CN108011534A - 三相电控制系统及变流器、逆变器和电力补偿装置 - Google Patents

三相电控制系统及变流器、逆变器和电力补偿装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子领域，公开了三相电控制系统及变流器、逆变器和电力补偿装置，其包括控制电路，控制电路中设置有电子开关，控制电路通过电子开关的调节分别产生波形相位依次相差120°的iA(1)、iB(2)和iC(3)。iA(1)、iB(2)和iC(3)的相位周期均为360°，iA(1)、iB(2)和iC(3)叠加形成输出电流iD(4)。iD(4)为电流值恒定的平直的直流波。本发明为实现一个变流器的触发控制策略，该变流器可实现从三相正弦波电流到完全平直的直流电流的转换且直流侧电压从三相交流线电压峰值的0％‑87％可调，该变流器可以但不限于使用于四象限工作的整流领域。

Description

三相电控制系统及变流器、逆变器和电力补偿装置
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及三相电控制系统及变流器、逆变器和电力补偿装置。
背景技术
现行的三相交流电流波形大多以正弦波为理想波。背离正弦波者含有各种级次的谐波分量。正常的交流电网和交流用电设备均希望谐波含量很小，为此需加入清除谐波的电路或设备。
现行的直流电流波形大多以平直的波形为理想波。背离平直者含有交流谐波分量。正常的直流电源均希望谐波含量很小，为此需加入滤波电路或设备。
一个正弦波的正半波和负半波的宽度均为180°。但是三相正的正弦半波电流相加并不是正的平直的直流电流；三相负的正弦半波电流相加并不是负的平直的直流电流。因此平常的三相二极管整流、晶闸管整流等均不能从三相电网直接获得平直的直流电流，而必须加上某些滤波设备，譬如滤波电容、电感、或者将三相变成六相或十二相交流等。
发明内容
本发明针对现有技术中不能从三相电网直接获得平直的直流电流，而必须加上某些滤波设备的缺点，提供了三相电控制系统及变流器、逆变器和电力补偿装置。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
三相电控制系统，包括控制电路，控制电路中设置有电子开关，控制电路通过电子开关的调节分别产生波形相位依次相差120°的A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC，A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的相位周期均为360°，A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC叠加形成输出电流iD，iD为电流值恒定的平直的直流波。
A相电流iA、iB和iC均可为正电流或负电流，A相电流iA包括iA+和iA-，B相电流iB包括iB+和iB-，C相电流iC包括iC+和iC-；iA+、iB+和iC+均为正电流并叠加形成正向输出电流iD+；iA-、iB-和iC-为负电流并叠加形成负向输出电流iD-,iD+和iD-为电流值恒定的平直的直流波。
还包括第一正弦波IA、第二正弦波IB和第三正弦波IC，第一正弦波IA由iA+和iA-叠加形成，第二正弦波IB由iB+和iB-叠加形成，第三正弦波IC由iC+和iC-叠加形成，第一正弦波IA、第二正弦波IB和第三正弦波IC均为正弦波。
A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的每个相位周期均包括四段波形；
控制电路控制产生的iA+的一个周期内的四段波形如下：
当-30°<ωt<＝30°iA+(ωt)＝ID*(1+sin(ωt-60°))；
当30°<ωt<＝150°iA+(ωt)＝ID*(sin(ωt))；
当150°<ωt<＝210°iA+(ωt)＝ID*(1-sin(ωt-120°))；
当210°<ωt<＝330°iA+(ωt)＝0；
其中ID为电流波形的幅值，ω为角频率,t为时间；
控制电路控制产生的iB+、iC+、iA-、iB-和iC-的波形分别如下：
iB+(ωt)＝iA+(ωt-120°)；
iC+(ωt)＝iA+(ωt+120°)；
iA-(ωt)＝-iA+(ωt+180°)；
iB-(ωt)＝-iB+(ωt+180°)；
iC-(ωt)＝-iC+(ωt+180°)；
其中，将iA+与iA-叠加形成iA，iB+与iB-叠加形成iB，iC+与iC-叠加形成iC，iA、iB和iC构成三个互差120°的正弦波。
变流器，还包括以上的三相电控制系统。通过三相电控制系统控制A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的角频率与三相交流电压的角频率相等。通过三相电控制系统控制A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ。当90°<φ<＝270°时，变流器成为逆变器，将直流电转变为三相交流电。通过三相电控制系统控制角度φ的大小从而可改变变流器的直流电压与交流电压之间的比例关系，由此可调节直流电压或交流电压的大小。
无功补偿装置，还包括以上的三相电控制系统，通过三相电控制系统控制A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的角频率与三相交流电压的角频率相等，通过三相电控制系统控制A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ，当φ≈-90°或φ≈+90°时，变流器的直流电压接近零，变流器的功率因数也接近于零，变流器可分别提供正的或负的无功功率，成为可连续调节的功率因数补偿装置。
谐波补偿装置，还包以上的三相电控制系统。通过三相电控制系统控制A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的角频率为三相交流电压的角频率的整数倍。通过三相电控制系统控制A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ。此时三相电流A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC为三相交流电网频率整数倍的谐波电流。调节角度φ和电流的大小使得A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC恰好等于电网中用电设备产生的谐波电流且与其方向相反，就补偿了电网中的一个谐波电流。重复这一过程让三相电控制系统同时产生多个不同整数倍的谐波电流并使A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC成为所有谐波电流之和就可以补偿电网中的所有谐波电流。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明为实现一个变流器的触发控制策略，该变流器可实现从三相正弦波电流到完全平直的直流电流的转换且直流侧电压从三相交流线电压峰值的0％-87％可调，该变流器可以但不限于使用于四象限工作的整流领域。实现一个变流器的触发控制策略，该变流器可实现从直流到三相正弦电流的转换且交流侧的无功及谐波分量可控，该变流器可以但不限于使用于交流变频领域。实现一个变流器的触发控制策略，该变流器可产生三相正弦无功和高次谐波电流，无功和各高次谐波均具有可控的相位、幅值及正序和负序分量，该变流器可以但不限于使用于无功、负序及谐波补偿领域。
附图说明
图1是本发明的iA+的波形图。
图2是iA+、iB+和iC+的波形图以及三个波形叠加后得到的输出波iD+的波形图，iD+为一平直的直流波形。
图3是iA-、iB-和iC-的波形图以及三个波形叠加后得到的输出波iD-的波形图，iD-为一平直的直流波形。
图4是iA+和iA-叠加后得到的iA的波形图。
图5是三相交流变流器的主电路拓扑原理图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—iA、2—iB、3—iC、4—iD、11—iA+、12—iA-、21—iB+、22—iB-、31—iC+、32—iC-、41—iD+、42—iD-。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
三相电控制系统，如图所示，包括控制电路，控制电路中设置有电子开关，控制电路通过电子开关的调节分别产生波形相位依次相差120°的A相电流iA、B相电流iB和C相电流iC，以下A相电流iA简化为iA表示，B相电流iB简化为ib表示，C相电流iC简化为ic表示，iA1、iB2和iC3的相位周期均为360°，iA1、iB2和iC3叠加形成输出电流iD4，iD4为电流值恒定的平直的直流波。
iA1、iB2和iC3均包含有正电流和负电流，iA1包括iA+11和iA-12，iB2包括iB+21和iB-22，iC3包括iC+31和iC-32；iA+11、iB+21和iC+31均为正电流并叠加形成正向输出电流iD+41；iA-12、iB-22和iC-32为负电流并叠加形成负向输出电流iD-42,iD+41和iD-42为电流值恒定的平直的直流波。
还包括iA1＝iA+11+iA-12，iB2＝iB+21+iB-22，iC3＝iC+31+iC-32。iA1、iB2和iC3均为正玹波。
iA1、iB2和iC3的每个相位周期均包括四段波形；
控制电路控制产生的iA+11的一个周期内的四段波形如下：
当-30°<ωt<＝30°iA+(ωt)＝ID*(1+sin(ωt-60°))；
当30°<ωt<＝150°iA+(ωt)＝ID*(sin(ωt))；
当150°<ωt<＝210°iA+(ωt)＝ID*(1-sin(ωt-120°))；
当210°<ωt<＝330°iA+(ωt)＝0；
其中ID为电流波形的幅值，ω为角频率,t为时间；
控制电路控制产生的iB+21、iC+31、iA-12、iB-22和iC-32的波形分别如下：
iB+(ωt)＝iA+(ωt-120°)；
iC+(ωt)＝iA+(ωt+120°)；
iA-(ωt)＝-iA+(ωt+180°)；
iB-(ωt)＝-iB+(ωt+180°)；
iC-(ωt)＝-iC+(ωt+180°)；
其中,将iA+11与iA-12叠加形成iA1,iB+21与iB-22叠加形成iB2,iC+31与iC-32叠加形成iC3，iA1、iB2和iC3构成三个互差120°的正弦波。
变流器，还包括以上的三相电控制系统，通过三相电控制系统控制三相电流iA1、iB2和iC3的角频率与三相交流电压的角频率相等，通过三相电控制系统控制三相电流iA1、iB2和iC3的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ，当90°<φ<＝270°时，变流器成为逆变器，将直流电转变为三相交流电，通过三相电控制系统改变角度φ的大小即达到了改变变流器的输出直流电压的大小的目的。改变角度φ的大小会改变输出直流电压的大小，同时也将改变三相电流和三相电压之间的相位差，从而可以向三相交流电网输出无功功率，可用于电网无功功率的补偿。当不需要无功补偿时，可通过三相电控制系统同时产生2个三相电流并使总电流为2个电流的叠加，即iA＝iA1+iA2，iB＝iB1+iB2，iC＝iC1+iC2，并使2个三相电流的相位角与三相电压的相位角分别相差+φ和-φ。这样，iA1、iB1和iC1所产生的正无功(或负无功)就恰好和iA2、iB2和iC2所产生的负无功(或正无功)相抵消，此时变流器纯粹提供交流-直流间的能量变换而不会产生无功功率,即功率因素为1.0的变流器。
电力补偿装置包括无功补偿装置和谐波补偿装置。
无功补偿装置，还包括以上的三相电控制系统，通过三相电控制系统控制三相电流iA1、iB2和iC3的角频率与三相交流电压的角频率相等，通过三相电控制系统控制三相电流iA1、iB2和iC3的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ，当φ≈-90°或φ≈+90°时，变流器的输出直流电压接近零，变流器的功率因数也接近于零，变流器可分别提供正的或负的无功功率，成为可连续调节的功率因数补偿装置。
谐波补偿装置，还包括以上的三相电控制系统。通过三相电控制系统控制三相电流iA1、iB2和iC3的角频率为三相交流电压的角频率的整数倍。通过三相电控制系统控制三相电流iA1、iB2和iC3的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ。此时三相电流iA1、iB2和iC3为三相交流电网频率整数倍的谐波电流。调节角度φ和电流的大小使得iA1、iB2和iC3恰好等于电网中用电设备产生的谐波电流且与其方向相反，就补偿了电网中的一个谐波电流。重复这一过程让三相电控制系统同时产生多个不同整数倍的谐波电流并使iA1、iB2和iC3成为所有谐波电流之和就可以补偿电网中的所有谐波电流，从而构成电网谐波补偿装置。总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.三相电控制系统，其特征在于：包括控制电路，控制电路中设置有电子开关，控制电路通过电子开关的调节分别产生波形相位依次相差120°的A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)，A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的相位周期均为360°，A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)叠加形成输出电流iD(4)，iD(4)为电流值恒定的平直的直流波。
2.根据权利要求1所述的三相电控制系统，其特征在于：A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)为正电流或负电流，A相电流iA(1)包括iA+(11)和iA-(12)，B相电流iB(2)包括iB+(21)和iB-(22)，C相电流iC(3)包括iC+(31)和iC-(32)；iA+(11)、iB+(21)和iC+(31)叠加形成正向输出电流iD+(41)；iA-(12)、iB-(22)和iC-(32)叠加形成负向输出电流iD-(42),iD+(41)和iD-(42)为电流值恒定的平直的直流波。
3.根据权利要求2所述的三相电控制系统，其特征在于：还包括第一正弦波IA(101)、第二正弦波IB(201)和第三正弦波IC(301)，第一正弦波IA(101)由iA+(11)和iA-(12)叠加形成，第二正弦波IB(201)由iB+(21)和iB-(22)叠加形成，第三正弦波IC(301)由iC+(31)和iC-(32)叠加形成，第一正弦波IA(101)、第二正弦波IB(201)和第三正弦波IC(301)均为正弦波。
4.根据权利要求1-3所述的三相电控制系统，其特征在于：A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的每个相位周期均包括四段波形；
控制电路控制产生的iA+(11)的一个周期内的四段波形如下：
当-30°<ωt<＝30° iA+(ωt)＝ID*(1+sin(ωt-60°))；
当30°<ωt<＝150° iA+(ωt)＝ID*(sin(ωt))；
当150°<ωt<＝210° iA+(ωt)＝ID*(1-sin(ωt-120°))；
当210°<ωt<＝330° iA+(ωt)＝0；
其中ID为电流波形的幅值，ω为角频率,t为时间；
控制电路控制产生的iB+(21)、iC+(31)、iA-(12)、iB-(22)和iC-(32)的波形分别如下：
iB+(ωt)＝iA+(ωt-120°)；
iC+(ωt)＝iA+(ωt+120°)；
iA-(ωt)＝-iA+(ωt+180°)；
iB-(ωt)＝-iB+(ωt+180°)；
iC-(ωt)＝-iC+(ωt+180°)；
其中，将iA+(11)与iA-(12)叠加形成iA(1)，iB+(21)与iB-(22)叠加形成iB(2)，iC+(31)与iC-(32)叠加形成iC(3)，iA(1)、iB(2)和iC(3)构成三个互差120°的正弦波。
5.变流器，其特征在于：还包括权利要求1-4所述的三相电控制系统，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的角频率与三相交流电压的角频率相等，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ，当-90°<φ<＝90°时，变流器工作于整流器状态，将三相交流电转变为直流电，通过三相电控制系统控制角度φ的大小从而改变变流器的输出直流电压的大小。
6.逆变器，其特征在于：还包括权利要求1-4所述的三相电控制系统，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的角频率与三相交流电压的角频率相等，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ，当90°<φ<＝270°时，变流器成为逆变器，将直流电转变为三相交流电，通过三相电控制系统控制角度φ的大小从而改变变流器的输出交流电压的大小。
7.无功补偿装置，其特征在于：还包括权利要求1-4所述的三相电控制系统，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的角频率与三相交流电压的角频率相等，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ，当φ≈-90°或φ≈+90°时，变流器的直流电压接近零，变流器的功率因数也接近于零，变流器可分别提供正的或负的无功功率，成为可连续调节的功率因数补偿装置。
8.谐波补偿装置，其特征在于：还包括权利要求1-4所述的三相电控制系统，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的角频率为三相交流电压的角频率的整数倍，通过三相电控制系统控制A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)的相位与三相电压的相位相差一个固定的角度φ，此时A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)为三相交流电网频率整数倍的谐波电流，调节角度φ和电流的大小使得A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)等于电网中用电设备产生的谐波电流且与其方向相反，就补偿了电网中的一个谐波电流，重复这一过程让三相电控制系统同时产生多个不同整数倍的谐波电流并使A相电流iA(1)、B相电流iB(2)和C相电流iC(3)成为所有谐波电流之和就可以补偿电网中的所有谐波电流。
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