CN101232250A - 一种三相六开关方程式交流电功率控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力电子电路装置，尤其是一种三相六开关方程式交流电功率控制器。在连接于交流电网电力输入模块的L、L、L三个输入端的滤波模块的三个输出端分别与三个IGBT模块的集电极C端连接；三个IGBT模块集电极C端上设置了三个PWM电流信号取样模块并与获取的PWM电流信号端与PWM电流信号放大处理模块连接；滤波模块的三个输出端点引线同时与三相同步信号、相位切换模块和缺相、欠压、过压保护模块连接；两个IGBT模块形成一个IGBT模块组，每个IGBT模块组中，发射极E与电极C串联，三个IGBT模块的E端并联成了一个公共端。本发明对交流电网电源则的电流引力干扰小、谐波污染低、控制性能优良的。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电子电路装置，尤其是一种三相六开关方程式交流电功率控制器。
背景技术
目前在科学技术中：一个电功率的转换、能量的传递、改变；是由一个电力电子电路、装置、设备来实现的；然而这个电力电子电路、装置、设备在目前常规的情况中，对于电压与电流的正弦函数的改变、调节变量；仍然是一个按非线性函数性质改变调节的控制变量；而现代科学技术需要这一个电力电子电路、装置、设备能对其输入和输出的正弦交流电压、电流波形的改变、调节：具有线性的改变、调节、校正与临界智能控制的物理功能，且使这种发生线性改变与调节的电压与电流合成电能函数的传递结果，能满足多种需要不同电功率的负载服务。必需说明如果仅仅是其中的一种电量：即电压或电流的物理量的出现，是不可能产生能量和能量转换的；正是由于电压与电流合成电功率函数的出现，才能使控制事件产生有效的改变与调节。
在能量转换过程和电功率转换技术的控制装置中，通常改变的规律是：从一个具备较高的电压、电流的供应端，转换至为一个需要较低电功率的负载服务；或者从一个具备较低的电压、电流的供应端，转换至一个需要较高电功率的负载服务。
若能通过对电力电子电路装置进行优化设计，使其能获得较高的转换效率和性能；从而将输出的能量转换与输入的电功率转换做到：在物理量被线性调节、改变后整体上仍有很高的效率及恒量与临界控制高的平衡状态；且使其能达到节能、改善工作性能和提高系统效率的目的。
目前，由于电网60％负载的是感性负载，公知的控制器、转换器，它包括了机械式手控开关，电磁式的接触器、继电器、可控硅(SCR)装置、还包括某些使用IGBT的电力电子装置、电路系统及变频器。由于这些设备都与交流电网的电力系统端直接相连，因而无论是机械式手控开关，电磁式的接触器、继电器的工作，都可能会对交流电网的电源则：产生7倍以上较大的冲击电流；为之电力系统必需成N倍设置运动的无功电能，以保证用电设备的安全启动运行；还有使用IGBT器件的某些电力电子装置、电路系统及变频器等的电功率转换器、能量转换器、控制器；特别是较大的可控硅(SCR)装置，还可能对交流电网的电源则产生强烈的电流、电压谐波，来污染和干扰运行在电力系统中诸多电子、电气设备及电力系统本身的安全运行，其结果可能直接降低了交流电网的传输效率、功率因素；进而也可能降低设备的某些性能。
还有目前普遍存在于电网电力系统中的电压波形平头现象：这种情况则可能是送、变电单位、用电单位的磁电转换部件中的材料特性欠佳，或材料用量不足所导致，因而在设备的磁电转换过程中可能出现电磁饱和的平头现象，这些电磁饱和的平头现象直接损失了电力能源的实际转换效率；即成了在电力线路中不能转换成作功能量的无功线路发热损耗。
由于人类的文明与进步蓬勃发展，人们越来越需要和越来越多地消费着强大的电力、电网资源。若人类能对电力资源实行节约、优化、智能控制的方案来保护、改善电网系统及有关运行条件和努力提高电网传输效率；克服、降低感性负载的7倍以上的激磁、充磁电流，克服电力电网谐波；从理论上讲就能成倍地提高电力线网系统的运行效率；这对人类的生存资源、环境条件、控制二氧化碳有毒废气体的排放量、改善控制全球气候持续升温、海平面上升、陆地面积减小等诸多不良的因素有直接影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控的性能优良的、在电功率函数被调节、校正时能发生线性改变的、有临界节能(包括软启动)、恒量控制功能的三相六开关方程式交流电功率控制器。
为实现本发明的目的，本说明书提供了一种三相六开关方程式交流电功率控制器，包括直接连接于交流电网电力输入模块的三个输出端与滤波模块；滤波模块的三个输出端分别与三只IGBT模块的集电极C端连接；三只IGBT模块集电极C端上设置了三个电流取样模块；电流取样模块获取的电流信号端与PWM电流取样信号处理模块连接；滤波模块的三个输出端点引线与三相同步信号(相位切换)模块连接；用三个串联组合，其中：第一串联组的第一只IGBT模块发射极E与第二只IGBT模块集电极C连接，第二串联组的第一只IGBT模块发射极E与第二只IGBT模块集电极C连接，第三串联组的第一只IGBT模块发射极E与第二只IGBT模块集电极C连接；并将三个串联组合中的第二只IGBT模块的发射极E并联成一个公共端；三个串联组合的六个IGBT模块中，各自的控制极G分别与PWM调节、校正、临界节能(软启动)恒量的控制系统模块中的控制回路连接；每个串联组合中IGBT模块的E端与IGBT模块的C端连接点，连接负载模块；负载通过传感物理信号模块连接闭环控制的传感物理信号处理模块；闭环控制的传感物理信号处理模块与三相同步信号(相位切换)模块、电流取样信号处理模块同时连接PWM调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)控制系统模块。
本三相六开关方程式交流电功率控制器采用闭环随机控制的方式。
交流电网电力输入模块与三相同步信号(相位切换)模块连接处接入缺相、欠压、过压保护模块；缺相、欠压、过压保护模块与调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)控制系统模块连接。
本发明在控制系统模块中专门设计了一个能使给定变量与高速取样变量，保持高度平衡的控制电路及有关控制方法与控制理论。
本发明对交流电网电源则的电流引力干扰小、谐波污染低、控制性能优良的；由于方程式交流电功率控制对正弦电压、电流的PWM的改变控制方式，是在原有50HZ正弦波函数的基础上用高频PWM斩波的控制方式，调节、校正成另一个50HZ正弦波函数的控制变量，为之其控制变量是线性的控制变量。由于这种方式是50HZ正弦波函数上的线性切割：而后给定作用予一个非线性的感性元件，就要必需解决感性元件其控制开关截止时的能量续流通路，本发明在主电路中设计了一个公共端，解决了这个关键问题。而使非线性的感性元件理想地接受了一个给定的线性的时变的控制变量。于是三相六开关方程式交流电功率控制器的控制改变是时变的线性的高阶的控制改变，所以能对电网正弦波形的对称、三相的平衡运行有着良好的功率因素性能，且能对多种物理参量：包括异步电机的转速及电压、电流、温度、位移、压力、流量等物理量进行线性的高频的PWM调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)的有效控制。
本发明的目的，特征及优点将结合实施例，参照附图作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的模块框图；
其中，0为交流电网电力输入模块，1为滤波模块，2、3、4为电流取样模块，5、6、7、8、9、10为IGBT模块，11为公共端，12为负载，13为传感物理信号模块，14为闭环控制传感物理信号处理模块，15为三相同步信号(相位切换)模块，16为PWM调节、校正、临界节能(包括软启动)、恒量控制系统模块，17PWM电流取样信号处理模块，18为缺相、欠压、过压保护模块。
具体实施方式
参照上图，提供下述实施例。通过实施例将有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
实施例1：这一种三相交流六开关方程式电功率控制器，包括直接连接于交流电网电力输入模块0的L1、L2、L3三个输出端与滤波模块1连接；滤波模块1的三个输出端分别与IGBT模块5的集电极C端、IGBT模块7的集电极C端、IGBT模块9的集电极C端连接；IGBT模块5、7、9的集电极C端上设置了三个电流取样模块2、3、4；电流取样模块2、3、4获取的电流取样信号端与PWM电流取样信号处理模块17连接；滤波模块1的三个输出端点引线与三相同步信号(相位切换)模块15连接；用三个串联组合，其中：第一串联组为IGBT模块5发射极E与IGBT模块6集电极C连接，第二串联组为IGBT模块7发射极E与IGBT模块8集电极C连接，连接第二串联组为IGBT模块9发射极E与IGBT模块10集电极C连接，IGBT模块6的E端、IGBT模块8的E端、IGBT模块10的E端并联成一个公共端11；IGBT模块5、IGBT模块6、IGBT模块7、IGBT模块8、IGBT模块9、IGBT模块10中各自的控制极G分别与PWM调节、校正、临界节能、恒量、软启动的控制系统模块16中的控制回路连接；在IGBT模块5的E端与IGBT模块6的C端连接点，在IGBT模块7的E端与IGBT模块8的C端连接点，在IGBT模块9的E端与IGBT模块10的C端连接点，这三个连接点接入负载模块12；负载12通过传感物理信号模块13连接闭环控制物理信号处理模块14；闭环控制物理信号处理模块14与三相同步信号(相位切换)模块15、电流取样信号处理模块17同时连接PWM调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)控制系统模块16。
交流电网电力输入模块0与三相同步信号(相位切换)模块15之间设置具有缺相、欠压、过压保护功能模块18，并与调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)控制系统模块(16)连接。
三相交流六开关方程式电功率控制器是采用闭环随机控制的方式。
在背境技术中提及；交流电源对电感(磁)性负载〔包括：异步电机、变压器等〕在电路接通瞬间所产生的7倍以上的冲击电流是：由于人们使用的机械式手控开关的接触器、继电器、其中包括某些可控硅(SCR)装置等的电力控制设备它们的工作状态，都处在手动或工频50HZ的工作状态；这就对于电机、变压器等电感(磁)性负载材料内部硅钢片中的电磁粒子的激励磁化工作状态不能完全有效的控制，因而造成了出现了7倍以上的冲击电流。原因就是电感性负载的导磁载体，处在工频条件下自由的激磁--充磁状态。
由于电网60％负载的是感性负载，这些感性负载都是非正弦的时变元件，如果在电力电源的局域系统要获得有正弦函数响应的时变控制变量，通常的做法需要有一个非常复杂的电路系统与控制系统。且可能牺牲一定的有功和无功电能，即便是这样也很难做到。再者前述中发生较大的电压、电流谐波是由可控硅装置的控制方式决定的：因(SCR)是在基波基础上以改变相位导电角的控制方式工作，所以形成了与正弦函数变量完全不同的象限概念的时变函数变量。而在这类控制方式中要建立一个平直的直流供电电源，就要设计用很大电容来平波或很大电感来稳流。大的电容或大的电感它们的能量释放工作时间参数即：τ＝RC或τ＝RL的衰变时间，必需超过了电网50HZ的交流转换的频率时间，也即滤波电容、稳流电感的蓄能释放的工作时间：通常单相时应大于10.2ms，三相时应大于3.6ms以上的时间；由于大平波电容、稳流电感蓄能的持续工作时间长，就会很明显地破坏、改变了交流电源电压、电流50HZ的正弦波形的工作态状；因而随即出现了电压和电流波形的奇变，为之正是由于这些大的电容或大的电感的存在，使电力系统中可能出现大量的不同次数的电压、电流谐波。
前述中特别提到的在电力系统中，通常在人们用示波器观察，可以看到电压波形存在平头现象，这种现象叫磁电饱和现象，即电压形波顶部有平直方形波。而磁饱和现象是由于电气设备的导磁材料的用量不足，或导磁材料的质量及设计参数某些问题的原因。其结果使流动的电流变成了线路中的发热损耗，而不能进行电能的转换耦合。上述问题其实通常存在于许多用电设备中；只是相对电力电路系统的影响大小、明显程度不同而意。
若能对上述问题，包括电机、变压器等感性设备的这种自由激励充磁状态进行有效的控制，就能克服、解决这些问题。
本发明根据上述控制器、转换器中的一些问题，根据高频〔PWM〕斩波控制理论，发现对交流电源的输入电能直接进行高频〔PWM〕斩波控制，能大大改善和克服上述问题。并在电源的输入端加入了用于低通与高频滤波的电感L和高频补偿电容C蓄能元件。电感L：对工频电流畅通、而对高频电流则呈现较大的电抗性；电容C：则能在电感L呈现较大电抗时，能在瞬间释放出对负戴所需电能的补偿。因L.C的重复工作周期设计，比50HZ工频电源频率时缩小了几百倍甚至几千倍，在这样高的工作频率下，使得电源系统的电压、电流的改变是原来50HZ的正弦周期状态演变为在几百分子一甚至几千分子一的时间内的高频开关周期的改变，因为这种控制改变由于高频〔PWM〕斩波控制，所以对工频正弦函数来讲是：一个正弦函数对另一个正弦函数的高频〔PWM〕线性的控制改变与校正，因而相对于50HZ时的电压、电流工作状态来讲，当每工频周期内的斩波频率超过360HZ时，电压、电流的动作相位就可能小于1°，这样几乎可以讲电压、电流处在完全的同相状态；对本控制器而言这种高频〔PWM〕斩波控制方式对该供电系统端有功率因素补偿效果和性能，可谓该电源端的局域系统的功率因素，运行在接近(1)的状态。
同理由于电网60％负载的是感性负载，这些负载按常规工频条件设计工作在50HZ频率条件下，而电感性负载主要作用是存在于磁性材料内的磁埸强度，这些磁性材料体的激励状态若处在合理的被高频开关控制的工作状态，就能使原先按50HZ设计的的电感量被放大了许许多多倍，这样就增强了工频磁性材料的磁耦合性与互感性能，因而提高和解决电力系统的送电、变电中电能转换器效率；可克服电磁饱和的平头电压谐波、电流谐波等现象；从而可以使得该电源端在电力传输中的电流波形、电压波形、功率因素等重要的技术指标，被校正到最佳的工作状态。这样的结果就能使得前述中存在于某些控制器、转换器中的一些不足和问题，能得到了有效的改善，控制器、转换器中多种谐波也随之被抑止和有效克服。
本发明是在原有正弦波函数的基础上调节、校正成另一个正弦波函数的控制变量，为之本方程式交流电功率控制器的控制改变，是时变的线性的高阶的控制改变，所以能对电力、电网的正弦波形的对称、三相的平衡运行有着良好的功率因素性能。且本发明电路结构筒单、元件用量少而经典。
因而设计、研制优良控制器、转换器，存在着巨大经济和社会价值。
Claims (3)
1.一种三相六开关方程式交流电功率控制器，其特征在于：包括交流电网电力输入模块(0)的L1、L2、L3三个输出端与滤波模块(1)连接；滤波模块(1)的三个输出端分别与IGBT模块(5)的集电极(C)端、IGBT模块(7)的集电极(C)端、IGBT模块(9)的集电极C端连接；IGBT模块(5)、(7)、(9)的集电极(C)端上设置了三个电流取样模块(2)、(3)、(4)；电流取样模块(2)、(3)、(4)获取的电流信号与PWM电流取样信号处理模块(17)连接；滤波模块(1)的三个输出端点引线与三相同步信号(相位切换)模块(15)连接；用三个串联组合，其中：第一串联组为IGBT模块(5)发射极E与IGBT模块(6)集电极C连接，第二串联组为IGBT模块(7)发射极E与IGBT模块(8)集电极C连接，第三串联组为IGBT模块(9)发射极E与IGBT模块(10)集电极C连接；并将IGBT模块(6)的E端、IGBT模块(8)的E端、IGBT模块(10)的E端并联成一个公共端(11)；IGBT模块(5)、IGBT模块(6)、IGBT模块(7)、IGBT模块(8)、IGBT模块(9)、IGBT模块(10)中各自的控制极(G)分别与PWM调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)控制系统模块(16)中的控制回路连接；IGBT模块(5)的E端与IGBT模块(6)的C端连接点，IGBT模块(7)的E端与IGBT模块(8)的C端连接点，IGBT模块(9)的E端与IGBT模块(10)的C端连接点，这三个连接点接入负载模块(12)；负载模块(12)通过传感物理信号模块(13)连接闭环控制物理信号处理模块(14)；闭环控制物理信号处理模块(14)与三相同步信号(相位切换)模块(15)、电流取样信号处理模块(17)、同时连接PWM调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)控制系统模块(16)。
2.根据权利要求1所述的电功率控制器，其特征是：所述的交流电网电力输入模块(0)与三相同步信号(相位切换)模块(15)之间设置具有缺相、欠压、过压保护功能的模块(18)，并与调节、校正、恒量、临界节能(包括软启动)控制系统模块(16)连接。
3.根据权利要求1所述的三相六开关方程式交流电功率控制器，其特征是：控制器是采用闭环随机控制的方式。
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