控制電路，采用浮點微處理器作為主控芯片，控制系統(tǒng)輔以CPLD芯片進行數(shù)字信號的邏輯處理，CPLD芯片完成采樣信號處理、控制計算、電路保護以及PWM信號輸出功能；本實施例中，DSP控制電路以TI公司的32位浮點微處理器TMS320C28346為主控芯片，TMS320C28346隸屬于Delfino MCU系列產(chǎn)品成員，運行頻率可高達300MHZ，是針對要求嚴格控制應用的高度集成、高性能解決方案?？刂葡到y(tǒng)輔以Altera公司的EPM570T100CPLD芯片，CPLD主要進行一些數(shù)字信號的邏輯處理。
[0064]AD信號檢測及調理單元，三相負載電流信號檢測，兩相有源電力濾波器輸出電流檢測，兩相LC濾波電路輸出電流檢測，直流側電容電壓檢測，經(jīng)互感器檢測，運放電路調理后，由外部AD采樣芯片輸出數(shù)字信號至DSP控制電路進行處理，本實施例部AD采樣芯片采用 AD7656 ；
[0065]保護電路，保護有源電力濾波器無故障運行，當有源電力濾波器直流電容電壓過高，或上下電容電壓差過大，電網(wǎng)電壓異常，功率器件IGBT溫度過高時，保護電路便產(chǎn)生保護信號，切斷PWM輸出信號，關閉三相橋式PWM變流器；
[0066]PWM驅動單元，DSP控制電路經(jīng)運算處理后，產(chǎn)生PWM信號，由外部放大電路放大信號，再經(jīng)過隔離驅動電路形成具有驅動能力的PWM驅動信號來驅動主功率電路中的三相橋式PWM變流器；
[0067]三相橋式PWM變流器(可采用如圖1所示結構)，接收PWM驅動信號，輸出無功電流至電網(wǎng)，IGBT模塊發(fā)出溫度信號輸送至IGBT溫度檢測單元；所述IGBT模塊即所述橋臂電路，能發(fā)出溫度信號；
[0068]IGBT溫度檢測單元，由一個單獨的AD芯片完成本實施例采用AD7995，通過兩線式串行總線通訊接口輸出至DSP控制電路；
[0069]通訊單元，具有串行通信接口和串行外圍設備接口，能與SVG (靜止無功發(fā)生器)、APF模塊或集成控制中心通訊。
[0070]以上通過【具體實施方式】和實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，但這些并非構成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種三相橋式PWM變流器，其特征是，包括: 第一橋臂電路，包括:串聯(lián)的第一 IGBT (Tl)和第二 IGBT (T2)，第一 IGBT (Tl)的集電極接電容(Cd)的正極，第二 IGBT (T2)的發(fā)射極接電容(Cd)的負極，第一 IGBT (Tl)發(fā)射極作為第一電流輸出端(ica)，第一二極管(Dl)正極接第一 IGBT (Tl)的集電極，第一二極管(Dl)負極接第一 IGBT (Tl)的發(fā)射極，第二二極管(D2)正極接第二 IGBT (T2)的集電極，第二二極管(D2)負極接第二 IGBT (T2)的發(fā)射極； 第二橋臂電路，包括:第三IGBT (T3)、第四IGBT (T4)、第三二極管(D3)和第四二極管(D4)，第二橋臂電路各電氣元件連接方式與第一橋臂電路相同，第三IGBT (T3)發(fā)射極作為第二電流輸出端(icb)； 第三橋臂電路，包括:第五IGBT (T5)、第六IGBT (T6)、第五二極管(D5)和第六二極管(D6),第三橋臂電路各電氣兀件連接方式與第一橋臂電路相同,第五IGBT (T5)發(fā)射極作為第三電流輸出端(ice)。
2.一種有源電力濾波器，其特征是，包括: DSP控制電路，采用浮點微處理器作為主控芯片，控制系統(tǒng)輔以CPLD芯片進行數(shù)字信號的邏輯處理，浮點微處理器完成采樣信號處理、控制計算、電路保護以及PWM信號輸出功倉泛; AD信號檢測及調理單元，三相負載電流信號檢測，兩相有源電力濾波器輸出電流檢測，兩相LC濾波電路輸出電流檢測，直流側電容電壓檢測，經(jīng)互感器檢測，運放電路調理后，由外部AD采樣芯片輸出數(shù)字信號至DSP控制電路進行處理； 保護電路，保護有源電力濾波器無故障運行，當有源電力濾波器直流電容電壓過高，或上下電容電壓差過大，電網(wǎng)電壓異常，功率器件IGBT溫度過高時，保護電路便產(chǎn)生保護信號，切斷PWM輸出信號，關閉三相橋式PWM變流器； PWM驅動單元，DSP控制電路經(jīng)運算處理后，產(chǎn)生PWM信號，由外部放大電路放大信號，再經(jīng)過隔離驅動電路形成具有驅動能力的PWM驅動信號來驅動主功率電路中的三相橋式PWM變流器； 三相橋式PWM變流器，接收PWM驅動信號，輸出濾波電流至電網(wǎng)，IGBT模塊發(fā)出溫度信號輸送至IGBT溫度檢測單元；所述IGBT模塊即所述橋臂電路，能發(fā)出溫度信號； IGBT溫度檢測單元，由一個單獨的AD芯片完成，通過兩線式串行總線通訊接口輸出至DSP控制電路； 通訊單元，具有串行通信接口和串行外圍設備接口。
【文檔編號】H02J3/01GK103607133SQ201310627732
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】張軍, 周鳳學, 唐偉, 賈允瞳 申請人:科大智能科技股份有限公司