CN104935183B - 三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开的三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路由三相进线电感电路、双半波整流电路、交流旁路开关电路、逆变电路、滤波电路及三相负载电路组成；三相进线电感电路、双半波整流电路、交流旁路开关电路及三相负载电路串联，逆变电路和滤波电路均与交流旁路开关电路并联。本发明的三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路，无需使用工频变压器重构电源中性点，在三相三线制电源时实现了用相电压对注入电压逆变器的直流母线充电，且不会导致母线电压过高。

Description

三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路

技术领域

本发明属于电学电路技术领域，涉及一种三相电压暂变补偿电路，具体涉及一种三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路。

背景技术

Brumsickle，W.E.等人提出了Dysc动态电压跌落补偿电路，这种电路主要适用于单相电压跌落的补偿，使用相电压对注入电压逆变器的直流母线进行充电，但其中一般都需要使用中性线。

为了将Dysc拓扑应用于三相三线制系统，且用单相的相电压来完成电压暂变补偿，通常要使用一个特殊的变压器来重构三相电源的中性点，但这样往往会使整个电路的体积增大、重量增加、造价提高。

经研究发现，使用线电压对注入电压逆变器的直流母线充电时，无需使用中性线，但是由于直流母线电压过高，会使注入电压逆变器开关器件的电压应力过高，导致限制了其使用范围。

发明内容

本发明公开了一种三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路，无需使用工频变压器重构电源中性点，在三相三线制电源时实现了用相电压对注入电压逆变器的直流母线充电，且不会导致母线电压过高。

本发明所采用的技术方案是，三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路，由三相进线电感电路、双半波整流电路、交流旁路开关电路、逆变电路、滤波电路及三相负载电路组成；三相进线电感电路、双半波整流电路、交流旁路开关电路及三相负载电路串联，逆变电路和滤波电路均与交流旁路开关电路并联。

本发明的特点还在于：

三相进线电感电路内并联的设置有第一电感、第二电感及第三电感，第一电感、第二电感及第三电感分别对应的接入三相交流电源的A、B、C三相；第一电感、第二电感及第三电感还分别与双半波整流电路连接。

双半波整流电路由第一整流电路、第二整流电路及第三整流电路组成；第一整流电路、第二整流电路及第三整流电路分别对应的接入三相交流电源的A、B、C三相。

第一整流电路由第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容组成；第一电容和第二电容顺向串联，第一电容和第二电容的中点经第一电感接三相交流电源的A相；第一二极管和第二二极管顺向串联，第一二极管阴极向上与第一电容的另一端相接，第二二极管阳极向下与第二电容的另一端相接；

第二整流电路由第三二极管、第四二极管、第三电容和第四电容组成；第三电容和第四电容顺向串联，第三电容和第四电容的中点经第二电感接三相交流电源的B相；第三二极管和第四二极管顺向串联，第三二极管阴极向上与第三电容的另一端相接，第四二极管阳极向下与第四电容的另一端相接；

第三整流电路由第五二极管、第六二极管、第五电容和第六电容组成；第五电容和第六电容顺向串联，第五电容和第六电容的中点经第三电感接三相交流电源的C相；第五二极管和第六二极管顺向串联，第五二极管阴极向上与第五电容的另一端相接，第六二极管阳极向下与第六电容的另一端相接；

第一二极管和第二二极管的中点、第三二极管和第四二极管的中点、第五二极管和第六二极管的中点，三个中点连在一起。

交流旁路开关电路由三组相同的晶闸管单元并联组成。

三组晶闸管单元分别为第一晶闸管单元、第二晶闸管单元、第三晶闸管单元；第一晶闸管单元、第二晶闸管单元、第三晶闸管单元均由两个反向并联的晶闸管组成。

逆变电路由三个完全相同且并联设置的第一半桥逆变器、第二半桥逆变器及第三半桥逆变器组成；逆变电路用于实现对经整流之后的直流电压进行逆变，输出一个注入电压。

第一半桥逆变器由上桥臂GT₁/GD₁和下桥臂GT₂/GD₂组成；上桥臂GT₁/GD₁和下桥臂GT₂/GD₂顺向串联，上桥臂GT₁/GD₁的上端与第一电容的另一端相接，下桥臂GT₂/GD₂的下端与第二电容的另一端相接；

第二半桥逆变器由上桥臂GT₃/GD₃和下桥臂GT₄/GD₄组成；上桥臂GT₃/GD₃和下桥臂GT₄/GD₄顺向串联，上桥臂GT₃/GD₃的上端与第三电容的另一端相接，下桥臂GT₄/GD₄的下端与第四电容的另一端相接；

第二半桥逆变器由上桥臂GT₅/GD₅和下桥臂GT₆/GD₆组成；上桥臂GT₅/GD₅和下桥臂GT₆/GD₆顺向串联，上桥臂GT₅/GD₅的上端与第五电容的另一端相接，下桥臂GT₆/GD₆的下端与第六电容的另一端相接。

滤波电路由第一低通滤波器、第二低通滤波器及第三低通滤波器组成；滤波电路用于滤除逆变电路的高频谐波，使负载得到光滑的正弦交流电压；三相负载电路由三个相互独立的第一负载、第二负载、第三负载并联组成。

第一低通滤波器由第四电感和第七电容组成；第二低通滤波器由第五电感和第八电容组成；第三低通滤波器由第六电感和第九电容组成。

本发明的有益效果还在于：

(1)本发明的电压暂变补偿电路，通过将三组半桥二极管的中点相连组成的“虚拟电源中性点N′”，从而实现三相注入电压逆变器的直流电源由相电压来完成整流充电。

(2)本发明的电压暂变补偿电路，省去了重构三相电源中性点的工频变压器，能大幅减小体积、减轻重量及降低成本。

(3)本发明的电压暂变补偿电路，输入三相电源A、B、C的电流中不包含零序分量；因此，三相进线电感电路的选择性比较大，三相进线电感电路可以是一个三相电感，也可以由三个单相电感组成。

(4)本发明的电压暂变补偿电路在运行时，其内部的第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅和第六电容C₆上的电压最大值可以达到三相相电压的峰值。

附图说明

图1是本发明三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路的结构示意图。

图中，1.三相进线电感电路，2.双半波整流电路，3.交流旁路开关电路，4.逆变电路，5.滤波电路，6.三相负载电路，7.第一整流电路，8.第二整流电路，9.第三整流电路，10.第一负载，11.第二负载，12.第三负载，L₁.第一电感，L₂.第二电感，L₃.第三电感，L₄.第四电感，L₅.第五电感，L₆.第六电感，C₁.第一电容，C₂.第二电容，C₃.第三电容，C₄.第四电容，C₅.第五电容，C₆.第六电容，C₇.第七电容，C₈.第八电容，C₉.第九电容，VD₁.第一二极管，VD₂.第二二极管，VD₃.第三二极管，VD₄.第四二极管，VD₅.第五二极管，VD₆.第六二极管，SW₁.第一晶闸管单元、SW₂.第二晶闸管单元、SW₃.第三晶闸管单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路，其结构如图1所示，由三相进线电感电路1、双半波整流电路2、交流旁路开关电路3、逆变电路4、滤波电路5及三相负载电路6组成；其中三相进线电感电路1、双半波整流电路2、交流旁路开关电路3及三相负载电路6串联，逆变电路4、滤波电路5均与交流旁路开关电路3并联。

三相进线电感电路1内并联的器件有第一电感L₁、第二电感L₂及第三电感L₃；第一电感L₁、第二电感L₂及第三电感L₃分别对应的接入三相交流电源的A、B、C三相，第一电感L₁、第二电感L₂及第三电感L₃还分别与双半波整流电路2连接。

三相进线电感电路1用来限制注入三相交流电源的谐波电流。

双半波整流电路2由三个相对独立且完全相同的整流电路，每个整流电路均由两个二极管和两个电容组成；且每个电容的电压最大值为输入交流电源相电压的峰值。

双半波整流电路2内的三个整流电路分别为第一整流电路7、第二整流电路8、第三整流电路9，且第一整流电路7、第二整流电路8、第三整流电路9分别对应的接入三相交流电源的A、B、C三相。

接入三相交流电源A相的第一整流电路7由第一二极管VD₁、第二二极管VD₂、第一电容C₁和第二电容C₂组成；第一电容C₁和第二电容C₂顺向串联，第一电容C₁和第二电容C₂的中点经第一电感L₁接三相交流电源的A相；第一二极管VD₁和第二二极管VD₂顺向串联，第一二极管VD₁阴极向上与第一电容C₁的另一端相接，第二二极管VD₂阳极向下与第二电容C₂的另一端相接。

接入三相交流电源B相的第二整流电路8由第三二极管VD₃、第四二极管VD₄、第三电容C₃和第四电容C₄组成；第三电容C₃和第四电容C₄顺向串联，第三电容C₃和第四电容C₄的中点经第二电感L₂接三相交流电源的B相；第三二极管VD₃和第四二极管VD₄顺向串联，第三二极管VD₃阴极向上与第三电容C₃的另一端相接，第四二极管VD₄阳极向下与第四电容C₄的另一端相接。

接入三相交流电源C相的第三整流电路9由第五二极管VD₅、第六二极管VD₆、第五电容C₅和第六电容C₆组成；第五电容C₅和第六电容C₆顺向串联，第五电容C₅和第六电容C₆的中点经第三电感L₃接三相交流电源的C相；第五二极管VD₅和第六二极管VD₆顺向串联，第五二极管VD₅阴极向上与第五电容C₅的另一端相接，第六二极管VD₆阳极向下与第六电容C₆的另一端相接。

第一二极管VD₁和第二二极管VD₂的中点、第三二极管VD₃和第四二极管VD₄的中点、第五二极管VD₅和第六二极管VD₆的中点，三个中点连在一起，记为“N′”。

交流旁路开关电路3由三组并联的晶闸管单元，这三组晶闸管单元分别为：第一晶闸管单元SW₁、第二晶闸管单元SW₂、第三晶闸管单元SW₃；

第一晶闸管单元SW₁、第二晶闸管单元SW₂、第三晶闸管单元SW₃均由两个反向并联的晶闸管组成。

当电源电压正常期间，交流旁路开关导通逆变电路4不工作，电路中的负载由电源直接供电；当电源电压发生暂变时，交流旁路开关关断，逆变电路4开始工作产生一个注入电压，注入电压与暂变后的电源电压相叠加，使得三相负载上维持额定电压。

逆变电路4由三个完全相同且又相互独立的半桥逆变器以并联的方式组成，这三个半桥逆变器分别为第一半桥逆变器、第二半桥逆变器及第三半桥逆变器；

第一半桥逆变器、第二半桥逆变器及第三半桥逆变器均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂结构相同，均由一个全控开关器件和一个反并联二极管组成。

逆变电路4可实现对经整流之后的直流电压进行逆变，输出一个适当的注入电压。

接入三相交流电源A相的第一半桥逆变器由上桥臂GT₁/GD₁和下桥臂GT₂/GD₂组成；上桥臂GT₁/GD₁和下桥臂GT₂/GD₂顺向串联，上桥臂GT₁/GD₁的上端与第一电容C₁的另一端相接，下桥臂GT₂/GD₂的下端与第二电容C₂的另一端相接。

接入三相交流电源B相的第二半桥逆变器由上桥臂GT₃/GD₃和下桥臂GT₄/GD₄组成；上桥臂GT₃/GD₃和下桥臂GT₄/GD₄顺向串联，上桥臂GT₃/GD₃的上端与第三电容C₃的另一端相接，下桥臂GT₄/GD₄的下端与第四电容C₄的另一端相接。

接入三相交流电源C相的第三半桥逆变器由上桥臂GT₅/GD₅和下桥臂GT₆/GD₆组成；上桥臂GT₅/GD₅和下桥臂GT₆/GD₆顺向串联，上桥臂GT₅/GD₅的上端与第五电容C₅的另一端相接，下桥臂GT₆/GD₆的下端与第六电容C₆的另一端相接。

滤波电路5由第一低通滤波器、第二低通滤波器及第三低通滤波器组成；第一低通滤波器由第四电感L₄和第七电容C₇组成；第二低通滤波器由第五电感L₅和第八电容C₈组成；第三低通滤波器由第六电感L₆和第九电容C₉组成。

滤波电路5用于滤除逆变电路4的高频谐波，使负载得到光滑的正弦交流电压。

三相负载电路6由三个相互独立的第一负载10、第二负载11、第三负载12并联组成。三相负载电路6是实际生活中的用户的用电设备。

本发明三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路中各电路的作用如下：

三相进线电感电路1：三相交流电源通过三相进线电感电路1的滤波抑制作用来限制进入三相电源的谐波电流，为双半波整流电路2以及三相负载电路6提供较为纯净的三相对称交流电压，使得双半波整流电路2能够稳定正常运行，且三相负载电路6可以得到稳定的电压。

双半波整流电路2：经过双半波整流电路2的整流作用，其中的第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅及第六电容C₆上的充电电压最大值分别为单相相电压的峰值。

交流旁路开关电路3：当电源电压正常时，三相交流电源通过三相进线电感电路1，再经过交流旁路开关电路3直接给三相负载电路6供电；当三相交流电源电压开始发生跌落时，将交流旁路开关电路3断开，即此时交流旁路开关电路3不工作。

逆变电路4：由于三相负载电路6需要的是交流电压，因此经过双半波整流电路2整流后在第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅及第六电容C₆上得到的直流电压，需要经过逆变电路4的逆变电路才能得到一个交流注入电压，该注入电压与剩余电网电压一起给三相负载电路6供电。

滤波电路5：由于经过逆变电路4输出的正弦电压含有高频载波谐波，因此需要对逆变电路4的输出电压进行滤波处理，得到较为平滑的正弦交流电压，供给三相负载电路6。

三相负载电路6：三相负载电路就是实际生活中的用电设备，主要作用就是用电。

上述的六部分电路的相互作用，使得整个三相三线无变压器相电压充电电压暂变补偿电路性能稳定，运行可靠，负载上能得到与电源电压一致的交流电压。

本发明三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路的工作过程具体如下：

首先利用三相进线电感电路1滤除注入三相交流电源的谐波电流；接着三相交流电源的电流经三相进线电感电路1处理之后进入双半波整流电路2内，由双半波整流电路2给母线电容充电：

当三相交流电源电压正常时，则由三相交流电源直接经过交流旁路开关电路3为三相负载电路6供电；

当三相交流电源电压发生暂变时，关闭交流旁路开关电路3，此时逆变电路4开始工作，产生一个正弦注入电压，注入电压与暂变后的三相交流电源电压相叠加，经滤波电路5滤除逆变电路4产生的正弦注入电压中的高频谐波，使得三相负载电路6上维持平滑的额定的电源电压。

本发明三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路运行时，双半波整流电路2内的第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅及第六电容C₆上的电压最大值分别为单相相电压的峰值，理论上可实现补偿的三相最大对称跌落剩余电压为53.6％。本发明三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路，无需使用工频变压器重构电源中性点，在三相三线制电源时实现了用相电压对注入电压逆变器的直流母线充电，且不会导致母线电压过高。

Claims (2)

1.三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路，其特征在于，由三相进线电感电路(1)、双半波整流电路(2)、交流旁路开关电路(3)、逆变电路(4)、滤波电路(5)及三相负载电路(6)组成；所述三相进线电感电路(1)、双半波整流电路(2)、交流旁路开关电路(3)及三相负载电路(6)串联，所述逆变电路(4)和滤波电路(5)均与所述交流旁路开关电路(3)并联；

所述三相进线电感电路(1)内并联的设置有第一电感(L₁)、第二电感(L₂)及第三电感(L₃)，所述第一电感(L₁)、第二电感(L₂)及第三电感(L₃)分别对应的接入三相交流电源的A、B、C三相；所述第一电感(L₁)、第二电感(L₂)及第三电感(L₃)还分别与双半波整流电路(2)连接；

所述双半波整流电路(2)由第一整流电路(7)、第二整流电路(8)及第三整流电路(9)组成；所述第一整流电路(7)、第二整流电路(8)及第三整流电路(9)分别对应的接入三相交流电源的A、B、C三相；

所述交流旁路开关电路(3)由三组相同的晶闸管单元并联组成；

所述逆变电路(4)由三个完全相同且并联设置的第一半桥逆变器、第二半桥逆变器及第三半桥逆变器组成；所述逆变电路(4)用于实现对经整流之后的直流电压进行逆变，输出一个注入电压；

所述滤波电路(5)由第一低通滤波器、第二低通滤波器及第三低通滤波器组成；所述滤波电路(5)用于滤除逆变电路(4)的高频谐波，使负载得到光滑的正弦交流电压；所述三相负载电路(6)由三个相互独立的第一负载(10)、第二负载(11)、第三负载(12)并联组成；

所述第一整流电路(7)由第一二极管(VD₁)、第二二极管(VD₂)、第一电容(C₁)和第二电容(C₂)组成；所述第一电容(C₁)和第二电容(C₂)顺向串联，所述第一电容(C₁)和第二电容(C₂)的中点经第一电感(L₁)接三相交流电源的A相；所述第一二极管(VD₁)和第二二极管(VD₂)顺向串联，所述第一二极管(VD₁)阴极向上与第一电容(C₁)的另一端相接，第二二极管(VD₂)阳极向下与第二电容(C₂)的另一端相接；

所述第二整流电路(8)由第三二极管(VD₃)、第四二极管(VD₄)、第三电容(C₃)和第四电容(C₄)组成；所述第三电容(C₃)和第四电容(C₄)顺向串联，所述第三电容(C₃)和第四电容(C₄)的中点经第二电感(L₂)接三相交流电源的B相；所述第三二极管(VD₃)和第四二极管(VD₄)顺向串联，所述第三二极管(VD₃)阴极向上与第三电容(C₃)的另一端相接，所述第四二极管(VD₄)阳极向下与第四电容(C₄)的另一端相接；

所述第三整流电路(9)由第五二极管(VD₅)、第六二极管(VD₆)、第五电容(C₅)和第六电容(C₆)组成；所述第五电容(C₅)和第六电容(C₆)顺向串联，所述第五电容(C₅)和第六电容(C₆)的中点经第三电感(L₃)接三相交流电源的C相；所述第五二极管(VD₅和第六二极管(VD₆)顺向串联，所述第五二极管(VD₅)阴极向上与第五电容(C₅)的另一端相接，第六二极管(VD₆)阳极向下与第六电容(C₆)的另一端相接；

所述第一二极管(VD₁)和第二二极管(VD₂)的中点、所述第三二极管(VD₃)和第四二极管(VD₄)的中点、所述第五二极管(VD₅)和第六二极管(VD₆)的中点，三个中点连在一起；

所述三组晶闸管单元分别为第一晶闸管单元(SW₁)、第二晶闸管单元(SW₂)、第三晶闸管单元(SW₃)；所述第一晶闸管单元(SW₁)、第二晶闸管单元(SW₂)、第三晶闸管单元(SW₃)均由两个反向并联的晶闸管组成；

所述第一半桥逆变器由第一上桥臂(GT₁/GD₁)和第一下桥臂(GT₂/GD₂)组成；所述第一上桥臂(GT₁/GD₁)和第一下桥臂(GT₂/GD₂)顺向串联，所述第一上桥臂(GT₁/GD₁)的上端与第一电容(C₁)的另一端相接，所述第一下桥臂(GT₂/GD₂)的下端与第二电容(C₂)的另一端相接；

所述第二半桥逆变器由第二上桥臂(GT₃/GD₃)和第二下桥臂(GT₄/GD₄)组成；所述第二上桥臂(GT₃/GD₃)和第二下桥臂(GT₄/GD₄)顺向串联，所述第二上桥臂(GT₃/GD₃)的上端与第三电容(C₃)的另一端相接，所述第二下桥臂(GT₄/GD₄)的下端与第四电容(C₄)的另一端相接；

所述第三半桥逆变器由第三上桥臂(GT₅/GD₅)和第三下桥臂(GT₆/GD₆)组成；第三上桥臂(GT₅/GD₅)和第三下桥臂(GT₆/GD₆)顺向串联，所述第三上桥臂(GT₅/GD₅)的上端与第五电容(C₅)的另一端相接，第三下桥臂(GT₆/GD₆)的下端与第六电容(C₆)的另一端相接。

2.根据权利要求1所述的三相三线无变压器相电压充电的电压暂变补偿电路，其特征在于，所述第一低通滤波器由第四电感(L₄)和第七电容(C₇)组成；

所述第二低通滤波器由第五电感(L₅)和第八电容(C₈)组成；

所述第三低通滤波器由第六电感(L₆)和第九电容(C₉)组成。