CN108923664B - 三相输入单相输出频率变换器及控制方法 - Google Patents

三相输入单相输出频率变换器及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种三相输入单相输出频率变换器及控制策略，由三相联接变压器、级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C组成。三相联接变压器的原边绕组为三角形连接形式，三相连接变压器副边绕组为Yn连接形式。级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C均由M个相同的功率模块PM级联构成。级联变流器A的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子a，另一端连接到x点；级联变流器B的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子b，另一端连接到x点；级联变流器C的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子c，另一端连接到x点。三相联接变压器的原边绕组连接到三相交流输入，三相联接变压器的副边绕组星接点n和x点作为单相输出的两个连接端子。

Description

三相输入单相输出频率变换器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相交流电输入单相交流电输出的电能频率变换装置及其控制策略。
背景技术
三相交流输入单相交流输出的电能频率变换装置在特殊场合具有多种用途，例如将三相工频交流电变换为单相高频感应加热电源的场合、从三相50Hz公用交流电网变换为16.7Hz电力机车单相交流电的场合等。现有技术中，实现电能三相交流-单相交流频率变换的装置往往采用交流-直流-交流多次变换的方式实现。例如，中国专利CN201711102337需要第一多电平换流器模块、高频变压器隔离模块和第二多电平换流器模块三级变换实现三相交流与单相交流的相互变换；中国专利CN201210076211采用输入变压器、单相背靠背变流器和输出变压器实现电能的交流-直流-交流变换。但是此类方案中电能变换环节多，系统损耗大。而中国专利CN201510380196中的三相-单相交流变换器在单相侧采用两台传统的三相两电平逆变器进行串联组合很难输出高电压。
发明内容
本发明的目的在于克服现有三相交流-单相交流频率变换装置中电能变换环节多、效率低、造价高等缺点，提出一种直接实现三相交流电输入单相交流电输出的频率变换器，无需中间直流变换。
本发明三相输入单相输出频率变换器由三相联接变压器、级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C组成。三相联接变压器的原边绕组为三角形连接形式，三相连接变压器副边绕组为Yn连接形式。级联变流器A的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子a，级联变流器A的另一端连接到x点；级联变流器B的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子b，级联变流器B的另一端连接到x点；级联变流器C的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子c，级联变流器C的另一端连接到x点。三相联接变压器的原边绕组连接到三相交流输入，三相联接变压器的副边绕组星接点n和x点作为单相输出的两个连接端子。
所述三相输入单相输出频率变换器中的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C均由M个相同的功率模块PM级联构成，M为正整数。级联变流器A中的第一个功率模块PM-1的输出连接端子T1连接到三相联接变压器副边绕组的端子a；级联变流器B中的第一个功率模块PM-1的输出连接端子T1连接到三相联接变压器副边绕组的端子b；级联变流器C中的第一个功率模块PM-1的输出连接端子T1连接到三相联接变压器副边绕组的端子c。级联变流器A中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器A中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输出连接端子T1，k＝1，2，…M-1。级联变流器B中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器B中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输出连接端子T1，k＝1，2，…M-1。级联变流器C中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器C中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输出连接端子T1，k＝1，2，…M-1。
所述的三相输入、单相输出频率变换器中的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C均采用功率模块电容电压外环和各自电流作为内环的双闭环控制方法。单相交流输出端子x的电流ix为端子x和端子n所连接的单相设备流过的电流，三相联接变压器副边绕组端子a、b、c的电流ia，ib，ic与三相联接变压器原边三相电流iA，iB，iC满足如下关系：
iA＝iAB-iCA＝Ktr*(ia-ic)
iB＝iBC-iAB＝Ktr*(ib-ia)
iC＝iCA-iBC＝Ktr*(ic-ib)
其中，Ktr为三相联接变压器副边与原边电压之比，且有：
iAB＝Ktr*ia
iBC＝Ktr*ib
iCA＝Ktr*ic
由于所述的三相相联接变压器原边绕组为三角形连接形式，因此副边绕组电流ia、ib和ic中的负载电流ix/3感应到三相联接变压器原边绕组中的电流只在绕组内部流动，三相交流侧电流iA、iB和iC中不存在单相负载电流ix感应的成分。
所述的级联变流器A的电压uax、级联变流器B的电压ubx和级联变流器C的电压ucx均由两个频率的交流成分组成，且满足如下关系：
uax＝uax1+uax2
ubx＝ubx1+ubx2
ucx＝ucx1+ucx2
其中，a相电压第一交流成分uax1、b相电压第一交流成分ubx1和c相电压第一交流成分ucx1的频率与三相连接变压器原边A、B、C三相交流侧电压频率相同，a相电压第二交流成分uax2、b相电压第二交流成分ubx2和c相电压第二交流成分ucx2的频率与单相交流侧x、n端子间的交流电压频率相同。
所述的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C的双闭环控制方法中，为了保证功率模块的电压稳定，级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C各自的两个不同频率的电压和两个不同频率的电流形成的有功功率之和为零，即满足如下关系：
P(uax1,ia-ix/3)+P(uax2,ix/3)＝0
P(ubx1,ib-ix/3)+P(ubx2,ix/3)＝0
P(ucx1,ic-ix/3)+P(ucx2,ix/3)＝0
其中，函数P(x1，x2)表示关于变量x1和x2之间的有功功率，ix为单相负载电流。
附图说明
图1为本发明三相输入、单相输出频率变换器电路原理图；
图2为本发明三相输入、单相输出频率变换器中级联变流器A、B、C中功率模块PM的一种具体实现电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明三相输入、单相输出频率变换器电路原理图。所述的三相输入、单相输出频率变换器由三相联接变压器、级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C组成。三相联接变压器的原边绕组为三角形连接形式，三相连接变压器副边绕组为Yn连接形式。级联变流器A的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子a，级联变流器A的另一端连接到x点；级联变流器B的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子b，级联变流器B的另一端连接到x点；级联变流器C的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子c，级联变流器C的另一端连接到x点。三相联接变压器的原边绕组连接到三相交流输入，三相联接变压器的副边绕组星接点n和x点作为单相输出的两个连接端子。
所述的三相输入、单相输出频率变换器中的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C均由M个相同的功率模块PM级联构成，M为正整数。级联变流器A中的第一个功率模块PM-1的输出连接端子T1连接到三相联接变压器副边绕组的端子a；级联变流器B中的第一个功率模块PM-1的输出连接端子T1连接到三相联接变压器副边绕组的端子b；级联变流器C中的第一个功率模块PM-1的输出连接端子T1连接到三相联接变压器副边绕组的端子c。级联变流器A中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器A中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输出连接端子T1，k＝1，2，…M-1。级联变流器B中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器B中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输出连接端子T1，k＝1，2，…M-1。级联变流器C中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器C中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输出连接端子T1，k＝1，2，…M-1。
所述的三相输入、单相输出频率变换器中的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C均采用功率模块电容电压外环和各自电流作为内环的双闭环控制方法。单相交流输出端子x电流ix为端子x和端子n所连接的单相设备流过的电流，三相联接变压器副边绕组端子a、b、c的电流ia，ib，ic与三相联接变压器原边三相电流iA，iB，iC满足如下关系：
iA＝iAB-iCA＝Ktr*(ia-ic)
iB＝iBC-iAB＝Ktr*(ib-ia)
iC＝iCA-iBC＝Ktr*(ic-ib)
其中，Ktr为三相联接变压器副边与原边电压之比，且有：
iAB＝Ktr*ia
iBC＝Ktr*ib
iCA＝Ktr*ic
由于所述的三相相联接变压器原边绕组为三角形连接形式，因此副边绕组电流ia、ib和ic中的负载电流ix/3感应到三相联接变压器原边绕组中的电流只在绕组内部流动，三相交流侧电流iA、iB和iC中不存在单相负载电流ix感应的成分。
所述的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C的电压uax、ubx和ucx均由两个频率的交流成分组成，且满足如下关系：
uax＝uax1+uax2
ubx＝ubx1+ubx2
ucx＝ucx1+ucx2
其中，a相电压第一交流成分uax1、b相电压第一交流成分ubx1和c相电压第一交流成分ucx1的频率与三相连接变压器原边A、B、C三相交流侧电压频率相同，a相电压第二交流成分uax2、b相电压第二交流成分ubx2和c相电压第二交流成分ucx2的频率与单相交流侧x、n端子间的交流电压频率相同。
所述的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C的双闭环控制方法中，为了保证功率模块的电压稳定，级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C各自的两个不同频率的电压和两个不同频率的电流形成的有功功率之和为零，即满足如下关系：
P(uax1,ia-ix/3)+P(uax2,ix/3)＝0
P(ubx1,ib-ix/3)+P(ubx2,ix/3)＝0
P(ucx1,ic-ix/3)+P(ucx2,ix/3)＝0
其中，函数P(x1，x2)表示关于变量x1和x2之间的有功功率。
图2为本发明三相输入、单相输出频率变换器中级联变流器A、B、C中功率模块PM的一种具体实现电路原理图。功率模块PM由直流电容Cdc、开关S1-S4和二极管D1-D4构成；开关S1与开关S2的公共连接点为T1，开关S3与开关S4的公共连接点为T2，开关S1和开关S3的集电极均连接到直流电容Cdc的正极，开关S2和开关S4的发射极连接到直流电容Cdc的负极；开关SR的集电极与二极管DR阴极连接在一起，开关SR的发射极与二极管DR阳极连接在一起，此处的R＝1，2，3，4。

Claims (1)

1.一种三相输入单相输出频率变换器的控制方法，所述的三相输入单相输出频率变换器由三相连接变压器、级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C组成；三相连接变压器的原边绕组为三角形连接形式，三相连接变压器副边绕组为Yn连接形式；级联变流器A的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子a，级联变流器A的另一端连接到x点；级联变流器B的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子b，级联变流器B的另一端连接到x点；级联变流器C的一端连接到三相连接变压器副边绕组端子c，级联变流器C的另一端连接到x点；三相连接变压器的原边绕组连接到三相交流输入，三相连接变压器的副边绕组星形连接点n和x点作为单相交流侧输出的两个连接端子，所述的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C均由M个相同的功率模块PM级联构成，M为正整数；级联变流器A中的第一个功率模块PM-1的输入连接端子T1连接到三相连接变压器副边绕组的端子a；级联变流器B中的第一个功率模块PM-1的输入连接端子T1连接到三相连接变压器副边绕组的端子b；级联变流器C中的第一个功率模块PM-1的输入连接端子T1连接到三相连接变压器副边绕组的端子c，级联变流器A中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器A中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输入连接端子T1，k＝1，2，…M-1；级联变流器B中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器B中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输入连接端子T1，k＝1，2，…M-1；级联变流器C中的第M个功率模块PM-M的输出连接端子T2连接到x点；级联变流器C中的第k个功率模块PM-k的输出连接端子T2连接到第k+1个功率模块PM-(k+1)的输入连接端子T1，k＝1，2，…M-1，其特征在于：所述的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C均采用以功率模块电容电压外环和各自电流作为内环的双闭环控制方法；单相交流侧输出端子x的单相负载电流ix为端子x和端子n所连接的单相设备流过的电流，三相连接变压器副边绕组端子a、b、c的电流ia，ib，ic与三相连接变压器原边的交流侧三相电流iA，iB，iC满足如下关系：
iA＝iAB-iCA＝Ktr*(ia-ic)
iB＝iBC-iAB＝Ktr*(ib-ia)
iC＝iCA-iBC＝Ktr*(ic-ib)
其中，Ktr为三相连接变压器副边与原边电压之比，且有：
iAB＝Ktr*ia
iBC＝Ktr*ib
iCA＝Ktr*ic
由于所述的三相连接变压器原边绕组为三角形连接形式，因此副边绕组电流ia、ib和ic中的单相负载电流ix/3感应到三相连接变压器原边绕组中的电流只在绕组内部流动，交流侧三相电流iA、iB和iC中不存在单相负载电流ix感应的成分；
级联变流器A的电压uax、级联变流器B的电压ubx和级联变流器C的电压ucx均由两个频率的交流成分组成，且满足如下关系：
uax＝uax1+uax2
ubx＝ubx1+ubx2
ucx＝ucx1+ucx2
其中，a相电压第一交流成分uax1、b相电压第一交流成分ubx1和c相电压第一交流成分ucx1的频率与三相连接变压器原边A、B、C三相交流侧电压频率相同，a相电压第二交流成分uax2、b相电压第二交流成分ubx2和c相电压第二交流成分ucx2的频率与单相交流侧输出端子x、n间的交流电压频率相同；
所述的级联变流器A、级联变流器B和级联变流器C各自的两个不同频率的电压和两个不同频率的电流形成的有功功率之和为零，即满足如下关系：
P(uax1,ia-ix/3)+P(uax2,ix/3)＝0
P(ubx1,ib-ix/3)+P(ubx2,ix/3)＝0
P(ucx1,ic-ix/3)+P(ucx2,ix/3)＝0
其中，函数P(x1，x2)表示关于变量x1和x2之间的有功功率，式中的ix为单相负载电流。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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