CN1010729B - 电源变换装置 - Google Patents

Abstract

一电源变换装置，其中多个变换器将有第一频率的第一电源变换成有第二频率的第二电源，及第二电源是供给例如电动机的负载的，且其中，校正控制器改变参考电压以产生要供给变换器的参考电压信号，以便改变变换器的点火相位角，由此阻止第一电源的整数次的高次谐波的产生。

Description

本发明涉及一种将具有一频率的交流电源转换成具有另一频率的另一交流电源的变换装置。

在图1中，表示了作为电源变换装置的传统的用于驱动三相电动机6的环流型环式变换装置。环式变换装置包括三个流有正侧输出电流的正变换装置1;三个流有负侧输出电流的负变换装置2;三对三相变压器3，它的初级线圈联到交流电源（未图示），它的次级线圈联到正、负变换装置1和2;三个联到正、负变换装置1和2的输出端的电抗器4，这些电抗器用于限制在正、负变换装置1和2以及变压器3中流动的环流;及一联到变压器3的初级线圈的相位超前电容器5。电抗器4的中性点或中点被联到三相电动机6的三个线圈。每个正变换装置1包括一对互相串接联接成两级的变换器7和8，及每个负变换装置2包括一对互相串接联接成两级的变换器9和10。一半导体元件或开关半导体元件如闸门电路断开元件或一可控硅可以适当地用作变换器。此外，配置有正变换装置1，负变换装置2和变压器3并与相应的三相U，V，和W相连接。

上述的环式变换器的作用原理将详细地进行描述。

每个正变换装置1和每个负变换装置2同时输出各自的电压，这两电压的平均电压通过每个电抗器4加到电动机6的每个线圈。具有某一频率的对称的三相正弦波电压通过电抗器4从三对变换装置1和2输出。三相电压的各相位相互移相120度。因而三相正弦电流被供给到电动机6的三个线圈以便驱动该电动机。此时，有电压差（正变换装置1的输出电压等于或大于负变换装置2的输出电压）在正、负 变换装置1和2的输出电压之间产生，所以有环流在由正变换装置1、电抗器4、负变换装置2和变压器3组成的闭合电路中流动。

在这环式变换器中，因为产生的无功功率很大，为了去补偿这无功功率，相位超前电容器5被联到变压器3的初级线圈，由此使输入的功率因数改善。然而在环式变换器中产生的无功功率随它的工作条件而变，因此不能在整个工作范围内用一具有某一值的相位超前电容器来维持高输入功率因数，那么为了解决这一问题，对电机输出无益的环流和无功功率要被控制在某一值，以便使环流的无功功率和产生在环式变换器中的无功功率的总和可成为预定值。在这时候，对相位超前电容器5的电容量应选择成使被控制的整个无功功率变为零，从而导致有可能在整个工作范围内一直使环式变换器在高功率因数上。

接着，变压器3的导线连接间的关系和环式变换器的作用将参考图2和图3进行描述。

如图2所示，每个变压器3包括在一个次级线圈中的一个三角形联接和在初级线圈和另一次级线圈中的两个星形联接，供给联到星形联接的次级线圈的变换器8和9的电压的相位与星形联接的初级线圈的电压相位相同，而供给联到三角形联接的次级线圈的变换器7和10的电压的相位则相对于星形联接的初级线圈的电压相位移相到-30°，例如，供给变换器7，8，9和10的电压相位分别是-30°，0°，0°和-30°。

在图3中，表示出了在正变换装置1和负变换装置2的输出处和在电抗器4的中性点的三个电压波形。具有30°相位和12个脉冲的电压从正变换装置或负变换器装置1或2输出，这时，要供给电动机6的电压或在电抗器4的中性点的电压变成平均为零的电压，如图3所示，因此电动机6不能被驱动而只能停止，且只有对应于相位超前电容器5的环流在电路中循环。

在如上所述的已有的环式变换器中，由于当使电机停止时已没有电流会供给电动机，对应于相位超前电容器的无功功率全是由流动的环流产生的，在这种情况下，大电流仅在每个由正变换装置1，电抗器4，负变换装置2和变压器3组成的闭合电路中流动。产生了大量的（6n±1）次的高次谐波，其中n是整数。

通常，在图1所示的主电路的联接中，由于变压器3的一次级线圈的绕组相位移相到30°，就产生了（12n±1）次的高次谐波，其中n是整数。另外，众所周知产生的高次谐波的电流的量是基波电流的 1/(（6n±1）) 倍，其中n是整数。这高次谐波的电流引起电源的电压波形的变形或失真，结果是给联到同一电源的电子设备、装置或机器带来坏的影响。例如，十一次和十三次高次谐波的电流在电源系统中会引起电阻的额定电流的过电流，结果会产生过热。

在已有技术中，如美国专利No.4，652，989也揭示了一种以消除电源频率的高次谐波为目的的频率变换装置。该文所揭示的频率变换装置的作校正用的正弦波产生器的输出信号通过与其相连的函数电路，功率因数角检测器，与设在变换器的输出端的电流检测器相耦连。从而使所述校正用的正弦波产生器的输出信号的频率随变换器的输出频率而变，并且它的大小和相位的控制、受到输出电压和负载的功率角的影响，另外，该装置要消除的高次谐波的次数m要预先规定好才能进行这种消除。

因此，本发明的目的是提供一电源变换装置，以避免上述的已有技术的不足之处和缺点。该电源变换装置可控制以防止高次谐波的产生或减少高次谐波产生的量并能一直保持高输入功率因数。

按照本发明的一个方面，提供一电源变换装置，该装置包括将具有一频率的第一电源变换成具有第二频率的第二电源的多个变换装置，其第二电源供给负载;及改变参考电压以产生供给变换装置的点火相 位角的校正控制装置。因而可防止第一电源的整数次的高次谐波的产生。

本发明以上述目的和其它的目的，特征和优点将从下面参考附图对较佳实施例的说明中可更充分地体现出来。

图1是驱动三相电动机的已有的环流型环式变换器的线路图;

图2是用于解释变换器的相位关系的图1的已有的环式变换器的一相的变换装置和与其相连的变压器的部分线路图;

图3是图2的正变换装置、负变换装置和电抗器的输出电压的波形图;

图4是按照本发明的电源变换装置的一相的主要部分的第一实施例的部分线路图;

图5是按照本发明的电源变换装置的一相的主要部分的第二实施例的部分线路图;

图6是按照本发明的电源变换装置的一相的主要部分的第三实施例的部分线路图;

图7是用于解释校正控制器的作用的按照本发明的电源变换装置的有不同相位的四个变换器和与其相连的2个变压器的部分线路图。

图8是图7所示的正变换装置和负变换装置和电抗器的输出电压的波形图。

现在参考附图对本发明进行详细地描述，其中相同参考号在几幅图中都是指同一部件或相对应的部件。

首先，联系图7和图8对本发明的原理概念进行描述。

根据本发明，利用按照本发明的电源变换装置的校正控制器将具有12个脉冲的输出电压，修正为具有24个脉冲的输出电压，如在下文参考它的较佳实施例详细地进行描述的那样。

即为了将具有12个脉冲的输出电压修正为具有24个脉冲的输出电 压，要供给变换器（例如开关半导体元件）的参考电压被修正成如图7所示，即可将相位差±7.5°加到正变换装置20和负变换装置21的变换器22，23，24和25，同时变换器的初始相位分别为-30°、0°、0°和-30°（如图2所示），因而在电抗器6的中性点可得到24个脉冲的输出电压。

换句话说，校正控制器控制着变换器22，23，24和25的相位以使变换器22，23，24和25的相位能分别被修正成-37.5°（＝-30°-7.5°），+7.5°（＝0°+7.5°）-7.5°（-0°-7.5°），和-22.5°（＝-30°+7.5°）。在这种情况下，在变换器22，23，24和25的各输出电压之间相位差总是15°。

在图8中，表示出了正变换装置20、负变换装置21和电抗器26的中性点的输出电压的波形。从三个波形中可很容易地看出相对于输入电源具有24个脉冲的输出电压可以在电抗器26的中性点处输出。此外，从正变换装置20和负变换装置21经电抗器26供给负载（例如联到该处的电动机）的电压变成平均为零。因此，对已有的电压输出系统和负载的工作特性不会有任何影响。所以已有电源变换器的具有12个脉冲的输出电压的（12n±1）次的高次谐波的产生量，特别是11次高次谐波能被有效的减少。在理论上在这实施例中，产生有（24n±1）次的高次谐波。而已有电压变换器的11次和13次的高次谐波分量则互相抵消为零，结果可保持高输入功率因数。

参考本发明的较佳实施例并联系图4～图6对本发明作进一步详细的描述。

在图4中，表示三相桥式环流型环式变换器的一相（如U相）的主要部分的第一实施例，其上加有根据本发明的电源变换装置，其中另两相（如V相和W相）的部分，（每个都有和上述U相部分相同的结构），为了说明简洁而略去。

在图中，U相环式变换装置包括：一正变换装置30，为了改变输入交流电源的正侧的频率，该装置30包含互相串联为两级的一对变换器40和41;一负变换装置31，为了改变输入交流电源的负侧的频率，该装置31包含互相串联成两级的一对变换器42和43;一对三相变压器32，每一都在初级线圈和一次级线圈中有两个星形联接，并在另一次级线圈中有一三角形联接，次级线圈都被联到正、负变换器40，41，42和43，联到正、负变换装置30和31的输出端的电抗器33用以抑制在变换装置30和31，变压器32和电抗器33中流动的环流;参考电压信号发生器34，它接收参考电压Vref，并在考虑到正、负变换装置30和31的各个变换器40，41，42和43的点火脉冲输出相位的基础上输出参考电压信号Va、Vb、Vc、和Vd;一校正电路35，它产生一对应于根据该参考电压信号进行移相的相位校正信号P;及加法器36，37，38和39。它将参考电压信号和相位校正信号相加，并将校正后的参考电压信号Vaa、Vbb、Vcc和Vdd输出到变换器40，41，42和43。

在如上所描述的这环式变换器中，参考电压Vref被加到参考电压信号发生器34，在考虑各个变换器40，41，42和43的点火脉冲输出相位之后，参考电压信号发生器34分别输出参考信号Va、Vb、Vc和Vd到变换器40，41，42和43，这时，根据参考电压信号Va、Vb、Vc和Vd的顺序变换器40，41，42和43的相位分别是-30°，0°，0°，-30°，并与电源系统同步。

对于变换器40，41，42和43，为了改变各变换器的点火相位角，校正电路35现对应于要改变的相位角7.5°的相位校正信号P，这时，校正电路35的作用如下。

相位角α、变换器的参考电压Vref和变换器的最大输出电压Vmax间的关系以下式表示：

Vref＝Vmax·Cosα

因此，为了修正7.5°的相位角，从上式可明显看出变换器的参考电压Vref被确定为Vmax·Cos7.5，以下简称V_7.5，所以校正电路35输出计算值V_7.5作为相位校正信号P，微型电子计算机可很合适地用作校正电路35。

然后，通过在加法器36，37，38和39中加上或减去V_7.5值，可修正参考电压信号Va、Vb、Vc和Vd，以得到下面的校正后的参考电压信号;

Vaa＝Va-V_7.5

Vbb＝Vb+V_7.5

Vcc＝Vc-V_7.5

Vdd＝Vd+V_7.5

为了改变各变换器的点火相位角，这些校正后的参考电压信号Vaa、Vbb、Vcc和Vdd被分别加到变换器40，41，42和43。

因此，加到变换器40，41，42和43上的校正后的参考电压信号Vaa、Vbb、Vcc和Vdd的相位分别确定为-37.5°（＝-30°-7.5°），+7.5°（＝0°+7.5°），-7.5°（＝0°-7.5°）和-22.5°（＝-30°+7.5°），所以在变换器40，41，42和43的输出电压间的相位差是15°。于是，相对于输入电源有24个脉冲的输出电压从电抗器33的中性点输出，负载（如电动机（图中未示出））可由有24个脉冲的输出电压进行驱动。

在本实施例中，可很容易地理解到因为通过校正电路35，参考电压信号发生器34和加法器36至39可将有12个脉冲的输出电压修正为有24个脉冲的输出电压，所以产生了（24n±1）次的高次谐波，而有12个脉冲的输出电压的（12n±1）次高次谐波如十一次和十三次高次谐波的产生可被有效地防止。

又，在图5中，表示出了按本发明的一电源变换装置的第二实施 例。在这实施例中，电源变换装置与在图4中表示的第一实施例的结构除另外加有一速度检测器50及鉴别电路51及校正电路35例如根据负载的电动机的速度来动作以外都相同。

在这种情况下，如图5所示，速度检测器50用已有的方法检测作为负载的电动机的速度，并输出一检测信号给鉴别电路51，然后鉴别电路51对这鉴别信号的速度是否属于低速度范围进行鉴别。当鉴别出的速度在低速范围之内时，则鉴别电路51输出一ON（动作）信号给校正电路35以便使其动作，当校正电路35从鉴别电路51接收ON信号时，校正电路35输出相位校正信号P给加法器36至39。在另一方面，当鉴别出的速度没有落在低速范围之内时，则鉴别电路51不输出信号给校正电路35，校正电路35不进行动作。

当驱动电机的速度慢时，本发明的电源变换装置特别有效，且当电机在正常速度上旋转时，则这电源变换装置实质上是不需要的。在这实施例中，当利用由变压器供给的高的次级电压使电机运行在高速度时，由于适当地确定低速范围可使电压不致下降太低。当然本实施例中，也能得到和第一实施例相同的效果和优点。

下面在图6中，表示了按本发明的电源变换装置的第三实施例。在这实施例中，除使用的变压器32a和32b中，变压器32a在初级线圈中有一星形联接和在两次级线圈中有两个三角形联接，且另一变压器32b在初级线圈和两次级线圈有三个星形联接外，电源变换装置与在图4中所示的第一实施例有相同的结构。

在此情况下，如图6所示，正、负变换装置30和31的变换器40，41，42和43的起始相位分别是-30°，0°，-30°，和0°。所以，在加法器36，37，38和39中的修正值与上述第一实施例的有所不同。即所得到的分别要供给变换器40，41，42和43的校正后的参考电压信号Vaa，Vbb，Vcc和Vdd如下所示，其中Va、Vb、Vc和Vd代 表从参考电压信号发生器34输出的参考电压信号并被加到加法器36，37，38和39，且V_7.5代表从校正电路35输出的相位校正信号P。

Vaa＝Va-V_7.5

Vbb＝Vb-V_7.5

Vcc＝Vc+V_7.5

Vdd＝Vd+V_7.5

因此，要供给变换器40，41，42和43的校正后的参考电压信号Vaa、Vbb、Vcc和Vdd的相位分别确定为-37.5°（＝-30°-7.5°），-7.5°（＝0°-7.5°），-22.5°（＝-30°+7.5°）和7.5°（＝0°+7.5°），所以变换器40，41，42和43的输出电压之间的相位差是15°。因此，有24个脉冲的输出电压在电抗器33的中性点处输出，且电机可由有24个脉冲的输出电压驱动。在本实施例中，可得到与第一实施例相同的效果和优点。

从本发明提供的较佳实施例的说明中可很容易地理解到，根据本发明，参考电压信号Va、Vb、Vc和Vd及相位校正信号P之间的相加关系可考虑到变换器的相位并视变压器的初级线圈和次级线圈的接线连接情况作适当的改变，结果就能得到有24个脉冲的输出电压。

虽然已在较佳实施例中对本发明进行了描述，在这实施例中对应于相位角7.5°的相位校正信号被用作定值，然而相位角或以校正电路中输出的相位校正信号的校正量当然可以是可变的并供给互相串联连接的多个变换器。另外，虽然本发明是参考环流型环式变换器进行描述的，但当然本发明可加到用于包含相互多级串联的变换器的电源变换装置，其中输出电压是从正、负变换装置同时输出的。本发明的电源变换装置能有效地用作直线电机等的电源。另外，很容易理解的是一相部分如本发明的电源变换装置的U相部分当然是可用作直流电动机等的电源的。

从上述说明中可很容易地理解到变换装置的相位是变化的，即通过修正点火相位来改变变换器的点火相位角为预定的数值，从而得到有两倍脉冲数的输出电压，其结果是能有效地防止上述次数的高次谐波的产生。

虽然已参考附图在较佳实施例中对本发明进行了描述，但很容易理解到本发明并不局限于本发明的较佳实施例，且在不脱离本发明的精神和范围的条件下本专业人员可对本发明进行变化和修改。

Claims (10)

1、一种电源变换装置，它包含将有第一频率的第一电源变换为有第二频率的第二电源的多个装置，该第二电源具有含多个相位的输出电压、所述第二电源供给负载，其特征在于包含：

改变参考电压以产生供给变换装置的相位角移相信号的校正控制装置，以便对变换装置的点火触发相位角进行移相，结果使第二电源的输出电压之间的相位差为15°，从而防止产生第一电源整数高次谐波。

2、如权利要求1所述的电源变换装置，其特征在于还包括检测负载的工作条件以输出检测信号的装置;及根据来自检测装置的检测信号输出、鉴别出使校正控制装置动作的时间的装置。

3、如权利要求2所述的电源变换装置，其特征在于：变换装置包括变换第一电源的正侧和负侧的正、负变换装置;一对有联到正、负变换装置的次级线圈的变压器;及一有中性点并被连接到正、负变换装置的输出的电抗器，且第二电源是从该电抗器的中性点输出的。

4、如权利要求3所述的电源变换器，其特征在于每个正、负变换装置包括一对互相串联的变换器。

5、如权利要求4所述的电源变换装置，其特征在于：校正控制装置包括一产生参考电压信号的信号发生器，一输出对应于要改变的相位的相位校正信号的校正电路，及将相位校正信号加到参考电压信号上以输出校正后的参考电压信号给变换器的加法器。

6、如权利要求5所述的电源变换装置，其特征在于：要供给变换器的校正后的参考电压信号的相位包括-37.5°+7.5°，-7.5°，和-22.5°。

7、如权利要求4所述的电源变换装置，其特征在于：校正控制装置包括一产生参考电压信号的信号发生器，一输出对应于要改变的相位的相位校正信号的校正电路，及将相位校正信号加到参考电压信号上以输出相位角移相信号给变换器的加法器。

8、如权利要求7所述的电源变换装置，其特征在于：检测装置包括一检测作为负载的电动机的速度的速度检测器，及鉴别装置包括一根据从速度检测器输出的检测信号使校正电路动作的鉴别电路。

9、如权利要求8所述的电源变换装置，其特征在于要供给变换器的校正后的参考电压信号的相位包括-37.5°，+7.5°，-7.5°和-22.5°。

10、如权利要求2所述的电源变换装置，其特征在于，所述变换装置包含：对第一电源的正和负侧进行变换的正、负变换器;具有与所述正、负变换器相连的次级线圈的一对变压器;和一具有中性点并连接到所述正、负变换器的输出端的电抗器;所述第二电源从所述电抗器的中性点输出。

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