專利名稱：用于向負載供電的電路配置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種從供電電力網(wǎng)向單相或多相負載供電的電路配置，此供電電力網(wǎng)傳輸起碼基本上正弦形的電力網(wǎng)交流電壓。
當電子能量換流器由構(gòu)成單相交流電力網(wǎng)的供電電力網(wǎng)供電時，在電力網(wǎng)側(cè)通常使用帶有后儲能電容器的全波橋式整流電路。這種橋式整流電路通常也稱為格里茨(Graetz)橋路，它保證只有在供電電力網(wǎng)的電壓的瞬時值大于所述儲能電容器兩端的電壓時，才有從供電電力網(wǎng)向儲能電容器再充電的電力網(wǎng)電流流動。這樣，就從供電電力網(wǎng)支取明顯的脈沖狀的電流，所述電流的平均值對應于負載從儲能電容器支取電流的平均值。這樣所形成的從供電電力網(wǎng)支取的電力網(wǎng)電流有高諧波含量。如果這Graetz橋路用于驅(qū)動高功率負載，則諧波含量將會非?？斓爻^電力網(wǎng)操作者所規(guī)定的最高準許諧波含量的極限?？紤]到電力網(wǎng)操作者的強制性命令，也考慮到大多數(shù)國家和歐洲標準，不允許使用產(chǎn)生有高諧波含量的電力網(wǎng)電流的負載。
已經(jīng)知道，在Graetz橋路的下游連接濾波扼流圈；這種扼流圈實現(xiàn)使電力網(wǎng)電流平滑的作用，因此減少諧波含量?？墒?，這種扼流圈在高功率的情況下變得非常龐大和非常重；這對裝備有這種電源單元的裝置的緊湊性和重量來說有不利的影響。
西門子出版的，W．Hirschmann和A．Hauenstein的刊物“Schaltnetzteile”，ISBN No．3-8009-1550-3，section 6．4，pp441到444描述了有正弦波支取電流的上變頻器。這裝置也稱為預調(diào)節(jié)器，它包括電子電源開關，高頻扼流圈和非?？斓拈_關二極管。所述電源開關必須用適當?shù)目刂齐娐穪眚?qū)動，后者控制正弦形的電力網(wǎng)電流，而不會引起中間電路、即在Graetz橋路的下游的電壓的明顯的脈動。當適當?shù)卦O計所述控制電路時，上述電路配置將啟動正弦波電力網(wǎng)電流，在所述電力網(wǎng)電流中的諧波將起碼基本上是可抑制的，不管連接到電路配置的負載如何，并且還有可能與中間電路上起碼近似恒定的電壓一致地把所述電路配置的負載功率保持恒定。可是，為此目的需要比較大量的電路裝置。
在許多情況下，不需要以在時間上恒定的功率向負載供電。經(jīng)常是，當這功率的瞬時值例如以電力網(wǎng)頻率的雙倍頻率相對于平均值脈動也已經(jīng)能滿足要求了。在這情況下，上述的預調(diào)節(jié)的使用會特別不利。
本發(fā)明的一個目的是提供一種電路配置，用于從供電電力網(wǎng)向負載供電，并且在使用簡單裝置的同時保證電力網(wǎng)電流只有少量的諧波。
根據(jù)本發(fā)明，通過采用這樣一種從供電電力網(wǎng)向單相或多相負載供電的電路配置來達到這目的，此供電電力網(wǎng)傳輸起碼基本上正弦波的電力網(wǎng)交流電壓，在此電力網(wǎng)的工作頻率下，所述負載有起碼基本上電阻性的特性，所述電路配置包括全波整流級，用于獲得起碼基本上正弦形的中間電路電壓，調(diào)制級，它被構(gòu)成單相或多相逆變器，在控制信號的控制下，從中間電路電壓產(chǎn)生起碼一種加到負載的高頻電源電壓，上述控制信號的頻率相對于電力網(wǎng)交流電壓的頻率是高的，而所述電源電壓由控制信號與中間電路電壓的乘積來決定，和高頻濾波器級，它耦合到全波整流級，以便抑制在所述供電電力網(wǎng)中感生的、在包含控制信號頻率的頻率范圍內(nèi)的干擾。
本發(fā)明利用了對以下事實的認識，即通過取消在中間電路中的，即連接到Graetz橋路的上述電容器，可以非常簡單地從具有Graetz橋路的電源獲得作為負載下游的歐姆電阻的正弦波電力網(wǎng)電流。于是，中間電路的電壓總是呈現(xiàn)為電力網(wǎng)的電力網(wǎng)電壓的絕對值，而電力網(wǎng)電流比例于電力網(wǎng)電壓。對于在電力網(wǎng)頻率附近的預先確定的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)為基本上電阻性的負載，根據(jù)本發(fā)明的電路配置也產(chǎn)生正弦波電力網(wǎng)電流。這種負載例如可以由帶電阻負載的高頻開關DC／DC轉(zhuǎn)換器形成，但也可以由以AC／DC轉(zhuǎn)換器供電的非?？斓碾妱訖C，例如異步電動機和永磁電動機形成。可以選擇所述負載呈現(xiàn)為基本上電阻性的對應的頻率范圍，例如從0到2kHz。這種選擇與限制諧波的相關規(guī)定一致。相對所述頻率范圍的上限，例如高頻開關DC／DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率是高的。
在根據(jù)本發(fā)明的電路配置中，負載所支取的功率總是比例于作為輸入電壓加到調(diào)制級的中間電路電壓的平方。因為根據(jù)本發(fā)明的電路配置不含有在電力網(wǎng)頻率下存儲大量能量的儲能元件，因此，電力網(wǎng)電壓和電力網(wǎng)電流成比例。這樣，在正弦波電力網(wǎng)電壓情況下，也將獲得正弦波電力網(wǎng)電流。耦合到全波整流器級的高頻濾波器級僅僅用來抑制具有控制信號頻率的干擾。這高頻濾波器級最好包括非常小的電感和非常小的電容，例如連接到全波整流器級的下游。如果需要，電感也能插入供電電力網(wǎng)與全波整流器級之間的連接部分。以這樣的方式來決定所述電感和所述電容的大小，即它們所支取的電流分量相對于流過負載的歐姆電流是小的。
在根據(jù)本發(fā)明的這類電路配置中，經(jīng)常遇到這樣的問題，在低頻的情況下，即在供電電力網(wǎng)的電力網(wǎng)頻率下，負載的阻抗非常低。例如在負載包括變壓器，非?？斓碾妱訖C或類似的電器時，就會發(fā)生這種情況。因為這些負載通常工作在高頻電源電壓，所以，在低頻下在大部分情況下必然是低阻抗的。
在根據(jù)本發(fā)明的電路配置中，由高頻控制信號與正弦中間電路電壓的乘積來決定負載的高頻電源電壓。因此，高頻電源電壓有正弦的包絡線。這意味著，電源電壓有邊帶，它們相對于控制信號頻率對稱地分布。這些邊帶也含有非常低的頻率。這是因為正弦中間電路電壓本身在頻譜上不是純的，而是有甚至包括電力網(wǎng)頻率的幾倍的各種分量。這些頻譜分量與控制信號的混合產(chǎn)物也處于非常低的頻率下。在低阻抗的負載中，這些低頻頻譜分量能在低頻下產(chǎn)生一定大小的低頻電流。這些電流通過調(diào)制級對全波整流級起反作用，它們能在全波整流級抵消對諧波的抑制作用。
通過把正弦波電力網(wǎng)電壓直接加到調(diào)制器，而不用中間電路的正弦電壓，就能夠避免這種缺點。可是，為了處理正弦波電力網(wǎng)電壓，調(diào)制級應包括適用于每個電壓和電流方向的電源開關。這種電路配置也稱為直接交流(AC)轉(zhuǎn)換器?？墒牵@類AC轉(zhuǎn)換器肯定比只有一種電流或電壓極性的調(diào)制級復雜得多。
為了避免由中間電路的正弦電壓所引起的干擾，本發(fā)明另一個實施例備有控制信號反相級，此反相級使控制信號的符號在電力網(wǎng)交變電壓從半個周期轉(zhuǎn)換到下半個周期時反相。這種步驟的結(jié)果是，可以達到采用直接AC轉(zhuǎn)換器的相同效果?？刂菩盘柕姆栐陔娏W(wǎng)交變電壓的每個過零點被反轉(zhuǎn)。因為調(diào)制級象乘法器那樣地工作，所以它有與下面相同的效果，就象是中間電路電壓不再正弦形地變化，而純粹以正弦波的形式變化。這樣，調(diào)制級所送出的電源電壓的頻譜的邊帶被減小到只是兩條譜線，所述兩條譜線處在控制信號頻率的兩側(cè)，與控制信號頻率有一定距離。因此，這些邊帶中不再出現(xiàn)低頻分量。這樣就在負載中避免了低頻電流，結(jié)果，也避免了可能由再轉(zhuǎn)換經(jīng)由調(diào)制級在全波整流器級、因此在電力網(wǎng)中產(chǎn)生的干擾。
控制信號反相級最好包括符號探測級，用于探測電力網(wǎng)交變電壓的極性的瞬時值，并用于提供表示相關極性的符號信號；以及乘法級，用于通過把控制信號與符號信號相乘來產(chǎn)生符號修正控制信號。
在本發(fā)明的這個實施例中的符號探測級起著測量電路的作用，它決定電力網(wǎng)交變電壓的極性。符號探測級產(chǎn)生對應于+1或-1的信號。這信號被加到乘法級，在乘法級中，這信號被用來對電力網(wǎng)交變電壓的過零點作出響應，使控制信號反相。
在根據(jù)本發(fā)明的電路配置的另一個實施例中，如果控制信號已經(jīng)可以作為二進制的開關信號，例如它能方便地直接用作功率晶體管的開關信號，那么，控制信號反相級最好備有反相器，此反相器能用符號信號來轉(zhuǎn)換，并且被控制信號所通過(traversed)。那么，這個可轉(zhuǎn)換的反相器就取代了乘法級，并且在最簡單的情況下可以用“異”門構(gòu)成。
此后，將參考附圖詳細地描述本發(fā)明的實施例。在此，對應的元件以相同的參考號表示。


圖1表示本發(fā)明的第一實施例，圖2表示本發(fā)明的第二實施例，圖3表示第二實施例的一個部分的另一形式，和圖4圖示某些波形，以便說明圖1和2所示的電路配置的工作情況。
圖1表示從供電電力網(wǎng)2向負載1供電的電路配置，在本實施例的情況下，此負載1是三相負載，例如三相電動機，在簡化的等效電路圖的形式中電力網(wǎng)表示為交變電壓源。一個全波整流級3，例如Graetz橋路通過其交變電壓端子4，5連接到供電電力網(wǎng)2。第一直流電壓端子6在Graetz橋路工作期間帶正電平，今后稱為Graetz橋路的正極，它通過電感8連接到調(diào)制級11的第一電源電壓端子10。Graetz橋路3的第二直流電壓端子7帶負電平，今后稱為負極7，它連接到調(diào)制級11的第二電源電壓端子12。此外，調(diào)制級11的電源電壓端子10，12跨接著電容9?？刂菩盘柊l(fā)生級13通過它的輸出端14連接到調(diào)制級11的控制信號輸入端15。在圖1所示的電路配置工作期間，Graetz橋路3通過交變電壓端子4，5接收到起碼基本上正弦形的電力網(wǎng)交變電壓。Graetz橋路通過直流電壓端子6，7輸出整流后的作為正弦中間電路電壓的電力網(wǎng)交變電壓；這中間電路電壓出現(xiàn)在Graetz橋路3的正極6和負極7之間。這樣來決定電感8的大小，使得在電力網(wǎng)交變電壓的頻率下和負載的額定電流下，這電感的電壓降與電力網(wǎng)交變電壓相比是小的，而在電力網(wǎng)交變電壓的頻率下，電容9所形成的電流與負載電流相比是小的。這樣，電感8和電容9對中間電路電壓的時間變化只產(chǎn)生可以忽略的影響。這樣，正弦中間電路電壓基本上沒有調(diào)制地加到調(diào)制級11的電源電壓端子10，12。
控制信號發(fā)生級13通過輸出端14輸出控制信號，后者的頻率與電力網(wǎng)交變電壓相比是高的，所述控制信號被加到調(diào)制級11的控制信號輸入端15。以三相AC／DC轉(zhuǎn)換器的形式構(gòu)成調(diào)制級。在調(diào)制級11中三個高頻電源電壓與控制信號一致地由中間電路電壓產(chǎn)生，所述電源電壓中的每一個從調(diào)制級11通過各自的連接線被加到負載1。這樣來對負載1供電。作為負載1的例子來表示的電動機可以是異步電動機或是磁阻電動機。從控制信號發(fā)生級13來的控制信號以這樣的廣為人知的方式為這樣的電動機產(chǎn)生高頻電源電壓，使得電動機以所希望的轉(zhuǎn)速和以所希望的轉(zhuǎn)矩工作。然后，根據(jù)控制信號輸入端15的控制信號與電源電壓端子10，12的中間電路電壓的乘積來決定負載1的電源電壓。
以這樣的方式來決定電感8和電容9的大小，即它們形成高頻濾波器級，用于抑制顯著地以控制信號頻率發(fā)生的干擾。這種由控制信號引起的干擾被高頻濾波器級8，9有效地與電力網(wǎng)隔離開。
因為電感8和電容9對于電力網(wǎng)交變電壓的頻率并不起重要的儲能作用，所以中間電路電壓的變化非常接近于正弦波。對于負載1的電阻特性，它所消耗的功率總是正比于中間電路電壓的瞬時值，即跨于調(diào)制級11的電源電壓端子10，12的電壓的平方。因此，電力網(wǎng)交變電壓和從供電電力網(wǎng)支取的電流也彼此正比。在正弦波電力網(wǎng)交變電壓的情況下，就這樣得到從供電電力網(wǎng)支取的電流的所要求的正弦波變化。
在圖1的另一種形式中，也能在電力網(wǎng)2與Graetz橋路3之間的導線之一插進電感8。
圖2表示圖1的電路配置的另一種形式；圖1現(xiàn)已補充了控制信號反相級?？刂菩盘柗聪嗉壈ǚ柼綔y級16和乘法級17，符號探測級16的輸入端連接到Graetz橋路3的交變電壓端子4，5，而乘法級17插在控制信號發(fā)生級13的輸出端14和調(diào)制級11的控制信號輸入端15之間的連接電路中。乘法級17的輸入端連接到輸出端14，而控制信號輸入端15連接到乘法級17的輸出端。乘法級17的第二輸入端連接到信號探測級16的輸出端。
在圖2所示的電路配置工作期間，加到符號探測級16的電力網(wǎng)交變電壓的極性在那里被測量。符號探測級16輸出表示電力網(wǎng)交變電壓的極性的符號信號。在乘法級17，符號信號被乘以控制信號，產(chǎn)生符號修正控制信號，它被送到調(diào)制級11的控制信號輸入端15。在符號修正控制信號中，從控制信號發(fā)生級13的輸出端14來的控制信號的極性在電力網(wǎng)交變電壓的每個過零點被反轉(zhuǎn)。
基于圖4所示的簡化例子來說明控制信號反相級16，17的工作。圖4A表示正弦波電力網(wǎng)交變電壓；圖4B表示通過全波整流由正弦波電力網(wǎng)交變電壓產(chǎn)生的中間電路電壓的正弦變化。圖4C表示簡化的高頻控制信號的方波變化，它畫在與圖4A和4B相同的時間軸上。圖4C所示的變化對應于例如控制信號發(fā)生級13的輸出端14的控制信號。圖4B與4C的信號相乘產(chǎn)生圖4D的信號變化，它以實線表示，作為負載1的電源電壓的圖形代表。
與此相比，圖4E表示符號修正控制信號，它的符號在圖4A的電力網(wǎng)交變電壓過零時發(fā)生改變。當圖4E的符號修正控制信號與圖4B的正弦中間電路電壓相乘時，作為合成的電源電壓，得到圖4F的實線所表示的電壓變化。圖4F的高頻電源電壓相對于圖4D所示的變化，在圖4A的電力網(wǎng)交變電壓的過零處顯示了相反的符號，使得圖4D和4F所示的電源電壓在電力網(wǎng)交變電壓的整個第二半波期間按照反相位變化。
圖3表示在控制信號是二進制信號的情況下乘法級17的特別簡單的實施例。這種來自輸出端14的控制信號以脈沖占空比不等于1的(為簡單起見)方波信號的形式用圖解法表示在圖3中。它被加到乘法級17的第一輸入端。從符號探測級16來的符號信號被加到乘法級17的第二輸入端，所述符號信號也是二進制信號，它在電力網(wǎng)交變電壓過零期間在它的兩個信號電平之間轉(zhuǎn)換。結(jié)果，在乘法級17(例如“異”門)的輸出端的符號修正控制信號的極性也反相。其變化也圖示于圖3的這種信號被加到調(diào)制級11的控制信號輸入端15。
權(quán)利要求
1．一種從供電電力網(wǎng)向單相或多相負載供電的電路配置，此供電電力網(wǎng)輸送起碼基本上正弦形的電力網(wǎng)交變電壓，在此電力網(wǎng)的工作頻率下，負載有起碼基本上電阻性的特性，其特征在于所述電路配置包括全波整流級，用于獲得起碼基本上是正弦形的中間電路電壓，調(diào)制級，它以單相或多相逆變器的形式構(gòu)成，所述逆變器在控制信號的控制下從中間電路電壓產(chǎn)生起碼一種加到負載的高頻電源電壓，上述控制信號的頻率相對于電力網(wǎng)交變電壓的頻率是高的，并且所述電源電壓由控制信號與中間電路電壓的乘積來決定，和高頻濾波器級，它耦合到全波整流級，以便抑制在所述供電電力網(wǎng)中感生的、在包含控制信號頻率的頻率范圍的干擾。
2．權(quán)利要求1的電路配置，其特征在于它包括控制信號反相級，此反相級使控制信號的符號在電力網(wǎng)交變電壓從半個周期轉(zhuǎn)換到下半個周期時反相。
3．權(quán)利要求2的電路配置，其特征在于所述控制信號反相級包括符號探測級，用于探測電力網(wǎng)交變電壓極性的瞬時值，并用于提供表示相關極性的符號信號，和乘法級，用于通過把控制信號與符號信號相乘來產(chǎn)生符號修正控制信號。
4．權(quán)利要求2或3的電路配置，在這電路配置中以二進制開關信號的形式形成所述控制信號，其特征在于在所述控制信號反相級中所述控制信號穿過能被符號信號轉(zhuǎn)換的反相器。
5．一種帶有電子換向電動機的驅(qū)動裝置，其特征在于它包括上述權(quán)利要求中的一個權(quán)利要求的電路配置，所述負載由電動機構(gòu)成。
6．一種電氣裝置，其特征在于它包括權(quán)利要求5所要求的驅(qū)動裝置。
全文摘要
從電力網(wǎng)向單相或多相負載供電的電路配置包括:全波整流級,用于獲得起碼基本上正弦形的中間電路電壓;調(diào)制級,它以單相或多相逆變器的形式構(gòu)成,在控制信號的控制下,從中間電路電壓產(chǎn)生起碼一種加到負載的高頻電源電壓,上述控制信號的頻率相對于電力網(wǎng)交變電壓的頻率是高的,而電源電壓由控制信號與中間電路電壓的乘積來決定;和高頻濾波器級,它耦合到全波整流級,以便抑制在所述供電電力網(wǎng)中感生的、在包含控制信號頻率的頻率范圍內(nèi)的干擾。
文檔編號H02M1/12GK1205572SQ9811549
公開日1999年1月20日 申請日期1998年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月11日
發(fā)明者P·呂爾肯斯 申請人:菲利浦電子有限公司