CN108123610B - 一种用于六相电机的变换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于六相电机的变换电路。该用于六相电机的变换电路包括：至少一组变换模块，任一组变换模块包括：机桥，平波电抗器和网桥，机桥包括多个并联连接的第一桥臂，同一第一桥臂的两个串联连接的第一半桥臂的连接点与六相电机的定子绕组电连接；网桥包括多个并联连接的第二桥臂，同一第二桥臂的两个串联连接的第二半桥臂的连接点经变压器与电网电连接；机桥的第一端经平波电抗器与网桥的第一端电连接，机桥的第二端与网桥的第二端电连接；邻近机桥的第二端的第一晶闸管与邻近网桥的第二端的第二晶闸管的不同极性端电连接。本发明实施例的技术方案可以实现六相电机向电网进行发电。

Description

一种用于六相电机的变换电路
技术领域
本发明涉及电机技术，尤其涉及一种用于六相电机的变换电路。
背景技术
发电是指利用发电装置将水能、石化燃料(煤、油、天然气)的热能、核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等等的原始能源和/或可再生能源，转换为电能的生产过程，用以供应国民经济各部门与人民生活之需。
六相电机具有高可靠性和容错性，转矩波动小，功率密度高等特点，而六相电机输出电压与电网电压的相数和频率等不同，无法通过六相电机直接并网，故需要设计一种变换电路以实现六相电机向电网进行发电。
发明内容
本发明实施例提供一种用于六相电机的变换电路，以实现六相电机向电网进行发电。
本发明实施例提供了一种用于六相电机的变换电路，包括：
至少一组变换模块，
任一组变换模块包括：机桥，平波电抗器和网桥，
其中，机桥包括多个并联连接的第一桥臂，任一第一桥臂包括两个串联连接的第一半桥臂，任一第一半桥臂包括至少一个第一晶闸管，同一第一桥臂的两个串联连接的第一半桥臂的连接点与六相电机的定子绕组电连接；
网桥包括多个并联连接的第二桥臂，任一第二桥臂包括两个串联连接的第二半桥臂，任一第二半桥臂包括至少一个第二晶闸管，同一第二桥臂的两个串联连接的第二半桥臂的连接点经变压器与电网电连接；
机桥的第一端经平波电抗器与网桥的第一端电连接，机桥的第二端与网桥的第二端电连接；
邻近机桥的第二端的第一晶闸管与邻近网桥的第二端的第二晶闸管的不同极性端电连接。
进一步地，至少一组变换模块包括一组变换模块，机桥包括六个并联连接的第一桥臂，网桥包括三个并联连接的第二桥臂。
进一步地，至少一组变换模块包括两组变换模块，机桥包括三个并联连接的第一桥臂，网桥包括三个并联连接的第二桥臂。
进一步地，第一半桥臂包括至少两个第一晶闸管，第一半桥臂上的第一晶闸管串联和/或并联。
进一步地，第二半桥臂包括至少两个第二晶闸管，第二半桥臂上的第二晶闸管串联和/或并联。
进一步地，两组变换模块包括第一组变换模块和第二组变换模块，与第一组变换模块的机桥电连接的六相电机的三相定子绕组的端电压的相位互差120度；与第二组变换模块的机桥电连接的六相电机的其余三相定子绕组的端电压的相位互差120度。
进一步地，还包括：控制电路，
控制电路用于根据设定有功功率，确定机桥的第一晶闸管的第一触发角度，并输出第一触发角度对应的驱动信号至第一晶闸管的门极；根据设定功率因数，确定网桥的第二晶闸管的第二触发角度，并输出第二触发角度对应的驱动信号至第二晶闸管的门极，以控制六相电机的发电容量。
进一步地，控制电路还用于控制机桥的第一晶闸管的触发角度为预设第三触发角度，并输出第三触发角度对应的驱动信号至第一晶闸管的门极；根据设定转速，确定网桥的第二晶闸管的第四触发角度，并输出第四触发角度对应的驱动信号至第二晶闸管的门极，以控制六相电机的启动。
进一步地，还包括励磁电路，励磁电路与六相电机的转子绕组电连接，控制电路还用于在六相电机的转速低于预设转速时，控制励磁电路向六相电机的转子绕组输入预设励磁电流；在六相电机的转速高于预设转速时，减小励磁电路向六相电机的转子绕组输入的励磁电流。
进一步地，第一晶闸管的触发方式包括下述至少一种：电磁触发、光电触发和光触发；第二晶闸管的触发方式包括下述至少一种：电磁触发、光电触发和光触发。
本发明实施例的技术方案通过至少一组变换模块，任一组变换模块包括机桥，平波电抗器和网桥，机桥包括多个并联连接的第一桥臂，任一第一桥臂包括两个串联连接的第一半桥臂，任一第一半桥臂包括至少一个第一晶闸管，同一第一桥臂的两个串联连接的第一半桥臂的连接点与六相电机的定子绕组电连接；网桥包括多个并联连接的第二桥臂，任一第二桥臂包括两个串联连接的第二半桥臂，任一第二半桥臂包括至少一个第二晶闸管，同一第二桥臂的两个串联连接的第二半桥臂的连接点经变压器与电网电连接；机桥的第一端经平波电抗器与网桥的第一端电连接，机桥的第二端与网桥的第二端电连接；邻近机桥的第二端的第一晶闸管与邻近网桥的第二端的第二晶闸管的不同极性端电连接，以实现六相电机向电网进行发电。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于六相电机的变换电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的又一种用于六相电机的变换电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种用于六相电机的变换电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种用于六相电机的变换电路。图1为本发明实施例提供的一种用于六相电机的变换电路的结构示意图。该用于六相电机的变换电路包括：至少一组变换模块100。图1示例性的画出用于六相电机的变换电路包括两组变换模块的情形。任一组变换模块100包括：机桥110，平波电抗器120和网桥130。
其中，机桥110包括多个并联连接的第一桥臂111，任一第一桥臂包括两个串联连接的第一半桥臂112，任一第一半桥臂112包括至少一个第一晶闸管Q1，同一第一桥臂111的两个串联连接的第一半桥臂112的连接点与六相电机200的定子绕组电连接；网桥130包括多个并联连接的第二桥臂131，任一第二桥臂131包括两个串联连接的第二半桥臂132，任一第二半桥臂132包括至少一个第二晶闸管Q2，同一第二桥臂131的两个串联连接的第二半桥臂132的连接点经变压器T1与电网300电连接；机桥110的第一端N1经平波电抗器120与网桥130的第一端N2电连接，机桥110的第二端N3与网桥130的第二端N4电连接；邻近机桥110的第二端的第一晶闸管Q1与邻近网桥130的第二端的第二晶闸管Q2的不同极性端电连接(例如可以是第一晶闸管Q1的阳极和第二晶闸管Q2的阴极电连接，还可以是第一晶闸管Q1的阴极和第二晶闸管Q2的阳极电连接)。
其中，该六相电机可用于燃气轮机发电。平波电抗器120的电感值较大，具有滤波作用，减小电流脉动。第一晶闸管Q1和第二晶闸管Q2均包括阳极、阴极和门极。第一晶闸管Q1和第二晶闸管Q2的导通条件为：阳极承受正向电压(即阳极电压大于阴极电压)，且门极有触发电流。第一晶闸管Q1和第二晶闸管Q2的关断条件为：流过阳极至阴极的电流低于维持电流。可选的，第一晶闸管Q1的触发方式包括下述至少一种：电磁触发、光电触发和光触发；第二晶闸管Q2的触发方式包括下述至少一种：电磁触发、光电触发和光触发。机桥110的第一晶闸管Q1的导通方向一致，都沿机桥110的第一端N1指向第二端N3，或沿机桥110的第二端N3指向第一端N1；网桥130的第二晶闸管Q2的导通方向一致，都沿网桥130的第一端N2指向第二端N4，或沿网桥130的第二端N4指向第一端N2。燃气轮机通过六相电机200向电网300发电的具体工作原理是：六相电机200的转子在外力的作用下转动，产生旋转磁场，定子绕组通过切割该旋转磁场产生感应电动势，六相电机的六相定子绕组的端电压为对称的六相交流电压，相位分别为0度、60度、120度、180度、240度和300度，频率和幅值由转子的转速决定。六相电机200产生的六相交流电压的频率与电网300的三相对称电压的频率可以不等。该六相交流电压在机桥110的相控整流(在相控整流电路中，只要适当控制晶闸管触发导通瞬间的相位角，就能够控制直流电压的平均值，故称为相控)作用下，通过改变机桥110的第一晶闸管Q1的第一触发角度(控制第一晶闸管Q1触发导通瞬间的相位角)，可调整机桥110的第一端N1和第二端N3之间的输出的直流电压大小，进而在平波电抗器120的滤波作用下，改变流过平波电抗器120的电流I大小；在网桥130的相控有源逆变作用下，通过改变网桥130的第二晶闸管Q2的第二触发角度(控制第二晶闸管Q2触发导通瞬间的相位角)，以调整网桥130流入电网300的电流与电网300电压的相位差，即改变功率因数角其中第二触发角度与功率因数角/>相等，功率因数为/>六相电机200通过变换电路向电网300输入的有功功率/>无功功率/>其中，U为电网电压的有效值，I为流过平波电抗器120的电流。k为第一预设比例系数。六相电机200的发电容量包括所需发出的有功功率和无功功率。根据电网电压有效值、设定有功功率和设定无功功率(即所需发出的有功功率和无功功率)，由公式/>和/>求出流过平波电抗器120的电流设定值和功率因数角/>(即求出第二触发角度)，进而可通过电流采集电路采集流过平波电抗器120的电流采集值，将流过平波电抗器120的电流设定值与电流采集值作差，差值经第一比例积分调节控制输出第一补偿量，将预设第一触发角度与第一补偿量的差作为第一触发角度，作用于第一晶闸管，以实现向电网发出所需的有功功率和无功功率。其中，第一晶闸管的第一触发角度为相同数值，第二晶闸管的第二触发角度为相同数值，故控制算法简单。同一第一半桥臂的第一晶闸管同时导通和关断，同一第二半桥臂的第二晶闸管同时导通和关断。
本实施例的技术方案通过至少一组变换模块，任一组变换模块包括机桥，平波电抗器和网桥，机桥包括多个并联连接的第一桥臂，任一第一桥臂包括两个串联连接的第一半桥臂，任一第一半桥臂包括至少一个第一晶闸管，同一第一桥臂的两个串联连接的第一半桥臂的连接点与六相电机的定子绕组电连接；网桥包括多个并联连接的第二桥臂，任一第二桥臂包括两个串联连接的第二半桥臂，任一第二半桥臂包括至少一个第二晶闸管，同一第二桥臂的两个串联连接的第二半桥臂的连接点经变压器与电网电连接；机桥的第一端经平波电抗器与网桥的第一端电连接，机桥的第二端与网桥的第二端电连接；邻近机桥的第二端的第一晶闸管与邻近网桥的第二端的第二晶闸管的不同极性端电连接，以实现六相电机向电网进行发电。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，至少一组变换模块包括两组变换模块，机桥110包括三个并联连接的第一桥臂111，网桥130包括三个并联连接的第二桥臂131。该两组变换模块可以同时工作，若其中一组变换模块故障后，另一组变换模块正常运行，从而使该六相电机持续向电网发电。该六相电机的三个定子绕组的端电压，经机桥110的三个并联连接的第一桥臂111的相控整流作用，整流成6脉波直流电压(即在一个端电压的周期内脉动六次)输出至机桥110的第一端N1和第二端N3之间。在任一组变换模块的机桥与六相电机的定子绕组之间接入第一断路器，在网桥与变压器之间接入第二断路器，通过控制第一断路器和第二断路器断开，可将故障的变换模块从系统中断开。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，两组变换模块包括第一组变换模块和第二组变换模块，与第一组变换模块的机桥电连接(即与同一第一桥臂的两个串联连接的第一半桥臂的连接点电连接)的六相电机的三相定子绕组的端电压的相位互差120度；与第二组变换模块的机桥电连接的六相电机的其余三相定子绕组的端电压的相位互差120度。示例性的，六相电机的六相定子绕组的端电压为对称的六相交流电压，相位分别为0度、60度、120度、180度、240度和300度，将六相定子绕组分成两组三相对称绕组，第一组三相对称绕组可以是包括相位分别为0度、120度和240度的定子绕组，第二组三相对称绕组可以是包括相位分别为60度、180度和300度的定子绕组。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，第一半桥臂112包括至少两个第一晶闸管Q1，第一半桥臂112上的第一晶闸管Q1串联和/或并联。通过将多个第一晶闸管Q1串联可以提高第一半桥臂的耐压能力，以适应六相电机输出的高电压，防止高压击穿；通过将多个第一晶闸管Q1并联可以提高第一半桥臂的耐流能力，提高变换电路的容量，可实现六相电机向电网输入较大的功率。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，第二半桥臂132包括至少两个第二晶闸管Q2，第二半桥臂132上的第二晶闸管Q2串联和/或并联。图1示例性的画出第二半桥臂132上的两个第二晶闸管Q2串联的情形。图1示例性的画出第二半桥臂132上的两个第二晶闸管Q2串联的情形。通过将多个第二晶闸管Q2串联可以提高第二半桥臂132的耐压能力，以适应高压电网，防止高压击穿；通过将多个第二晶闸管Q2并联可以提高第二半桥臂132的耐流能力，提高变换电路的容量，可实现六相电机向电网输入较大的功率。
本发明实施例提供又一种用于六相电机的变换电路。图2为本发明实施例提供的又一种用于六相电机的变换电路的结构示意图。在上述实施例的基础上，至少一组变换模块包括一组变换模块，机桥110包括六个并联连接的第一桥臂，网桥130包括三个并联连接的第二桥臂。该六相电机的六相定子绕组的六相交流电压，经机桥110的六个并联连接的第一桥臂的相控整流作用，整流成12脉波直流电压输出至机桥110的第一端N1和第二端N3之间，直流电压的纹波较小。
本发明实施例提供又一种用于六相电机的变换电路。图3为本发明实施例提供的又一种用于六相电机的变换电路的结构示意图。在上述实施例的基础上，该用于六相电机的变换电路还包括：控制电路140，控制电路140用于根据设定有功功率，确定机桥110的第一晶闸管Q1的第一触发角度，并输出第一触发角度对应的驱动信号至第一晶闸管Q1的门极；根据设定功率因数，确定网桥130的第二晶闸管Q2的第二触发角度，并输出第二触发角度对应的驱动信号至第二晶闸管Q2的门极，以控制六相电机200的发电容量。
其中，继续参见图3，控制电路140可包括多个第一驱动端g1和多个第二驱动端g2，其中第一驱动端g1与第一晶闸管Q1一一对应，与对应的第一晶闸管Q1的门极G1电连接，第二驱动端g2与第二晶闸管Q2一一对应，与对应的第二晶闸管Q2的门极G2电连接。随第一触发角度的增大，机桥110的第一端N1和第二端N3之间的输出直流电压减小，故流过平波电抗器120的电流减小，输出有功功率减小。随第二触发角度的增大，网桥130流入电网的电流的与电网电压的相位差增大，功率因数角增大。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图3，控制电路140还用于控制机桥110的第一晶闸管Q1的触发角度为预设第三触发角度，并输出第三触发角度对应的驱动信号至第一晶闸管Q1的门极；根据设定转速，确定网桥130的第二晶闸管Q2的第四触发角度，并输出第四触发角度对应的驱动信号至第二晶闸管Q2的门极，以控制六相电机200的启动。
其中，六相电机的电磁转矩其中，I为流过平波电抗器120的电流，/>为机桥110的第一晶闸管Q1的触发角度，Ψ为电机转子磁通，c为第二预设比例系数。当机桥110的第一晶闸管Q1的触发角度/>保持不变，为预设第三触发角度时，流过平波电抗器120的电流大小由网桥130的第二晶闸管Q2的第四触发角度大小决定。以六相电机转速为控制目标，通过控制流过平波电抗器120的电流即可改变电磁转矩的大小，从而实现对转矩的控制，即转速外环定子电流(与流过平波电抗器120的电流相关)内环控制。其工作原理：电网的三相交流电压在网桥130的相控整流作用下，通过改变网桥130的第二晶闸管Q2的第四触发角度，可调整网桥130的第一端N2和第二端N4之间的输出的直流电压大小，进而在平波电抗器120的滤波作用下，改变流过平波电抗器120的电流I大小；在机桥110的相控有源逆变作用下，通过机桥110的第一晶闸管Q1的触发角度/>保持不变，以使机桥110流入六相电机的电流与六相电机的定子绕组端电压的相位差不变，而机桥110流入六相电机的电流的幅值大小随流过平波电抗器120的电流I变化。若当前实际转速大于设定转速，则需减小电磁转矩，即需减小流过平波电抗器120的电流，减小网桥130的第一端N2和第二端N4之间的输出的直流电压，即需增大网桥130的第二晶闸管Q2的第四触发角度，直至当前实际转速等于设定转速；若当前实际转速小于设定转速，则需增大电磁转矩，即需增大流过平波电抗器120的电流，增大网桥130的第一端N2和第二端N4之间的输出的直流电压，即需减小网桥130的第二晶闸管Q2的第四触发角度，直至当前实际转速等于设定转速。
示例性的，控制电路可用于将设定转速与当前实际转速作差，将差值经比例积分调节控制，得到平波电抗器120的电流的设定值，将平波电抗器120的电流的设定值与采集值的差值经比例积分调节控制，得到网桥130的第二晶闸管Q2的第四触发角度，以输出第四触发角度对应的驱动信号至第二晶闸管Q2的门极。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图3，该用于六相电机的变换电路还包括励磁电路150，励磁电路150与六相电机200的转子绕组电连接，控制电路140还用于在六相电机200的转速低于预设转速时，控制励磁电路150向六相电机200的转子绕组输入预设励磁电流(为一恒定值)；在六相电机200的转速高于预设转速时，减小励磁电路150向六相电机200的转子绕组输入的励磁电流。其中，采用预设转速(即基速)以下恒磁升压、预设转速以上弱磁升速的算法，即定子电压外环励磁电流内环控制策略，以实现对六相电机的转速调节。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种用于六相电机的变换电路，其特征在于，包括：
至少一组变换模块，
任一组变换模块包括：机桥，平波电抗器和网桥，
其中，所述机桥包括多个并联连接的第一桥臂，任一所述第一桥臂包括两个串联连接的第一半桥臂，任一所述第一半桥臂包括至少一个第一晶闸管，同一第一桥臂的所述两个串联连接的第一半桥臂的连接点与六相电机的定子绕组电连接；多个并联连接的第一桥臂的第一连接点为所述机桥的第一端，多个并联连接的第一桥臂的第二连接点为所述机桥的第二端；
所述网桥包括多个并联连接的第二桥臂，任一所述第二桥臂包括两个串联连接的第二半桥臂，任一所述第二半桥臂包括至少一个第二晶闸管，同一第二桥臂的所述两个串联连接的第二半桥臂的连接点经变压器与电网电连接；多个并联连接的第二桥臂的第一连接点为所述网桥的第一端，多个并联连接的第二桥臂的第二连接点为所述网桥的第二端；
所述机桥的第一端经所述平波电抗器与所述网桥的第一端电连接，所述机桥的第二端与所述网桥的第二端电连接；
邻近所述机桥的第二端的第一晶闸管与邻近所述网桥的第二端的第二晶闸管的不同极性端电连接；
所述用于六相电机的变换电路还包括：控制电路，所述控制电路用于根据设定有功功率，确定所述机桥的第一晶闸管的第一触发角度，并输出第一触发角度对应的驱动信号至所述第一晶闸管的门极；根据设定功率因数，确定所述网桥的第二晶闸管的第二触发角度，并输出第二触发角度对应的驱动信号至所述第二晶闸管的门极，以控制所述六相电机的发电容量。
2.根据权利要求1所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，所述至少一组变换模块包括一组变换模块，所述机桥包括六个并联连接的第一桥臂，所述网桥包括三个并联连接的第二桥臂。
3.根据权利要求1所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，所述至少一组变换模块包括两组变换模块，所述机桥包括三个并联连接的第一桥臂，所述网桥包括三个并联连接的第二桥臂。
4.根据权利要求1所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，所述第一半桥臂包括至少两个第一晶闸管，所述第一半桥臂上的第一晶闸管串联和/或并联。
5.根据权利要求1所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，所述第二半桥臂包括至少两个第二晶闸管，所述第二半桥臂上的第二晶闸管串联和/或并联。
6.根据权利要求3所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，所述两组变换模块包括第一组变换模块和第二组变换模块，与所述第一组变换模块的机桥电连接的六相电机的三相定子绕组的端电压的相位互差120度；与所述第二组变换模块的机桥电连接的六相电机的其余三相定子绕组的端电压的相位互差120度。
7.根据权利要求1所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，所述控制电路还用于控制所述机桥的第一晶闸管的触发角度为预设第三触发角度，并输出第三触发角度对应的驱动信号至所述第一晶闸管的门极；根据设定转速，确定所述网桥的第二晶闸管的第四触发角度，并输出第四触发角度对应的驱动信号至所述第二晶闸管的门极，以控制所述六相电机的启动。
8.根据权利要求7所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，还包括励磁电路，所述励磁电路与所述六相电机的转子绕组电连接，所述控制电路还用于在所述六相电机的转速低于预设转速时，控制所述励磁电路向所述六相电机的转子绕组输入预设励磁电流；在所述六相电机的转速高于所述预设转速时，减小所述励磁电路向所述六相电机的转子绕组输入的励磁电流。
9.根据权利要求1所述的用于六相电机的变换电路，其特征在于，所述第一晶闸管的触发方式包括下述至少一种：电磁触发、光电触发或光触发；所述第二晶闸管的触发方式包括下述至少一种：电磁触发、光电触发或光触发。
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