CN101860245A

CN101860245A - 中功率两级式的三相静止变流器

Info

Publication number: CN101860245A
Application number: CN 201010142526
Authority: CN
Inventors: 曹剑坤; 吴雪花; 王慧贞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2010-10-13

Abstract

一种应用于中功率的三相静止变流器，包括了主电路和控制电路。主电路为前后级结构，前级为两个直流变压器模块，分别为直流变压器1和直流变压器2，两个直流变压器输入端并联输出端串联；后级的三个逆变器模块分别为a相双Buck逆变器、b相双Buck逆变器和c相双Buck逆变器，三个逆变器的输入端并联。控制电路包含电压开环控制电路，半周期电流滞环控制电路。该两级式三相静止变流器的电路拓扑简单、体积小、效率高、可靠性高。

Description

中功率两级式的三相静止变流器

技术领域

本发明涉及一种中等功率的两极式结构三相静止变流器，属于功率变换中的逆变技术。

背景技术

静止变流器的常用方案可分为低频隔离方案和高频隔离方案。低频隔离方案中逆变器的开关频率为400Hz，先将直流电变为交流电后，再通过滤波和升降压后得到额定的交流电压。此方案所使用的磁性元件体积庞大，效率低，不适合用于功率密度和效率要求高的场合。在高频隔离方案中先将输入电压变换至一定电压，再使用逆变器得到额定的交流电压。这种方案的开关频率可以做得比较高，所用磁性元件的体积可以减小，效率高。后一种方案的隔离部分可选择使用直流变压器或直流变换器。

直流变压器和交流变压器类似，将一种直流电压变换成另一种或多种直流电压，通过高频斩波——变压器隔离——高频整流来实现一种直流电压到与之成正比的另一种或多种直流电压的变换，可用于功率传输和电压检测等场合。直流变压器利用变压器漏感实现开关管的软开关，不需输出端滤波电感，采用开环控制，恒定占空比工作，电路结构简单，易于实现高频软开关和高功率密度，变换效率高。

发明内容

本发明旨在结合直流变压器的特点以及双Buck逆变器的特点，提出一种中等功率的两极式三相静止变流器。

该三相静止变流器主要包含主电路和控制电路。主电路的特征在于：前后两极式三相静止变流器中的前级由两个直流变压器组成，输入端并联，输出端串联，串联点即为中点，在中点处引出地线。每个直流变压器为隔离型全桥结构，包括全桥电路、串联电容、副边含中心抽头的高频隔离变压器、输出桥式整流电路和输出滤波电容。后级由三个逆变器模块组成，三个逆变器的输入端并联起来接于前级的输出端，每个逆变器模块均为双Buck拓扑结构，每个双Buck逆变器包含两个开关管、两个二极管、两个电感和一个输出电容。

控制电路的特征在于：前级的每个直流变压器采用独立的电压开环控制，使得桥臂开关管占空比接近0.5并且固定。后级每个逆变器采用独立的半周期电流滞环控制，输出电流过零比较器根据系统输出电压环调节器的输出与参考地比较判断输出电流的正半周期和负半周期区域，系统输出电压环调节器的输出同时作为输出电流滞环调节器的给定信号，逆变器输出端的采样电流作为输出电流滞环调节器的输入，输出电流过零比较器的输出信号与输出电流滞环调节器的输出信号经过一定逻辑运算后得到各逆变器的驱动逻辑信号，调节各逆变器模块开关管的占空比。

本专利采用前后级结构的三相静止变流器，前级为隔离型的直流变压器结构，后级为非隔离型的双Buck逆变器。这种三相静止变流器的优点是：

(1)将直流变压器结构应用于三相静止变流器中解决了输入端与输出端的隔离问题，而且前级的输出端无滤波电感，减小了系统体积，提高了工作效率。

(2)三相静止变流器的控制方式得到了优化，其前级采用电压开环控制实现隔离和变压的作用，后级采用半周期电流滞环控制实现电路稳定工作。

附图说明

图1是本发明示意图。

图2是本发明前级直流变压器1的电路拓扑结构示意图。

图3是本发明后级a相逆变器模块的电路拓扑结构示意图。

图4是a相逆变器模块电压开环控制电路的示意图。

图5是a相逆变器模块半周期电流滞环控制电路的示意图。

图1——图5的主要符号名称：(1)U_in1，U_in2，U_o1，u_a，u_a ^*，u_ref——分别为前级的输入电压，后级的输入电压，前级直流变压器1的输出电压，后级a相逆变器的输出电压，后级a相逆变器的输出电压采样，后级a相逆变器中电压环调节器的基准电压。(2)i_ref，i_a ^*——分别为后级a相逆变器输出电流基准，后级a相逆变器输出端的采样电流。(3)S₁-S₆——分别为变换器的开关管和对应的体二极管。(4)D₁-D₄，D₅-D₆——分别为前级直流变压器1副边的整流二极管，后级a相逆变器的二极管。(5)C_S1-C_S6，C_D5-C_D6，C_r，C_o1，C_a——分别为变换器开关管的等效结电容，后级a相逆变器二极管的等效结电容，前级直流变压器1中高频隔离变压器原边的隔直电容，前级直流变压器1的输出电容，后级a相逆变器的输出电容。(6)L₁-L₂——后级a相逆变器的电感。(7)T——为高频隔离变压器。

具体实施方式

中功率两级式的三相静止变流器的主电路如图1所示，其特征在于：主电路的前级为DC/DC变换器，由两个相同的直流变压器构成，两个直流变压器的输入端并联接在供电电源的输出侧，两个直流变压器的输出端串联，在串联点即为中点，在中点处引出地线，前级共引出正输出线、负输出线和地线；后级由三个相同结构的逆变器构成——a相逆变器、b相逆变器和c相逆变器，各逆变器的输入端并联后与前级直流变压器输出端的三个输出线相连接。

三相静止变流器前级的两个直流变压器均采用隔离型全桥型拓扑结构，以前级直流变压器1为例，全桥型直流变压器1的主电路如图2所示，包括全桥电路、串联隔直电容、副边含中心抽头的高频隔离变压器、输出桥式整流电路、输出滤波电容。其连接方式为：全桥电路中包含四个开关管，开关管S₁与开关管S₂串联构成一个桥臂，开关管S₃与开关管S₄串联构成另一个桥臂，开关管S₁的漏极与开关管S₃的漏极相连后接于直流电压源的正输出端，开关管S₂的源极与开关管S₄的源极相连后接于直流电压源的负输出端，开关管S₁与开关管S₂的串联节点经串联隔直电容C_r连于高频隔离变压器T原边绕组的同名端，开关管S₃与开关管S₄的串联节点连于高频隔离变压器T原边绕组的异名端，高频隔离变压器T的副边绕组经输出桥式整流电路后连于输出滤波电容C_o1的两端，输出桥式整流电路的具体连接方式为，二极管D₁和D₂顺向串联后连在直流变压器的正负输出端，二极管D₃和D₄顺向串联后也连在直流变压器的正负输出端，二极管D₁和D₂的串联连接点连于高频隔离变压器T副边绕组的同名端，二极管D₃和D₄的串联连接点连于高频隔离变压器T副边绕组的异名端。前级直流变压器2内部的具体连接方式与前级直流变压器1相同，不再熬述。

后级的每一相逆变器均采用非隔离型的双Buck拓扑结构，每个双Buck逆变器模块包含两个开关管、两个二极管、两个电感和一个输出电容。以后级a相逆变器为例，其具体的主电路拓扑如图3所示，其连接方式为：开关管S₅的漏极与二极管D₆的阴极相连接后接在前级直流变压器的正相输出端，二极管D₅的阳极与开关管S₆的源极相连接后接在前级直流变压器的负相输出端，开关管S₅的源极与二极管D₅的阴极相连接，二极管D₆的阳极与开关管S₆的漏极相连接，电感L₁和电感L₂串联后连接到开关管S₅的源极与二极管D₆的阳极之间，a相双Buck逆变器的输出电容C_a的一端连接在电感L₁和电感L₂的连接处另一端接在输出地。输出电容C_a两端的电压即为后级a相逆变器的输出电压u_a。后级b相逆变器和后级c相逆变器的内部器件的连接方式均与后级a相逆变器相同，不再熬述。三相逆变器输出端共地，其连接方式为星型连接方式，星型连接的中点为输出端地线。

中功率两级式三相静止变流器中的前级直流变压器采用控制占空比接近0.5并且固定的电压开环控制，以前级直流变压器1为例，每个模块中后级全桥型直流变压器各桥臂开关管驱动信号的产生电路如图4所示，固定的电压给定信号与三角波载波经电压比较器交截产生PWM波，该PWM波通过驱动逻辑生成电路的一系列逻辑运算后控制后级直流变压器的开关管S₁-S₄，使得前级电路正常开环工作。前级直流变压器2的电压开环控制方案与前级直流变压器1的电压开环控制方案相同，不再熬述。

中功率两级式的三相静止变流器中后级的三个逆变器模块采用相同的控制方法，仅各相输出电压的基准互差120度。以后级a相逆变器为例，其具体结构如图5所示。后级a相逆变器的输出电压采样u_a ^*和后级a相逆变器的输出电压基准u_ref经电压环调节器后得到后级a相逆变器的输出电流基准i_ref。后级a相逆变器的输出电流采样i_o ^*和后级a相逆变器的输出电流基准i_ref经电流滞环调节器后得到PWM波。电压环调节器输出的后级a相逆变器的输出电流基准i_ref通过电流过零比较器判断其输出电流的正半周期和负半周期。该PWM波和电流过零比较器的输出通过驱动逻辑生成电路的一系列逻辑运算后控制后级a相逆变器的开关管S₅和S₆，使得后级电路正常工作。后级b相逆变器和后级c相逆变器的半周期电流滞环控制方案均与a相逆变器的半周期电流滞环控制方案相同，不再熬述。

中功率两极式三相静止变流器的前级直流变压器中，各桥臂开关管的等效结电容与折算到高频变压器原边的漏感在开关时刻产生谐振，以实现各桥臂开关管的软开关，减小了各桥臂开关管的开关损耗。

Claims

1.一种应用于中功率场合的两级式三相静止变流器，其主电路特征在于：主电路由前后两级构成，前级由两个全桥结构的直流变压器组成，分别为直流变压器1和直流变压器2，两个直流变压器输入端并联，输出端串联，串联点即是中点；后级由三个逆变器模块组成，分别为a相逆变器、b相逆变器和c相逆变器，三个逆变器的输入端并联起来与前级直流变压器的输出端相连接，每个逆变器的具体拓扑均为双Buck结构。

2.根据权利要求1所述的一种应用于中功率场合的两级式三相静止变流器，其控制电路特征在于：三相静止变流器的前级采用电压开环控制，后级采用半周期电流滞环控制，前级每个直流变压器采用独立的电压开环控制电路，使得桥臂开关管占空比接近0.5并且固定，后级每个逆变器采用独立的半周期电流滞环控制电路，输出电流过零比较器根据系统输出电压环调节器的输出判断输出电流的正半周期和负半周期区域，系统输出电压环调节器的输出同时作为输出电流滞环调节器的给定信号，输出电流过零比较器的输出信号与输出电流滞环调节器的逻辑输出信号经过一定逻辑运算后得到各逆变器的驱动逻辑信号，调节各逆变器模块开关管的占空比。