CN107888082A - 一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器，包括依次连接的滤波单元、AC/DC单元和DC/AC单元，滤波单元一方面为AC/DC单元整流电压提供泵升作用，使整流电压根据需要进行控制，另一方面针对系统的谐波污染，提供低阻抗通道，实现滤除系统谐波；AC/DC单元一方面为DC/AC单元提供可变的直流电压源，另一方面通过检测网侧电流成分，经电流分析处理，分离出电网的谐波电流与无功电流，然后通过补偿电路，对网侧的谐波电流与功率因数进行补偿；DC/AC单元利用AC/DC单元提供的直流电压源，通过三相逆变电路，产生所需的三相交流电压，以此来拖动电机等负载。本发明不仅自身不产生谐波、功率因数高，而且能够消除因外部设备产生的谐波电流与补偿整个系统的功率因数。

Description

一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器。
背景技术
随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，各种各样的变换器及其拓扑结构应运而生,目前主要流行的变换器拓扑结构有：一种是采用二极管整流或晶闸管整流和三相逆变器构成的变换器拓扑结构；还有一种是采用有源前端整流装置（AFE）和三相逆变器构成的变换器拓扑结构。其中采用二极管整流或晶闸管整流和三相逆变器构成的变换器拓扑结构具有成本较低，开关数量少，控制简单等特点，但该拓扑结构谐波含量高，功率因数低；采用有源前端整流装置（AFE）和三相逆变器构成的变换器拓扑结构具有开关数量多，控制相对复杂，且自身不产生谐波，功率因数高等特点，但该拓扑结构不能消除因外部设备而产生的谐波电流。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种自身不产生谐波、功率因数高、运行高效的具有谐波消除与无功补偿功能的变换器。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器，包括依次连接的滤波单元、AC/DC单元和DC/AC单元，所述滤波单元与三相交流电源连接，所述滤波单元包括相互连接的三个交流滤波电容和三个单相滤波电感，所述AC/DC单元和DC/AC单元均包括直流储能电容以及六个开关管和六个二极管，所述开关管与二极管反串联，所述AC/DC单元的直流储能电容和DC/AC单元的直流储能电容共用，所述DC/AC单元连接有三相交流输出相。
进一步地，所述滤波单元包括第一交流滤波电容、第二交流滤波电容、第三交流滤波电容、第一单相滤波电感、第二单相滤波电感和第三单相滤波电感，所述第一单相滤波电感的一端与网侧A相及第一交流滤波电容的一端连接，所述第二单相滤波电感的一端与网侧B相及第二交流滤波电容的一端连接，所述第三单相滤波电感的一端与网侧C相及第三交流滤波电容的一端连接，所述第三交流滤波电容、第一交流滤波电容、第二交流滤波电容的另一端连接。
进一步地，所述AC/DC单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和直流储能电容，所述第一开关管与第一二极管反串联，所述第二开关管与第二二极管反串联，所述第三开关管与第三二极管反串联，所述第四开关管与第四二极管反串联，所述第五开关管与第五二极管反串联，所述第六开关管与第六二极管反串联，所述直流储能电容的一端连接DC+母线，所述直流储能电容的另一端连接DC-母线，所述第一开关管的输出端和第四开关管的输入端与第一单相滤波电感的另一端连接，所述第一开关管的输入端与DC+母线连接，所述第四开关管的输出端与DC-母线连接，所述第二开关管的输出端和第五开关管的输入端与第二单相滤波电感的另一端连接，所述第二开关管的输入端与DC+母线连接，所述第五开关管的输出端与DC-母线连接，所述第三开关管的输出端和第六开关管的输入端与第三单相滤波电感的另一端连接，所述第三开关管的输入端与DC+母线连接，所述第六开关管的输出端与DC-母线连接。
进一步地，所述DC/AC单元包括第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管以及与AC/DC单元共用的直流储能电容，所述第七开关管与第七二极管反串联，所述第八开关管与第八二极管反串联，所述第九开关管与第九二极管反串联，所述第十开关管与第十二极管反串联，所述第十一开关管与第十一二极管反串联，所述第十二开关管与第十二二极管反串联，所述第七开关管的输出端和第十开关管的输入端与交流输出U相连接，所述第七开关管的输入端与DC+母线连接，所述第十开关管的输出端与DC-母线连接，所述第八开关管的输出端和第十一开关管的输入端与交流输出V相连接，所述第八开关管的输入端与DC+母线连接，所述第十一开关管的输出端与DC-母线连接，所述第九开关管的输出端和第十二开关管的输入端与交流输出W相连接，所述第九开关管的输入端与DC+母线连接，所述第十二开关管的输出端与DC-母线连接。
本发明相对现有技术具有以下有益效果：本发明具有谐波消除与无功补偿功能的变换器主要包括依次连接的滤波单元、AC/DC单元和DC/AC单元，其中滤波单元一方面为AC/DC单元整流电压提供泵升作用，使整流电压根据需要进行控制，另一方面针对系统的谐波污染，提供低阻抗通道，实现滤除系统谐波；AC/DC单元一方面为DC/AC单元提供可变的直流电压源，另一方面通过检测网侧电流成分，经电流分析处理，分离出电网的谐波电流与无功电流，然后通过补偿电路，对网侧的谐波电流与功率因数进行补偿；DC/AC单元利用AC/DC单元提供的直流电压源，通过三相逆变电路，产生所需的三相交流电压，以此来拖动电机等负载。本发明与传统变换器拓扑结构相比，不仅自身不产生谐波、功率因数高，而且能够消除因外部设备产生的谐波电流与补偿整个系统的功率因数，整个系统无需再安装额外的谐波治理装置与无功补偿设备，满足国家提出的绿色电网的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
本发明附图标记含义如下：1、滤波单元；2、AC/DC单元；3、DC/AC单元；C1、第一交流滤波电容；C2、第二交流滤波电容；C3、第三交流滤波电容；C4、直流储能电容；L1、第一单相滤波电感；L2、第二单相滤波电感；L3、第三单相滤波电感；V1、第一开关管；V2、第二开关管；V3、第三开关管；V4、第四开关管；V5、第五开关管；V6、第六开关管；V7、第七开关管；V8、第八开关管；V9、第九开关管；V10、第十开关管；V11、第十一开关管；V12、第十二开关管；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；D5、第五二极管；D6、第六二极管；D7、第七二极管；D8、第八二极管；D9、第九二极管；D10、第十二极管；D11、第十一二极管；D12、第十二二极管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器，包括依次连接的滤波单元1、AC/DC单元2和DC/AC单元3，滤波单元1与三相交流电源连接， DC/AC单元3连接有三相交流输出相。滤波单元包括第一交流滤波电容C1、第二交流滤波电容C2、第三交流滤波电容C3、第一单相滤波电感L1、第二单相滤波电感L2和第三单相滤波电感L3，第一单相滤波电感L1的一端与网侧A相及第一交流滤波电容C1的一端连接，第二单相滤波电感L2的一端与网侧B相及第二交流滤波电容C2的一端连接，第三单相滤波电感L3的一端与网侧C相及第三交流滤波电容C3的一端连接，第三交流滤波电容C3、第一交流滤波电容C1、第二交流滤波电容C2的另一端连接。AC/DC单元包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和直流储能电容C4，第一开关管V1与第一二极管D1反串联，第二开关管V2与第二二极管D2反串联，第三开关管V3与第三二极管D3反串联，第四开关管V4与第四二极管D4反串联，第五开关管V5与第五二极管D5反串联，第六开关管V6与第六二极管D6反串联，直流储能电容C4的一端连接DC+母线，直流储能电容C4的另一端连接DC-母线，第一开关管V1的输出端和第四开关管V4的输入端与第一单相滤波电感L1的另一端连接，第一开关管V1的输入端与DC+母线连接，第四开关管V4的输出端与DC-母线连接，第二开关管V2的输出端和第五开关管V5的输入端与第二单相滤波电感L2的另一端连接，第二开关管V2的输入端与DC+母线连接，第五开关管V5的输出端与DC-母线连接，第三开关管V3的输出端和第六开关管V6的输入端与第三单相滤波电感L3的另一端连接，第三开关管V3的输入端与DC+母线连接，第六开关管V6的输出端与DC-母线连接。DC/AC单元包括第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9、第十开关管V10、第十一开关管V11、第十二开关管V12、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12以及与AC/DC单元共用的直流储能电容C4，第七开关管V7与第七二极管D7反串联，第八开关管V8与第八二极管D8反串联，第九开关管V9与第九二极管D9反串联，第十开关管V10与第十二极管D10反串联，第十一开关管V11与第十一二极管D11反串联，第十二开关管V12与第十二二极管D12反串联，第七开关管V7的输出端和第十开关管V10的输入端与交流输出U相连接，第七开关管V7的输入端与DC+母线连接，第十开关管V10的输出端与DC-母线连接，第八开关管V8的输出端和第十一开关管V11的输入端与交流输出V相连接，第八开关管V8的输入端与DC+母线连接，第十一开关管V11的输出端与DC-母线连接，第九开关管V9的输出端和第十二开关管V12的输入端与交流输出W相连接，第九开关管V9的输入端与DC+母线连接，第十二开关管V12的输出端与DC-母线连接。
在AC/DC单元2中第一开关管V1和第四开关管V4的驱动信号逻辑相反，第二开关管V2和第五开关管V5的驱动信号逻辑相反，第三开关管V3和第六开关管V6的驱动信号逻辑相反。AC/DC单元2的主要作用一方面是为DC/AC单元3提供持续的、可变的直流电压源；另一方面，通过检测网侧电流，对电流进行谐波分析，计算出补偿指令电流，控制开关管第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5和第六开关管V6，发出需要补偿的谐波电流和无功电流，最终消除系统谐波电流和补偿无功电流，实现系统的绿色、节能。在DC/AC单元3中，第七开关管V7和第十开关管V10的驱动信号逻辑相反，第八开关管V8和第十一开关管V11的驱动信号逻辑相反，第九开关管V9和第十二开关管V12的驱动信号逻辑相反。通过控制开关管第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9、第十开关管V10、第十一开关管V11和第十二开关管V12，来实现对输出侧的电压与电流控制，进一步控制电机等负载。

Claims (4)

1.一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器，其特征在于：包括依次连接的滤波单元（1）、AC/DC单元（2）和DC/AC单元（3），所述滤波单元（1）与三相交流电源连接，所述滤波单元（1）包括相互连接的三个交流滤波电容和三个单相滤波电感，所述AC/DC单元（2）和DC/AC单元（3）均包括直流储能电容以及六个开关管和六个二极管，所述开关管与二极管反串联，所述AC/DC单元（2）的直流储能电容和DC/AC单元（3）的直流储能电容共用，所述DC/AC单元（3）连接有三相交流输出相。
2.根据权利要求1所述的一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器，其特征在于：所述滤波单元包括第一交流滤波电容（C1）、第二交流滤波电容（C2）、第三交流滤波电容（C3）、第一单相滤波电感（L1）、第二单相滤波电感（L2）和第三单相滤波电感（L3），所述第一单相滤波电感（L1）的一端与网侧A相及第一交流滤波电容（C1）的一端连接，所述第二单相滤波电感（L2）的一端与网侧B相及第二交流滤波电容（C2）的一端连接，所述第三单相滤波电感（L3）的一端与网侧C相及第三交流滤波电容（C3）的一端连接，所述第三交流滤波电容（C3）、第一交流滤波电容（C1）、第二交流滤波电容（C2）的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器，其特征在于：所述AC/DC单元包括第一开关管（V1）、第二开关管（V2）、第三开关管（V3）、第四开关管（V4）、第五开关管（V5）、第六开关管（V6）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）和直流储能电容（C4），所述第一开关管（V1）与第一二极管（D1）反串联，所述第二开关管（V2）与第二二极管（D2）反串联，所述第三开关管（V3）与第三二极管（D3）反串联，所述第四开关管（V4）与第四二极管（D4）反串联，所述第五开关管（V5）与第五二极管（D5）反串联，所述第六开关管（V6）与第六二极管（D6）反串联，所述直流储能电容（C4）的一端连接DC+母线，所述直流储能电容（C4）的另一端连接DC-母线，所述第一开关管（V1）的输出端和第四开关管（V4）的输入端与第一单相滤波电感（L1）的另一端连接，所述第一开关管（V1）的输入端与DC+母线连接，所述第四开关管（V4）的输出端与DC-母线连接，所述第二开关管（V2）的输出端和第五开关管（V5）的输入端与第二单相滤波电感（L2）的另一端连接，所述第二开关管（V2）的输入端与DC+母线连接，所述第五开关管（V5）的输出端与DC-母线连接，所述第三开关管（V3）的输出端和第六开关管（V6）的输入端与第三单相滤波电感（L3）的另一端连接，所述第三开关管（V3）的输入端与DC+母线连接，所述第六开关管（V6）的输出端与DC-母线连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有谐波消除与无功补偿功能的变换器，其特征在于：所述DC/AC单元包括第七开关管（V7）、第八开关管（V8）、第九开关管（V9）、第十开关管（V10）、第十一开关管（V11）、第十二开关管（V12）、第七二极管（D7）、第八二极管（D8）、第九二极管（D9）、第十二极管（D10）、第十一二极管（D11）、第十二二极管（D12）以及与AC/DC单元共用的直流储能电容（C4），所述第七开关管（V7）与第七二极管（D7）反串联，所述第八开关管（V8）与第八二极管（D8）反串联，所述第九开关管（V9）与第九二极管（D9）反串联，所述第十开关管（V10）与第十二极管（D10）反串联，所述第十一开关管（V11）与第十一二极管（D11）反串联，所述第十二开关管（V12）与第十二二极管（D12）反串联，所述第七开关管（V7）的输出端和第十开关管（V10）的输入端与交流输出U相连接，所述第七开关管（V7）的输入端与DC+母线连接，所述第十开关管（V10）的输出端与DC-母线连接，所述第八开关管（V8）的输出端和第十一开关管（V11）的输入端与交流输出V相连接，所述第八开关管（V8）的输入端与DC+母线连接，所述第十一开关管（V11）的输出端与DC-母线连接，所述第九开关管（V9）的输出端和第十二开关管（V12）的输入端与交流输出W相连接，所述第九开关管（V9）的输入端与DC+母线连接，所述第十二开关管（V12）的输出端与DC-母线连接。
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