CN103051212A - 使用中点法的复合ac到dc功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用中点法的复合AC到DC功率转换器。一种24-脉冲和18-脉冲复合AC到DC转换器是并行使用两种或更多种转换方法的转换器。转换器可以包括主整流器，其接收输入AC信号的至少一部分，自耦变压器，其输出电压具有比输入AC信号低的振幅，以及多个辅助桥式整流器，每个辅助桥式整流器接收来自自耦变压器的每个腿的输出。在本发明的实施例中，主整流器可以接收负载电流的大部分，从而允许每个辅助桥式整流器通常比主整流器小。

Description

使用中点法的复合AC到DC功率转换器
背景技术
本发明涉及一种用于采用复合技术的电功率交流(AC)到直流(DC)转换器的装置和方法，并且，尤其涉及一种用于利用并行运行的多于一种类型的转换技术的电功率AC到DC转换器的装置和方法。
AC到DC转换器在现代航天/军事工业中扮演着重要角色。尤其在用于飞机和太空船的多电结构(MEA)领域中更是如此。
商用飞机业务正朝着MEA前进，其不具有放气环境控制系统(ECS)、变频(VF)功率分配系统，以及电驱动。典型的例子是波音787平台。空客A350飞机采用了大量的MEA元件。在未来，下一代波音飞机(代替737)和空客飞机(代替A320)，将最有可能使用MEA。一些军用飞机除了其他功能外尤其已经将MEA用于主要和辅助飞行控制。
军用地面车辆向混合电动技术迁移，其主推进是由电力驱动来执行的。因此，在该领域中已经出现了对增强的功率电子技术的大量需求。未来的太空交通工具将需要用于推力矢量和飞行控制驱动的发电系统。与现有的航天飞机电力系统相比，这些系统必须更加健壮，并且提供大大降低的运行成本以及安全性。
这些新的航天和军事趋势显著增加了发电需要。总的结果是使电气设备适应新平台的挑战已经显著增加。一组新的电力品质和电磁干扰(EMI)要求已经被创建以满足系统质量和性能。最新的趋势，作为MEA的一部分，是高效节能飞机，其中电力和热管理是相互关联的。因此，总体系统性能提高以及特别是功率密度增加对新一代的硬件而言是必需的。这导致运行电压的增加，以及对降低系统损耗、重量和体积的努力。这特别适用于AC到DC转换，而AC到DC转换对功率转换电子设备的重量、体积和成本有重大影响。
电能质量是MEA飞机关注的重点，因为大量的电力系统和设备被安装于同一总线上。对这些系统和设备的电能质量有更严格的要求，以确保所有的电源/用电设备一起正常工作。对于电源设备而言，额外的监控特征被实施以检测和隔离可能经历电能质量问题的设备、或设备组。这种隔离能力用来保护其他运行的电源和用电设备。
对于用电设备，强加了严格的电能质量要求。所述要求的一些原因在下面被列出：
·导致电能质量问题的设备引起其他设备故障；
·由于源电能质量的降低，妨碍了设备达到其设计的性能或可靠性；
·或许为了满足期望的最小重量，设计具有降低的功率裕度或没有功率裕度的设备倾向于更容易受电能质量问题的影响。同样，设计为最小化重量的设备易于导致电能质量问题。
·由于自发电质量问题的缘故，设备可能会发生故障。
AC电气设备的电能质量要求包括大量的参数。其中的一些参数列举如下：
·电流畸变
·浪涌电流
·电压畸变
·电压调制
·功率因数
·相位平衡
·直流分量
由交流谐波构成的电流畸变是设备的关键设计驱动因素。电流谐波，次谐波，和间谐波的要求规定了作为输入电压基波频率的倍数的函数的容许失真。AC到DC转换器的典型的电流谐波谱包括所有的一直到39次的奇次谐波，范围限制为最大电流基波的10％到0.25％。电流畸变要求是关键的设计驱动因素，这是因为它通常会显著影响设备的重量。电流畸变也被指定为设备额定功率的函数，因为更高功率的设备对电源总线有更大的影响。
对AC到DC转换器，对DC输出的要求也很重要。所述要求包括纹波电压和电压降。纹波电压和电压降决定了输出设备如逆变器的直流运行范围。
当将三相交流转换为直流时，最典型的方法是采用单个三相全波整流器，其中六个整流元件以桥形结构连接。在这样的三相全波整流器中，通过转换整流元件以使它们每隔60°接连地导通来输出直流电压。然而，利用该方法，整流后的直流电压包含具有六倍于电源频率的周期的大振幅的电压纹波，从而产生谐波。
可以看出，需要改进的AC到DC转换器，该转换器可以提供足够的功率密度，同时基本上不增加功率转换电子设备的重量、体积和成本。
发明内容
在本发明的方面，一种复合24-脉冲AC到DC转换器包括主整流器，接收输入AC波形的至少一部分；自耦变压器，包括三组三相输出，并且其输出电压具有比输入AC波形低的振幅；以及多个辅助桥式整流器，每个辅助桥式整流器接收来自自耦变压器的每个腿(leg)的输出，每个辅助桥式整流器通常比主整流器小，其中自耦变压器的每个腿的每个输出与主整流器的输出并联连接，以及自耦变压器的每个腿满足使用等边三角形的顶点构造的变压器矢量图，其中顶点之间摆动的弧与三角形的一个腿长度相等，并且自耦变压器的相输出的数目由从等边三角形的中点引出的射线数目确定。
在本发明的另一方面，一种利用24-脉冲AC到DC转换器将AC功率转换成DC功率的方法，包括：使负载电流的第一部分通过主整流器；使负载电流的第二部分通过自耦变压器，自耦变压器所具有的输出电压具有比输入AC波形低的振幅；以及利用多个辅助桥式整流器来整流来自自耦变压器的输出，每个辅助桥式整流器接收来自自耦变压器的每个腿的输出，其中辅助桥式整流器的输出并联连接到主整流器的输出，并且自耦变压器的每个腿满足使用等边三角形的顶点构造的变压器矢量图，其中顶点之间摆动的弧与三角形的一个腿长度相等，并且自耦变压器的相输出的数目由从等边三角形的中点引出的射线数目确定，所述射线在三角形的两等边之间等间隔，并且每一射线从相对的顶点延伸至沿弧的一点。
在本发明进一步的方面，一种降低24-脉冲AC到DC转换器的总谐波失真(THD)的方法，包括：使负载电流的大部分通过主整流器；使负载电流的其余部分通过自耦变压器，自耦变压器包括多个相位输出，相位输出的数目由矢量图中的射线数目确定，所述矢量图包括等边三角形和两顶点之间摆动的弧，射线在两等边之间等间隔，每一射线从中点延伸到沿弧的一点，并且自耦变压器所具有的输出电压具有比输入AC波形低的振幅；以及利用多个辅助桥式整流器整流来自自耦变压器的输出，每个辅助桥式整流器接收来自自耦变压器的每个腿的输出，并且每个辅助桥式整流器通常比主整流器小。
本发明的这些和其他特征、方面和优点将参考下面的附图，说明书和权利要求而更好地被理解。
附图说明
图1是根据本发明实施例的24-脉冲自耦变压器的构造图的一个腿；
图2是根据本发明实施例的用于400Hz系统的24-脉冲AC到DC转换器的仿真电路，其为9kW的阻性负载供电；
图3是当执行图2的仿真时的电压波形图；
图4是示出了用于图2的仿真中的输入电压和电流波形的图；
图5是示出了图4的电流输入波形(400Hz基波)的快速傅里叶变换(FFT)的图；
图6是示出了在图2仿真期间总输入电流和到自耦变压器的电流的图；
图7是根据本发明实施例的18-脉冲自耦变压器的构造图的一个腿；
图8是示出用于比较18-脉冲复合自耦变压器类型的相电流波形的图；
图9是示出用于比较复合自耦变压器类型的到主整流器的电流的图；
图10是示出对于18-脉冲复合自耦变压器的所有整流器输出的电流波形的图；
图11是示出18-脉冲复合自耦变压器的一个自耦变压器腿的绕组内的电流的图；
图12是示出18-脉冲复合自耦变压器的一个自耦变压器腿的绕组内的电压的图。
具体实施方式
下面的详细描述是目前实施本发明的示例性实施例的最佳的预期模式。所述描述不应被认为具有限制意义，而仅仅是为了阐明本发明的一般原理的目的而做出，因为本发明的范围由所附的权利要求书来最佳地定义。
下面描述各种发明特征，每个特征都能与其他特征彼此独立地使用或是组合起来使用。
广义地说，本发明的实施例提供一种24-脉冲复合AC到DC转换器。术语“复合AC到DC转换器”被用来区分一种并行使用两种或更多种转换方法的转换器。在这些复合系统中使用的所有自耦变压器可能满足使用等边三角形的顶点构造的变压器矢量图，并且在顶点之间摆动的弧等于三角形的一个腿的长度。自耦变压器相输出的数目于是可以由从等边三角形的中点引出的等间隔的射线的数目来确定。这些射线与弧的交点可被用来设计自耦变压器的绕组电压比和互连(interconnection)。通过这种方式设计的自耦变压器所具有的输出电压可具有比电压源低的振幅，而电压源振幅可以单独定义系统的直流输出电平。由于电压和相位差的缘故，负载电流可以被分成两路。负载电流的大部分可直接通过主整流器桥被整流。负载电流的其余可流过自耦变压器并被辅助桥式整流器所整流。
根据本发明的复合AC到DC转换器可以减小自耦变压器的尺寸和重量，并且将大大提高整流系统效率。除了尺寸和重量的减小之外，存在对一种使交流输入总谐波失真(THD)最小化的AC到DC转换方法的需要。六脉冲整流方案产生可预见的谐波，如公式1所表示的：
F(h)＝(k＊q+/-1)＊f1    (1)
其中：
F(h)为特征谐波；
k为以1开头的整数；
q为表示换向(commutation)/循环数目的整数；和
f1是基波频率。
六脉冲整流系统的特征电流谐波包括基波的第5次、7次、11次、13次、17次、19次和23次谐波。这些谐波具有相当大的幅度，并且对六脉冲系统而言会超过基波的百分之33。理论上预测更高的脉冲整流器系统将会减少系统的电流THD。例如，12脉冲整流器可能具有大概百分之8.5的电流THD(没有低于11次的谐波)，18-脉冲整流器可能具有大概百分之3的电流THD(没有低于17次的谐波)，以及24-脉冲整流器可能具有大概百分之1.5的电流THD(没有低于23次的谐波)。
自耦变压器转换比(ACR)被用作为比较不同自耦变压器的手段。公式2已经被用作比较自耦变压器尺寸和重量的基础。
ACR＝2＊(IDC out＊VDC out/∑(Vrms＊Irms))    (2)
其中
Vrms为在每个单独绕组处的电压，以均方根的伏特值计；
Irms为在每个单独绕组处的电流，以均方根的安培值计；
VDC out为输出整流电压，以伏特计；
IDC out为输出整流电流，以安培计。
ACR的单位是W/VA。
使用该公式，一种用在各种传统转换器设计中的典型自耦变压器具有的ACR为1.53W/VA。这是目前用在A350VCRUMC和CDMMC控制器设计中的自耦变压器。美国专利号6396723中的最小18-脉冲自耦变压器的估计ACR为3.53W/VA。根据本发明实施例的24-脉冲自耦变压器的估计等效ACR为3.64W/VA。按照该估计，24-脉冲自耦变压器潜在地仅为目前用于各种传统设计的自耦变压器的尺寸和重量的0.38倍。从AC到DC转换节省的预期尺寸和重量至少为两倍。
参考图1，图中示出了根据本发明实施例的24-脉冲自耦变压器的构造图10的一个腿。用于本发明复合系统中的中点自耦变压器满足使用等边三角形的顶点构造的变压器图，并且顶点之间摆动的弧与三角形的一个腿长度相等。自耦变压器的相输出的数目于是可由从等边三角形的中点引出的等间隔的射线的数目确定。这些射线与弧的交点可被用来设计自耦变压器的绕组电压比和互连。通过这种方式设计的自耦变压器所具有的输出电压可以具有比电压源低的振幅，而电压源振幅单独固定系统的直流输出电平。由于电压和相位差的缘故，负载电流被分成两路。负载电流的大部分直接通过主整流器桥被整流。负载电流的其余部分流过自耦变压器并被辅助桥式整流器所整流。这种复合AC到DC转换器概念减小了自耦变压器的尺寸和重量，并且大大提高了系统效率。存在许多其他的矢量组合，其可以取得对于24-脉冲结构而言所需的三条射线和弧的交点的坐标。
表示该结构的400Hz系统的该24-脉冲AC到DC转换器的仿真示于图2中，从而为9kW的阻性负载供电。与三相自耦变压器腿中的每个腿相关联的绕组被分组于虚线矩形20a，20b，20c中。来自自耦变压器腿20a，20b，20c中每一个的输出可通过辅助整流器22a，22b，22c。如上所述，输入AC波形26可被分成通过6-二极管整流器桥24整流的负载电流的大部分和流过自耦变压器20以被辅助桥式整流器22a，22b，22c整流的负载电流的其余部分。
执行PSpice中的仿真所得到的波形和系统测量被示于图3中。到四个三相整流器的电压示出了在变压器(V(D34:2)，V(D32:1)和V(D36:2))处具有降低的电压振幅的系统输出特性，当与源输入(V(D28:2)，V(D29:2)和V(D30:2))比较时。这种电压和相位特性可能导致源电流在主整流器和由自耦变压器提供的辅助整流器之间分配。
源电压和电流可以示出接近单位功率因数。像所有的整流器系统那样，功率因数将取决于附加的输入滤波器和系统负载，如图4所示。
图5是电流波形(400Hz基波)的快速傅里叶变换(FFT)。图5中可以看到输入电流的非常小的谐波。
如图6中看到的那样，送往自耦变压器的输入相电流可以是总电流的小部分。输入相电流是两个电流的和，一个流到变压器，并且另一个流到主整流器。本发明这方面的显著意义在于该自耦变压器可以比承载所有输入相电流的变压器损耗更少。对24-脉冲系统，流到自耦变压器的RMS电流可以是总的相电流的大约百分之五十。
对9kW的阻性负载的整流器电流贡献表明在复合AC/DC转换器中主整流器和辅助整流器之间的电流分配。因为辅助整流器可能经历较低的RMS电流，所以相对于主整流器，它们可以是比那些用于主整流器的设备更小的设备。
可以恰当地假定18-脉冲变压器的结构比相同功率的24-脉冲变压器更简单且更小；然而，使用18-脉冲变压器的系统相电流谐波可能更大。美国专利6396723，“Rectifier and Transformer Thereof”描述了由从等边三角形顶点引出的两条或更少的等间隔的射线所构造的12-脉冲和18-脉冲变压器。这些射线与弧的交点被用来设计自耦变压器的绕组电压比和互连。然而，通过将射线构造点的位置移动到同一等边三角形的中点，当与美国专利6396723相比时所确定的不同变压器具有一些优点。这些“中点”自耦变压器优点可以通过仿真被说明，所述仿真示出旁路到主整流器的电流量的增加，以及相波形中5次谐波电流分量的降低。5次谐波是存在于这些电流波形中的最低频率，并且这样，如果需要进一步降低，将需要大滤波器。
所提出的中点18-脉冲自耦变压器的构造图的一个腿示于图7中。存在许多其他的矢量组合，其可以取得对于该18-脉冲结构而言所需的两条射线和弧的交点的坐标。这种中点自耦变压器结构可确定绕组匝数比，其与类似拓扑结构的美国专利6396723自耦变压器相差多达百分之20。
示出相电流的中点18-脉冲AC到DC转换器连同顶点18-脉冲AC到DC的仿真由图8给出。两个系统都被仿真为给9kW的阻性负载供电。
中点自耦变压器结构有一些性能损失。尽管5次谐波被降低，与顶点型结构比较，使用中点自耦变压器结构，第9次和11次谐波增大。这些高次谐波，如果需要进一步被降低，将需要相对更小的滤波器(与降低5次谐波所需的滤波器相比)。18-脉冲中点自耦变压器的ACR参数为3.85，相比较顶点自耦变压器的ACR为3.9。
与顶点结构的自耦变压器相比，更多的输入电流可绕过中点结构的自耦变压器。中点18-脉冲型复合自耦变压器系统将额外的百分之0.55到0.67的RMS输入电流直接旁路到主整流器，如图9所示。这是由于用于中点自耦变压器设计的构造器射线角度不同。使更多的电流绕过自耦变压器的益处是其略微提高了系统的AC/DC转换效率。
对9kW的阻性负载的整流器电流贡献表明在复合AC/DC转换器中的主整流器和辅助整流器之间的电流分配。因为辅助整流器经历较低的RMS电流，所以相对于主整流器，它们可以是比那些用于主整流器的设备更小的设备(参见图10)。
用于一个18-脉冲复合自耦变压器腿的五个绕组中的各电流，比输入基波的一个周期略多，示于图11中。它们实际包含有三个不同的RMS值。
一个18-脉冲复合自耦变压器腿的五个绕组上的电压示于图12中。基于所设计的复合自耦变压器匝数比，实际上有三个不同的RMS值。
本发明的用于复合AC到DC中点功率转换的方法可带来以下优点的一些或全部：
·这种转换方法的ACR可能是那些从其他现有的ATRU方法计算出的ACR的42％。这可能会引起AC到DC转换的重量减小到二分之一。
·转换器上的电压降非常低。它比两个正向偏置二极管的电压降略高，通常为几伏。
·与传统的ATRU相比转换器的输出阻抗很低，这产生了健壮的电源。
·输出电压几乎与负载电流独立。变化预计小于1伏。输出电压的低变化允许从性能和电晕方面最优化DC到AC转换。
·在瞬态输入电压期间，转换器将以稳定的方式工作。
·在瞬态输出负载期间，转换器将以稳定的方式工作。
·由于功率的大部分流过主6-脉冲整流器，所以效率会非常高。
·除了输入滤波器和线路损耗，将可能不会存在由于频率变化引起的到系统的可变电压降。这是由于主六相整流器的支配作用，该整流器具有很少的依赖于频率的元件。
·减小了尺寸和重量，因为功率的大部分可以通过简单的六脉冲整流器来转换。
·在转换器的输入处可能不需要额外的电感器。
·由于更平滑的电流波形和更高的二极管频率换向，通过使用更小的组件，EMI控制将更容易。
·由于减小的直流电压变化，电驱动可以在更优的模式下运行。这与用于能量优化的飞机的最新MEA趋势是一致的。
·这种新方法可以很容易地被用在改造应用中，因为其显示出减小的体积、重量、和损耗。
·尽管这种AC到DC复合转换器的应用被认为是用于低于25kW的电力系统，但是系统本身并不是功率受限的。
当然，应该被理解的是，上述内容涉及的是本发明的示例性实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出修改，如下面的权利要求中所解释的。

Claims (8)

1.一种复合24-脉冲AC到DC转换器(20)包括：
主整流器(24)，接收输入AC波形(26)的至少一部分；
自耦变压器(20a，20b，20c)，包括三组三相输出，并且其输出电压具有比输入AC波形低的振幅；以及
多个辅助桥式整流器(22a，22b，22c)，每个辅助桥式整流器接收来自自耦变压器的每个腿的输出，每个辅助桥式整流器通常比主整流器小，其中
来自自耦变压器的每个腿的每个输出与主整流器的输出并联连接，并且
自耦变压器的每个腿满足使用等边三角形的顶点构造的变压器矢量图，其中顶点之间摆动的弧与三角形的一个腿长度相等，并且自耦变压器的相输出的数目由从等边三角形的中点引出的射线数目确定。
2.根据权利要求1所述的复合24-脉冲AC到DC转换器，其中输入AC波形被分为通过主整流器整流的负载电流的大部分和流过自耦变压器以通过辅助桥式整流器整流的负载电流的其余部分。
3.根据权利要求2所述的复合24-脉冲AC到DC转换器，其中射线与弧的交点被用来设计自耦变压器的绕组电压比和互连。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合24-脉冲AC到DC转换器，其中所述24-脉冲AC到DC转换器的输出对输入电流引起非常小的谐波。
5.一种利用18-脉冲AC到DC转换器(20)将AC功率转换成DC功率的方法，该方法包括：
使负载电流的第一部分通过主整流器(24)；
使负载电流的第二部分通过自耦变压器(20a，20b，20c)，自耦变压器所具有的输出电压具有比输入AC波形低的振幅；以及
利用多个辅助桥式整流器(22a，22b，22c)整流来自自耦变压器的输出，每个辅助桥式整流器接收来自自耦变压器的每个腿的输出，其中
辅助桥式整流器的输出并联连接到主整流器的输出，以及
自耦变压器的每个腿满足使用等边三角形的顶点构造的变压器矢量图，其中顶点之间摆动的弧与三角形的一个腿长度相等，并且自耦变压器的相输出的数目由从等边三角形的中点引出的射线数目确定，所述射线在三角形的两等边之间等间隔，并且每一射线从相对的顶点延伸至沿弧的一点。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括通过向自耦变压器提供占总AC输入的小部分的第二部分来最小化自耦变压器的损耗。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中第一部分是负载电流的大部分，并且第二部分是负载电流的其余部分。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中每个辅助桥式整流器通常比主整流器小。
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