CN103872926A - 试验电源和试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种试验电源和试验系统。其中，试验电源包括：变压器；整流器，与变压器相连接；三相逆变器，与整流器相连接，其中，三相逆变器中的A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器的结构相同，A相逆变器包括第一逆变单元，第一逆变单元包括n个串联的第一开关元件，n≥4；以及控制器，与每个第一开关元件均相连接，用于控制每个第一开关元件的开关状态。通过本发明，解决了现有技术中试验电源的波形质量差的问题，进而达到了降低试验电源输出电压中的谐波含量、提高试验电源波形输出质量的效果。

Description

试验电源和试验系统

技术领域

本发明涉及电气领域，具体而言，涉及一种试验电源和试验系统。

背景技术

图1是现有技术中的试验电源的基本原理图，如图1所示，现有技术中的试验电源的输出端电位仅有两个值，是一种两电平电源，此种两电平电源中，不仅各个开关器件所承受的电压较高，并且由于工作开关频率效果（一般为几十KHZ）会产生较高的开关损耗，同时会产生电磁干扰（Electro-Magnetic Interference，简称EMI），电磁干扰加上开关器件上所承受的电压，使得试验电源输出的波形质量变差，含有大量的谐波。并且，此种试验电源，通常采用多重化技术提高逆变器的电压等级或者在逆变器的输入端与输出端通过变压器进行电压变换，这样就会降低整个试验电源的效率，导致试验电源电压输出幅度小。

针对相关技术中试验电源的波形质量差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种试验电源和试验系统，以解决现有技术中试验电源的波形质量差的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种试验电源。

根据本发明的试验电源包括：变压器；整流器，与变压器相连接；三相逆变器，与整流器相连接，其中，三相逆变器中的A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器的结构相同，A相逆变器包括第一逆变单元，第一逆变单元包括n个串联的第一开关元件，n≥4；以及控制器，与每个第一开关元件均相连接，用于控制每个第一开关元件的开关状态。

进一步地，A相逆变器还包括：第二逆变单元，具有n个第二开关元件，n个第二开关元件串联，并且第二逆变单元与第一逆变单元相连接，第一逆变单元和第二逆变单元均连接至试验电源的电压输出端，其中，控制器与每个第二开关元件均相连接，用于控制每个第二开关元件的开关状态。

进一步地，第一逆变单元和第二逆变单元结构相同，第一逆变单元包括：第一绝缘栅双极型晶体管，漏极与整流器的第一输出端相连接，栅极与控制器相连接；第二绝缘栅双极型晶体管，漏极与第一绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，栅极与控制器相连接；第三绝缘栅双极型晶体管，漏极与第二绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，栅极与控制器相连接，并且第一节点连接至电压输出端，其中，第一节点为第二绝缘栅双极型晶体管的源极与第三绝缘栅双极型晶体管的漏极之间的节点；第四绝缘栅双极型晶体管，漏极与第三绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，源极与整流器的第二输出端相连接，栅极与控制器相连接；第一二极管，阴极与第二绝缘栅双极型晶体管的漏极相连接；以及第二二极管，阴极与第一二极管的阳极相连接，阳极与第三绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，并且第二节点与整流器的零电位输出端相连接，其中，第二节点为第一二极管的阳极与第二二极管的阴极之间的节点。

进一步地，试验电源还包括第一电抗器和第二电抗器，其中：第一电抗器连接在第一逆变单元和第二电抗器之间，第二电抗器连接在第一电抗器和第二逆变单元之间，电压输出端为第一电抗器和第二电抗器之间的连接节点。

进一步地，试验电源还包括：滤波器，连接在整流器与三相逆变器之间。

进一步地，试验电源还包括：调制器，用于调节试验电源输出电压的相位。

根据本发明的另一方面，提供了一种试验系统，该试验系统包括本发明上述内容所提供的任一种试验电源。

在本发明中，采用具有以下结构的试验电源：变压器；整流器，与变压器相连接；三相逆变器，与整流器相连接，其中，三相逆变器中的A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器的结构相同，A相逆变器包括第一逆变单元，第一逆变单元包括n个串联的第一开关元件，n≥4；以及控制器，与每个第一开关元件均相连接，用于控制每个第一开关元件的开关状态。通过在每一相逆变器中设置n个开关元件，并且n≥4，实现了将每相逆变器的工作模式提高到3种以上，相对现有技术中的两电平电源而言，每个开关元件上所承载的电压降低，使得开关损耗降低，进而减轻了试验电源的电磁干扰，解决了现有技术中试验电源的波形质量差的问题，进而达到了降低试验电源输出电压中的谐波含量、提高试验电源波形输出质量的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的试验电源的原理图；

图2是根据本发明实施例的试验电源的示意图；

图3是根据本发明优选实施例的试验电源的原理图；

图4a和4b是根据本发明实施例的试验电源输出的波形图；以及

图5a和5b是根据本发明实施例的试验电源，调节调制系数后输出的波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明实施例，可以提供了一种试验电源，以下对本发明实施例所提供的试验电源做具体介绍。

图2是根据本发明实施例的试验电源的示意图，如图2所示，该试验电源主要包括变压器10、整流器20、三相逆变器30和控制器40，其中：

整流器20与变压器10相连接，三相逆变器30与整流器20相连接，其中，三相逆变器30中的A相逆变器31、B相逆变器32和C相逆变器33的结构相同，每一相逆变器均包括第一逆变单元，该第一逆变单元包括n个串联的第一开关元件（图中未示出），n≥4，控制器40与每个第一开关元件均相连接，用于控制每个第一开关元件的开关状态，即，控制器40通过控制每个第一开关元件的开关状态来控制三相逆变器的输出电压。

本发明实施例所提供的试验电源，通过在每一相逆变器中设置n个开关元件，并且n≥4，实现了将每相逆变器的工作模式提高到3种以上，相对现有技术中的两电平电源而言，每个开关元件上所承载的电压降低，使得开关损耗降低，进而减轻了试验电源的电磁干扰，解决了现有技术中试验电源的波形质量差的问题，进而达到了降低试验电源输出电压中的谐波含量、提高试验电源波形输出质量的效果。

优选地，每一相逆变器均还包括第二逆变单元，该第二逆变单元同样包括n个串联的第二开关元件，并且第一逆变单元和第二逆变单元均连接至试验电源的电压输出端，控制器40则与每个第一开关元件均相连接，用于控制每个第二开关元件的开关状态，即，控制器40在通过控制每个第一开关元件的开关状态来控制三相逆变器的输出电压的同时，通过控制每个第二开关元件的开关状态来控制三相逆变器的输出电压。

通过在三相逆变器的每一相逆变器中设置第二逆变单元，并且每一相中的两个逆变单元均连接至试验电源的电压输出端，实现了将两个逆变单元的输出电压进行叠加后作为试验电源的电压输出，即实现了通过波形叠加抵消谐波分量，达到了使输出电压的谐波含量大幅度减少，使得试验电源的电压输出幅度更宽，进而达到了提高试验电源电压输出幅度的效果。

图3是根据本发明优选实施例的试验电源的原理图，如图3所示，在该优选实施例中，示意性示出了每一相逆变器中的两个逆变单元均包括四个开关元件，即，每一相逆变器的第一逆变单元和第二逆变单元均包括第一至第四绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）、第一二极管和第二二极管，其中，每个逆变单元的电路组成均相同，以下以A相逆变器31为例具体说明逆变单元的电路结构，具体地：

A相逆变器31的第一逆变单元包括第一绝缘栅双极型晶体管T1、第二绝缘栅双极型晶体管T2、第三绝缘栅双极型晶体管T3、第四绝缘栅双极型晶体管T4、第一二极管L1和第二二极管L2，其中，第一绝缘栅双极型晶体管L1的漏极与整流器20的第一输出端N1相连接，第一输出端N1为整流器20中第一整流器的输出端，第一整流器为对来自变压器10的星形电压进行整流的整流器，第一绝缘栅双极型晶体管L1的栅极与控制器40相连接；第二绝缘栅双极型晶体管T2的漏极与第一绝缘栅双极型晶体管T1的源极相连接，第二绝缘栅双极型晶体管T2的栅极与控制器40相连接；第三绝缘栅双极型晶体管T3的漏极与第二绝缘栅双极型晶体管T2的源极相连接，第三绝缘栅双极型晶体管T3的栅极与控制器40相连接，并且第一节点连接至试验电源的电压输出端，其中，第一节点为第二绝缘栅双极型晶体管T2的源极与第三绝缘栅双极型晶体管T3的漏极之间的节点；第四绝缘栅双极型晶体管T4的漏极与第三绝缘栅双极型晶体管T3的源极相连接，第四绝缘栅双极型晶体管T4的源极与整流器20的第二输出端N3相连接，第二输出端N3为整流器20中第二整流器的输出端，第二整流器为对来自变压器10的角星形电压进行整流的整流器，第四绝缘栅双极型晶体管T4的栅极与控制器40相连接；第一二极管L1的阴极与第二绝缘栅双极型晶体管T2的漏极相连接；第二二极管L2的阴极与第一二极管L1的阳极相连接，第二二极管L2的阳极与第三绝缘栅双极型晶体管T3的源极相连接，并且第二节点与整流器20的零电位输出端N2（即，第一整流器和第二整流器之间的中间电位输出端）相连接，其中，第二节点为第一二极管L1的阳极与第二二极管L2的阴极之间的节点。

A相逆变器31的第二逆变单元同样包括四个绝缘栅双极型晶体管T21至T24以及两个二极管L21和L22，具体电路结构与A相逆变器31的第一逆变单元的电路结构相同，此处不再赘述。

B相逆变器32的第一逆变单元同样包括四个绝缘栅双极型晶体管T5至T8以及两个二极管L3和L4，具体电路结构与A相逆变器31的第一逆变单元的电路结构相同，此处不再赘述。

B相逆变器32的第二逆变单元同样包括四个绝缘栅双极型晶体管T25至T28以及两个二极管L23和L24，具体电路结构与A相逆变器31的第一逆变单元的电路结构相同，此处不再赘述。

C相逆变器33的第一逆变单元同样包括四个绝缘栅双极型晶体管T9至T12以及两个二极管L5和L6，具体电路结构与A相逆变器31的第一逆变单元的电路结构相同，此处不再赘述。

C相逆变器33的第二逆变单元同样包括四个绝缘栅双极型晶体管T29至T212以及两个二极管L25和L26，具体电路结构与A相逆变器31的第一逆变单元的电路结构相同，此处不再赘述。

通过在每一相逆变器的每个逆变单元中设置4个功率开关管，实现了通过控制各个功率开关管的开关状体来控制逆变单元进行三电平输出，以下以A相逆变器31的第一逆变单元为例具体说明控制该逆变单元进行三电平输出的基本原理如下：

控制绝缘栅双极型晶体管T1和绝缘栅双极型晶体管T2导通，绝缘栅双极型晶体管T3和绝缘栅双极型晶体管T4关断，则图3中A点的电位为Udc/2，其中，Udc为第一整流器为对来自变压器10的星形电压进行整流后的电压值，此时可以称A相的电位为P（正电位）；

控制绝缘栅双极型晶体管T2和绝缘栅双极型晶体管T3导通，绝缘栅双极型晶体管T1和绝缘栅双极型晶体管T4关断，则图3中A点的电位为0；

控制绝缘栅双极型晶体管T3和绝缘栅双极型晶体管T4导通，绝缘栅双极型晶体管T1和绝缘栅双极型晶体管T2关断，则图3中A点的电位为-Udc/2，其中，-Udc为第二整流器为对来自变压器10的角形电压进行整流后的电压值，此时可以称A相的电位为N（负电位）。

从以上描述可以看出，该优选实施例所提供的试验电源实现了三电平电源输出，由于三电平电源中开关器件所承受的电压是两电平的一半，元件的耐压水平可降低一半，当采用相同耐压水平的功率开关元件时，三电平电源可以承受更高的直流中间电压，达到了提升试验电源功率的效果。并且，两电平电源中，对开关器件进行控制过程中，开关频率高，损耗大，三电平电源则可以用较低频率进行开关器件导通和断开的开关动作控制，损耗小，提高了试验电源的寿命和效率。

进一步地，试验电源还包括第一电抗器和第二电抗器，第一电抗器连接在第一逆变单元和第二电抗器之间，第二电抗器连接在第一电抗器和第二逆变单元之间，电压输出端为第一电抗器和第二电抗器之间的连接节点，具体地，对于A相电压输出来说，A相中的第一电抗器Lf1A连接在A相逆变器的第一逆变单元和A相中的第二电抗器Lf2A之间，A相中的第二电抗器Lf2A连接在A相中的第一电抗器Lf1A和A相逆变器的第二逆变单元之间，A相电压输出端为A相中的第一电抗器Lf1A和A相中的第二电抗器Lf2A之间的连接节点；对于B相电压输出来说，B相中的第一电抗器Lf1B连接在B相逆变器的第一逆变单元和B相中的第二电抗器Lf2B之间，B相中的第二电抗器Lf2B连接在B相中的第一电抗器Lf1B和B相逆变器的第二逆变单元之间，B相电压输出端为B相中的第一电抗器Lf1B和B相中的第二电抗器Lf2B之间的连接节点；对于C相电压输出来说，C相中的第一电抗器Lf1C连接在C相逆变器的第一逆变单元和C相中的第二电抗器Lf2C之间，C相中的第二电抗器Lf2C连接在C相中的第一电抗器Lf1C和C相逆变器的第二逆变单元之间，C相电压输出端为C相中的第一电抗器Lf1C和C相中的第二电抗器Lf2C之间的连接节点。

此外，试验电源还包括滤波器50，该滤波器50连接在整流器20与三相逆变器30之间，在本发明实施例中，滤波器50可以采用滤波电容C，整流器20整流后的电压进行滤波。

进一步优选地，该优选实施例所提供的试验电源还包括调制器（图中未示出），该调制器用于调节试验电源输出电压的相位。

具体地，在本发明实施例中，调制器主要通过载波相移SPWM（Sinusoidal PulseWidth Modulation，正弦脉宽调制技术，简称SPWM）调制法对试验电源的输出电压的相位进行调制，通过SPWM对输出电压进行移相，使各个逆变器单元的三角载波的相位角依次相差360/（Nk）从而产生出移相后的波形，其中，k为预设的调制系数，N为每一相中逆变单元的个数。

通过利用载波移相技术对输出电压进行相位调制，每一相的两个逆变单元之间的载波频率相同，但是相位错开，叠加后相当于将逆变单元中功率开关器件的开关频率提高，使得逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，如图4a和4b所示，进而通过选择合适的移相角度（即，调节调制系数）使输出电压的谐波含量大幅度减少，如图5a和5b所示。实现了采用载波移相控制三电平电源中功率开关器件的开关频率提高，实现输出波形的谐波含量会更少，达到可以在控制中降低实际所应用的开关频率。

此外，本发明实施例还提供了一种试验系统，该试验系统包括试验设备和本发明实施例上述内容所提供的任一种试验电源。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了减轻试验电源的电磁干扰，进而达到了降低试验电源输出电压中的谐波含量、提高试验电源波形输出质量的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种试验电源，其特征在于，包括：

变压器（10）；

整流器（20），与所述变压器（10）相连接；

三相逆变器（30），与所述整流器（20）相连接，其中，所述三相逆变器（30）中的A相逆变器（31）、B相逆变器（32）和C相逆变器（33）的结构相同，所述A相逆变器（31）包括第一逆变单元，所述第一逆变单元包括n个串联的第一开关元件，n≥4；以及

控制器（40），与每个所述第一开关元件均相连接，用于控制每个所述第一开关元件的开关状态。

2.根据权利要求1所述的试验电源，其特征在于，所述A相逆变器（31）还包括：

第二逆变单元，具有n个第二开关元件，n个所述第二开关元件串联，并且所述第二逆变单元与所述第一逆变单元相连接，所述第一逆变单元和所述第二逆变单元均连接至所述试验电源的电压输出端，

其中，所述控制器（40）与每个所述第二开关元件均相连接，用于控制每个所述第二开关元件的开关状态。

3.根据权利要求2所述的试验电源，其特征在于，所述第一逆变单元和所述第二逆变单元结构相同，所述第一逆变单元包括：

第一绝缘栅双极型晶体管，漏极与所述整流器（20）的第一输出端相连接，栅极与所述控制器（40）相连接；

第二绝缘栅双极型晶体管，漏极与所述第一绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，栅极与所述控制器（40）相连接；

第三绝缘栅双极型晶体管，漏极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，栅极与所述控制器（40）相连接，并且第一节点连接至所述电压输出端，其中，所述第一节点为所述第二绝缘栅双极型晶体管的源极与所述第三绝缘栅双极型晶体管的漏极之间的节点；

第四绝缘栅双极型晶体管，漏极与所述第三绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，源极与所述整流器（20）的第二输出端相连接，栅极与所述控制器（40）相连接；

第一二极管，阴极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的漏极相连接；以及

第二二极管，阴极与所述第一二极管的阳极相连接，阳极与所述第三绝缘栅双极型晶体管的源极相连接，并且第二节点与所述整流器（20）的零电位输出端相连接，其中，所述第二节点为所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极之间的节点。

4.根据权利要求2所述的试验电源，其特征在于，所述试验电源还包括第一电抗器和第二电抗器，其中：

所述第一电抗器连接在所述第一逆变单元和所述第二电抗器之间，所述第二电抗器连接在所述第一电抗器和所述第二逆变单元之间，所述电压输出端为所述第一电抗器和所述第二电抗器之间的连接节点。

5.根据权利要求1所述的试验电源，其特征在于，所述试验电源还包括：

滤波器（50），连接在所述整流器（20）与所述三相逆变器（30）之间。

6.根据权利要求1所述的试验电源，其特征在于，所述试验电源还包括：

调制器，用于调节所述试验电源输出电压的相位。

7.一种试验系统，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的试验电源。

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