CN1049252A - 频率独立的单相-三相交流电源变换器 - Google Patents

频率独立的单相-三相交流电源变换器 Download PDF

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Abstract

一种输出电压的频率与输入电压的频率无关的 三相功率变换装置。由该装置驱动的负荷的三个输 入端的一个输入端直接接地。从一个相应的变换电 路向其它两个输入端的每个输入端提供一个人为的 正弦电压，该变换电路是由微处理机控制的，其中一 个人为电压具有1,73αsinA的形式，而另一个人为电 压具有1,73αsin(A+60°)的形式，这里α是电源电 压的额定幅值，A和(A+60°)是各自的相位角。微 处理机的运行控制输出频率。

Description

本发明涉及电力变换装置，特别是涉及能把直流电源或单相交流电源变换为三相交流电源的装置。更确切地说，它涉及到这样一个系统，在这个系统中，供给一个三相交流负荷的频率是与直流或单相交流的频率无关的，并且可以有选择地变化。
有许多情况需要或至少需运用一个三相负荷，例如一个三相电动机。在一个设备中，例如只有常用的120V单相电源是可用的，或一个直流电源是唯一的电源。然而，除此之外，有许多应用为了实现变速控制的目的（在电动机负荷的情况下），希望供给一个可选择的变频电压（与电源频率无关）给一个三相负荷。
为了实现以这样一个电源驱动这样负荷的任务，过去已申请的变换电路是相当复杂和昂贵的。也就是说，它通常利用许多相对昂贵的电力开关（晶体管开关）来实现需要的变换。在大多数情况下，要使用6个这样的开关。
本发明的一个重要目的是提供一种能够完成上面提及的这种变换和使用最少量的（不多于4个）这种开关的装置。
一个相关的目的是提供这样一种装置，该装置是以相对简单的电路和相对低的费用做为特征的。
本发明的另一个目的是提供一种通用的装置，该装置能够提供一个具有一个可变频率的电压输出，该频率与电源电压的频率完全无关。
满足于这些目的的本发明的装置的惊人的能力来自于这种认识，即在一个所选择的三相负荷中的一个输入端能直接接地，另外两个输入端的每一个，在计算机控制下，提供一个人为的正弦电压，该电压具有一个通用的可以选择的可变频率，而该可变频率是与电源频率完全无关的。用于提供这两个人为电压的每个电压的电路对于每个人为电压来说仅需要两个功率开关。
由本发明实现的各种其它的目的和优点，结合附图来阅读下面的说明将变得更清楚。
图1是说明本发明的变换器的一个简化方块图。
图2是说明图1中用术语“变换”表示的两个方块结构的一个更详细的图。
在下面表示的公式Ⅰ中，在一个三相负荷中三个输入端的每一端所需要的电压条件被表示为：
公式Ⅰ：
相1＝αSinA
相2＝αSin（A+120°）
相3＝αSin（A+240°）
从这个公式中的各相中减去相1得出公式Ⅱ。
公式Ⅱ：
相1＝αSinA-αSinA
相2＝αSin（A+120°）-αSinA
相3＝αSin（A+240°）-αSinA
展开公式Ⅱ得
公式Ⅲ：
相1＝0
相2＝α（SinA·cos120°-cosASin120°）-αSinA
相3＝α（SinAcos240°-cosA·Sin240°）-αSinA
这个公式的一个计算值给出：
公式Ⅳ
相1＝0
相2＝α（-1.5SinA-0.866cosA）
相3＝α（-1.5SinA+0.866cosA）
简化后导出：
公式Ⅴ
相1＝0
相2＝1.73αSin（A-30°）
相3＝1.73αSin（A+30°）
将各相位移30°得
公式Ⅵ
相1＝0
相2＝1.73αSinA
相3＝1.73αSin（A+60°）
通过这些数学变换和已看到的新等式可立即认识到：在一个三相负荷中，只要用高速功率开关对其中两个输入端提供人为电压，另一输入端可直接接地。
现在回到图1，本发明的系统或装置被表示在方块图10中。
为了说明的目的，符号12是一个常用的120伏单相电源，该电源是以常用的60H2工作频率为特征的，并且它包括两对输出端12a，12b。对于系统10的电源可以是一个直流或交流电源应该是能理解的。只要在该电源上有充足的功率提供一个680V的终端输出，那么这个电源就满足要求，而该电源的波形性质并不重要。因此，正如在这里所使用的，电源的频率可以是任何频率，包括在直流电源情况下的零频率。
在图1的最右边，由14表示的是一个通常的三相电动机（负荷），它包括由A，B，C表示的三个输入端。
电源的输出端与一个倍压升压变压器16的初级绕组16a连接，该变压器的次级绕组16b有一个中心抽头并在18处接地。绕组16b的两个反相端分别与导体20、22连接。
初级绕组16a上的电压采用αSinA的形式，α表示大约120V的额定幅值，A表示相位角。由于次级绕组16b如图所示具有中心抽头并接地，所以导体20上的电压为+αSinA的形式，而导体22上的电压为-αSinA的形式。
如图1所示包括在系统10中用方块图形式表示的是两个结构相同的变换电路24，26和一个微处理机或计算机，或算法控制的计算机装置28。一般说来，如图所示每个变换电路与导体20，22相连，导体20，22提供工作电源，对此下面将给予解释。电路24经过一个导体30也与电动机的输入端B相连接，而电路26经过一个导体32与电动机输入端C相连接。在导体30上，电路24供给一个以1.73αSinA形式的人为正弦电压，而在导体32上，电路26供给一个以1.73αSin（A+60°）形式的人为正弦电压，对此将给予解释。
电动机输入端A在34处接地。
对于图1的一个完整的说明是，借助于电缆35，微处理机控制仅有的两个高速晶体管功率开关，这两个开关构成电路24的部分电路，对此在下面给予解释。类似地，借助于电缆36，微处理机控制仅有的两个高速晶体管功率开关，这两个开关构成了电路26的部分电路。
在图1所示的系统运行中，供给三相电动机输入端的电压的形式被示于图1的右下方。
现在来说明图2，在这里说明变换电路24的详细电路。正如上面已经提及，变换电路26在内部与变换电路24是相同的。
包括在电路24中的是一个普通的变压器/整流器方块图38，方块38输入侧与上已提到的导体20、22相连接（参见图2左侧上αSinA和-αSinA的标记），它的输出侧与两个普通的驱动电路40、42相连接，驱动电路40、42分别驱动包括在电路24中仅有的两个功率开关晶体管44、46。
在方块38中，从导体20、22上提供的电压被适当变换和整流，并在一对相连的输出导体48，50和52、54上提供合适的直流电源，用以分别地供给驱动电路40、42电压。
进一步包括在电路24中的是一个常规的倍压器和整流器56，它与上面提到的导体20、22相连接。从这个单元输出的直流电供给导体58，60。
如在前面提到的，完全一样的两个驱动电路40、42在结构上完全是常规的，每个驱动电路都包括一个常规的光敏晶体三极管，这种晶体管在图中表示为62、64。虽然在图2中没有画出，晶体管62、64借助于前面提到的电缆35与微处理机28相连接。由微处理机分别提供给这些晶体管的信号根据微处理机已编程序的工作方式来使这些晶体管关断和接通。这种操作适合于驱动开关44、46。
在图2的右侧，靠近顶部和底部所示的是向下和向上延伸的导体，并具有（+）和（-）符号靠近这两个导体。标有（+）号的那个导体与导体58相连接，而标有（-）号的导体与导体60相连接。因此，这两个导体之间供给的是一个680V额定幅值的直流电压。
在晶体管44、46之间的连接点上与前面所述的导体30相连接。
微处理机28被编程序使晶体管44、46以一个速率导通和截止，以便在导体30上建立一个人为的正弦电压，该电压具有任意选择的频率，例如广泛使用的60Hz的频率。由于在两个晶体管上总共可得到两倍的直流电压，在每个晶体管的开关期间，微处理机利用常规的脉冲宽度调制在导体30上产生一个已选择频率并具有1.73αSinA形式的电压。产生这种作用所需的算法完全是常规的，并且完全是现有技术，或者从现有技术中也是能够理解的，因此，在这里对这样一个算法就不进行详细的说明。
根据变换电路26，微处理机被适当的编程，以一种方式来驱动这个变换电路中仅有的两个功率晶体管开关，上述方式在导体32产生一个已选定的工作频率并具有1.73αSin（A+60°）形式的人为正弦电压。
由本发明提出的些种装置的突出的简单性现在已非常明显了。在一个三相负荷中只有三个输入端的两个输入端需要高速功率开关，因此总共只需要4个功率开关晶体管。该负荷的第三个输入端简单地直接接地。
负荷输入端的频率与电源输出端的频率无关，这就允许微处理机变化所选的频率，以产生一个变化的输出频率，因此有利于电动机的速度控制。
因此，所提出的发明能使从通常容易得到的单相交流电源，或从一个直流电源获得的电力来控制三相交流负荷变得容易，并且使用相对低的费用和简单的电路，电源及负荷两者的频率之间是完全无关的。初级电源提供给电力，这个电源在系统中被变换成直流。然后，作为一个输出电源，重新建立一个所需频率的正弦波，它具有适当的幅值和相角。
由本发明所获得的各种目的和优点已经被描述了。在本申请中所示的本发明的特定实施例是可以被变化和变型的，当然这种变化和变型不脱离本发明的构思。

Claims (8)

1、一种向一个三相负荷中三个输入端供电的装置，它从一个电源的两个输出端获得工作电源，该装置包括：
算法控制的计算机装置。
第一变换装置，该装置与所述的计算机装置，电源的两个输出端，以及负荷的一个输入端相连接，它从电源的输出端获得电池，并且在所述计算机装置的控制下，向负荷的一个输入端提供一个具有1.73αSin(A+60°)形式的人为正弦电压，以及
接地装置，该装置把负荷的第三个输入端接地。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征是每一个所述的变换装置包括不多于两个的功率开关，该开关与所述的计算机装置相连接并由该计算机装置控制。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于其中人为电压的频率彼此是相同的，并且与电源供给的电压的频率无关。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于人为电压的频率在所述计算机装置的控制下是可以变化的。
5、一种向一个三相负荷的三个输入端供电的装置，它从一个单相正弦波电源的两个输出端得到工作电源，该单相正弦波电源提供一个αSinA形式的电压，α是电压的幅值，A是相位角，在工作状况中该装置包括：
算法控制的计算机装置，
第一变换装置，该装置与所述的计算机装置、电源的两个输出端、以及负荷的一个输入端相连接，它从电源的输出端获得电源，并且在所述计算机装置的控制下，向负荷的一个输入端提供一个具有1.73αSinA形式的人为正弦电压，
第二变换装置，该装置与所述计算机装置、电源的两个输出端、以及负荷的另一输入端相相连接，它从电源的两个输出端获得电源，并且在所述计算机装置的控制下，向负荷的另一个输入端提供一个以1.73αSiu（A+60°）形式的人为正弦电压，以及
接地装置，该装置把负荷的第三输入端接地。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于每个所述变换器装置包括不多于两个的功率开关，该功率开关与所述计算机装置相连并由该计算机装置控制。
7、根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于人为电压的频率彼此是相同的，并且它们与由电源提供的电压的频率是无关的。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于在所述计算机装置的控制下，人为电压的频率是可以变化的。
CN90104381A 1989-05-10 1990-05-10 频率独立的单相-三相交流电源变换器 Pending CN1049252A (zh)

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