CN109194177B - 一种无变压器的三相逆变电路 - Google Patents

一种无变压器的三相逆变电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无变压器的三相逆变电路，包括：三相逆变单元，其包括并联连接的第一至三逆变桥臂；第一至第三直流输入部,分别包括连接至第一至第三逆变桥臂的第一至第三直流电压转换单元，第一至第三直流电压转换单元的输入端连接到直流电源；以及滤波单元，其输入端连接至三相逆变单元的输出端，滤波单元的输出端连接到负载，其中，第一至第三直流输入部的负极和三相逆变单元的负极共地连接。通过本发明的三相逆变电路，能够提高带载能力，并且能够响应快速、高效地驱动三相不平衡负载。

Description

一种无变压器的三相逆变电路
技术领域
本发明涉及电路领域，特别涉及一种无变压器的三相逆变电路。
背景技术
三相逆变电路是工业领域广泛使用的电路装置，其能够将直流电转换为交流电输出给以交流电驱动的电机等负载。
图1和2示出了目前三相逆变电路常用的三相桥臂(即U相、V相和W相)拓扑结构，在每相桥臂上串联连接有两个功率单元，每个功率单元由并联连接的开关元件和续流二极管构成。
如图1所示的三相逆变电路是采用先对直流电源E进行升压(DC/DC)后进行三相逆变的方案，该电路结构适用于中小功率负载，并具有体积小、重量轻且成本低的特点。如图2所示的三相逆变电路是采用先对直流电源E进行三相逆变后再进行变压/升压的方案，该电路结构适用于中大功率负载，并具有体积较大、成本较高的特点。
在实际使用中，由于用电设备的功率要求不同，分别连接到逆变电路的三相输出电压VA、VB和VC处可能出现负载功率不平衡的情况，对此，图1和图2所示的逆变电路均通过分别调节U、V和W三相桥臂的调制度来实现对三相输出电压VA、VB和VC处的负载功率一致性的控制。
此外，专利文献201110155582.7公开了一种采用下垂控制策略的STATCOM控制系统，其电路结构包括依次电连接的直流侧电容、三相逆变桥、LC滤波器、三相开关K、耦合变压器T、电网、负载、有功无功功率计算器、下垂控制器和PWM发生器，其中PWM发生器向三相逆变桥输出SPWM信号。其采用的控制方法包括实时从负载采集三相电压和电流信号、从电网采集电网电压实时频率、从直流侧电容采集直流侧电容电压后，计算有功功率和无功功率参考值、频率参考值、电压调制幅值参考值和相位参考值，从而计算电压调制信号，并重复上述过程直到输出负载所需的无功功率并稳定直流侧电容电压。
发明人在做出本发明的过程中，发现上述逆变电路的控制方法均较为复杂，且适用面较小。
发明内容
有鉴于此，本发明提出的无变压器的三相逆变电路在结构上进行了改进，以简化三相逆变电路的控制方法，并提高带载能力。
为此，本发明提出了一种无变压器的三相逆变电路,包括：
三相逆变单元，其包括并联连接的第一逆变桥臂、第二逆变桥臂和第三逆变桥臂；
第一直流输入部,其包括第一直流电压转换单元,所述第一直流电压转换单元的输入端连接到直流电源且其输出端连接到所述第一逆变桥臂；
第二直流输入部，其包括第二直流电压转换单元,所述第二直流电压转换单元的输入端连接到直流电源且其输出端连接到所述第二逆变桥臂；
第三直流输入部,其包括第三直流电压转换单元,所述第三直流电压转换单元的输入端连接到直流电源且其输出端连接到所述第三逆变桥臂；以及
滤波单元，其输入端连接至所述三相逆变单元的输出端，所述滤波单元的输出端连接到负载，
其中，所述第一直流输入部、第二直流输入部以及第三直流输入部的负极和所述三相逆变单元的负极共地连接。
作为优选，所述滤波单元包括：
第一滤波电路，其输入端连接到所述第一逆变桥臂的电压输出端，且其输出端连接到第一负载；
第二滤波电路，其输入端连接到所述第二逆变桥臂的电压输出端，且其输出端连接到第二负载；
第三滤波电路，其输入端连接到所述第三逆变桥臂的电压输出端，且其输出端连接到第三负载。
作为优选，所述第一至第三滤波电路均为LC滤波电路，并且所述第一至第三滤波电路中的电容为星形连接。
作为优选，当所述第一负载、第二负载和/或第三负载为三相不平衡的感性负载时，通过为所述第一滤波电路、第二滤波电路和/或第三滤波电路选定相适配的电容来为所述感性负载提供所需的无功功率。
作为优选，所述LC滤波电路中的电感和电容的乘积为5-20mH·μF。
作为优选，所述无变压器的三相逆变电路还包括：
第一电压采样部，其输入端连接到所述第一滤波电路的输出端，且其输出端连接到所述第一直流电压转换单元；
第二电压采样部，其输入端连接到所述第二滤波电路的输出端，且其输出端连接到所述第二直流电压转换单元；
第三电压采样部，其输入端连接到所述第三滤波电路的输出端，且其输出端连接到所述第三直流电压转换单元，
其中，所述第一至第三电压采样部配置为，当所述第一至第三负载为不平衡负载时，分别调节所述第一至第三直流电压转换单元以使得所述第一至第三滤波电路输出幅值差在预定阈值以下的相电压。
作为优选，所述三相逆变单元配置为使得所述第一至第三逆变桥臂的调制度相同并且保持不变。
作为优选，所述第一至第三直流电压转换单元的输入端连接到同一直流电源；或所述第一至第三直流电压转换单元的输入端分别连接到不同的直流电源；或所述第一至第三直流电压转换单元的输入端中的任一输入端连接到一个直流电源，其余两个输入端连接到另一直流电源。
作为优选，所述直流电源为蓄电池或交流-直流转换器。
作为优选，所述三相逆变单元采用型号为HT3299、HT3115A、HT3156IA或HT3156ON的芯片作为控制芯片。
本发明提出的无变压器的三相逆变电路具有传统的无变压器的三相逆变电路的体积小、重量轻且成本低的优点，同时还能够提供与传统的有变压器的三相逆变电路相当的中大功率驱动能力，在三相负载不平衡的情况下，本发明的无变压器的三相逆变电路能够在不改变U、V和W三相桥臂调制度的情况下，快速将各相电压调节为一致从而安全稳定地驱动各相负载。
附图说明
图1为现有技术的无变压器的三相逆变器的电路示意图；
图2为现有技术的有变压器的三相逆变器的电路示意图；
图3为本发明的无变压器的三相逆变器的电路示意图；
图4为本发明的无变压器的三相逆变器的一个实施例的电路示意图；
图5A-5D和图6A-6B为本发明的无变压器的三相逆变器的各实施例中的直流输入部的连接示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明。
图3为本发明的无变压器的三相逆变器的一个实施例的电路示意图。
如图3所示，本发明的无变压器的三相逆变电路包括三相逆变单元、第一至第三直流输入部和滤波单元。
三相逆变单元包括并联连接的第一逆变桥臂(U相)、第二逆变桥臂(V相)和第三逆变桥臂(W相)，每一桥臂包括两个串联连接的功率单元，每个功率单元包括并联连接的开关元件(S1和S2，S3和S4，S5和S6)和续流二极管。三相逆变单元还包括逆变控制部(未图示)，其负责产生用于控制各桥臂中的开关元件的开闭的开关控制信号，逆变控制部通常包括PWM(脉宽调制)信号发生器，其产生作为所述开关控制信号的PWM信号。三相逆变单元部分为本领域公知常识，在此省略对其具体结构及工作原理的详细描述。
第一直流输入部包括第一直流电压转换单元,其输入端连接到直流电源EA且其输出端连接到第一逆变桥臂；第二直流输入部包括第二直流电压转换单元,其输入端连接到直流电源EB且其输出端连接到第二逆变桥臂；第三直流输入部包括第三直流电压转换单元,其输入端连接到直流电源EC且其输出端连接到所述第三逆变桥臂。第一至第三直流电压转换单元例如可以是直流升压单元，即图3中所示出的，各DC/DC单元对直流电源EA、EB和EC进行直流转换后输出直流电压UdA、UdB和UdC。
滤波单元的输入端连接至三相逆变单元各相桥臂的输出端，滤波单元的输出端分别向所连接的负载(未图示)输出各相交流电VA、VB和VC。
如图3所示，第一直流输入部、第二直流输入部以及第三直流输入部的负极和三相逆变单元的负极可以共地连接。
在本发明的三相逆变电路中，由三个直流输入部分别对直流电源进行直流变换后输出直流电压至各相桥臂，突破了传统的无变压器的三相逆变电路(参见图1)中直流升压单元的电压限制，使得三相逆变电路的驱动能力得到了成倍提高，即，在能够提供与传统的有变压器的三相逆变电路相当的中大功率驱动能力而同时，还能具有传统的无变压器的三相逆变电路的体积小、重量轻且成本低的优点。
图4为本发明的无变压器的三相逆变器的一个实施例的电路示意图。
如图所示，本实施例的无变压器的三相逆变电路中的滤波单元可以包括第一至第三滤波电路。第一滤波电路的输入端连接到第一逆变桥臂(U相)的电压输出端且其输出端(VAO)连接到第一负载；第二滤波电路的输入端连接到第二逆变桥臂(V相)的电压输出端且其输出端(VBO)连接到第二负载；第三滤波电路的输入端连接到第三逆变桥臂(W相)的电压输出端且其输出端(VCO)连接到第三负载。
本实施例中的第一至第三滤波电路可以均为LC滤波电路，第一LC滤波电路由串联连接的电感L1和电容C1构成；第二LC滤波电路由串联连接的电感L2和电容C2构成；第三LC滤波电路由串联连接的电感L3和电容C3构成。第一至第三LC滤波电路中的电容C1、C2和C3连接为星形，其中心节点为O，也即，各LC滤波电路的输出端VAO、VBO、VCO和中心节点O组成三相四线制输出连接点，如图4所示。
在本发明的一个实施例中，当第一负载、第二负载和/或第三负载为不平衡的感性负载时，还可以通过为第一至第三滤波电路选定与相应的感性负载相适配的滤波电容来为感性负载提供所需的无功功率。
在本发明的实施例中，如图4所示的无变压器的三相逆变电路中的各LC滤波电路中的电感和电容的乘积可以为例如5-20mH·μF。
如图4所示，根据本发明的实施例的无变压器的三相逆变电路还包括第一至第三电压采样部。第一电压采样部的输入端连接到第一滤波电路的输出端，对第一滤波电路输出的电压VAO进行采样，且第一电压采样部的输出端连接到第一直流电压转换单元以传送所采样的第一电压值；第二电压采样部的输入端连接到第二滤波电路的输出端，对第二滤波电路输出的电压VBO进行采样，且第二电压采样部的输出端连接到第二直流电压转换单元以传送所采样的第二电压值；第三电压采样部的输入端连接到第三滤波电路的输出端，对第三滤波电路输出的电压VCO进行采样，且第三电压采样部的输出端连接到第三直流电压转换单元以传送所采样的第三电压值。
其中，当第一至第三负载为不平衡负载时，本发明的无变压器的三相逆变电路可将三相逆变单元配置为使得第一至第三逆变桥臂的调制度相同并且保持不变，同时通过为每相桥臂分别配置单独的直流电压转换单元，并使第一至第三电压采样部分别根据从各滤波单元的输出端(即负载端)处采样的电压来调节第一至第三直流电压转换单元的母线电压的值，为每个桥臂输出所需的电压，使第一至第三滤波电路输出的三个相电压VAO、VBO和VCO(即向负载输出的各相交流电压VA、VB和VC)保持一致或基本保持一致,即VAO、VBO和VCO两两之间的电压幅值之差在预定阈值以下，从而能够在确保负载所需功率的同时，快速将各相电压调节为一致从而安全稳定地驱动各相负载。本发明实施例中当用各个电压采样部的反馈来调节各直流电压转换(DC/DC)单元，从而使各滤波电路输出的交流电压稳压输出时，此时直流-交流转换(DC/AC)的调制度(即输出交流线电压的幅值与直流母线电压之比)是常数，且可以是最大值常数，这里，当用母线电压利用率来定义调制度时，其值一般为大于或等于0.97，此时各滤波电路所需的滤波电感L最小。
图3和图4中，第一至第三直流电压转换单元的输入端分别连接到不同的直流电源EA、EB和EC，但本发明的三相逆变电路中的直流输入部的连接方式不限于此。图5A-5D和图6A-6B为本发明的无变压器的三相逆变器的各实施例中的直流输入部的连接示意图。
如图5A所示，第一至第三直流电压转换单元的输入端可以连接到同一直流电源E。
如图5B所示，第一和第二直流电压转换单元的输入端可以连接到同一直流电源E1，第三直流电压转换单元的输入端连接到另一直流电源E2。
如图5C所示，第一直流电压转换单元的输入端可以连接到直流电源E1，第二和第三直流电压转换单元的输入端可以连接到同一直流电源E2。
如图5D所示，第一和第三直流电压转换单元的输入端可以连接到同一直流电源E1，第二直流电压转换单元的输入端连接到另一直流电源E2。
图3、图4和图5A-5D中的各直流电源E可以是蓄电池，也可以是交流-直流转换器。
图6A-6B中示出了直流电源E为交流-直流转换器的示例。如图6A所示，在第一至第三直流电压转换单元的输入端分别连接到不同的直流电源EA、EB和EC的情况下，EA、EB和EC可以分别由第一至第三交流-直流转换器通过对交流电进行转换后输出。如图6B所示，在第一至第三直流电压转换单元的输入端连接到同一直流电源E的情况下，E可以由一个交流-直流转换器通过对交流电进行转换后输出。本领域技术人员由此可以类推出由两个交流-直流转换器通过对交流电进行转换后输出两路直流电源E1和E2分别如图5B-5C所示输入第一至第三直流电压转换单元的电路配置，在此省略详细描述。
本发明实施例的无变压器的三相逆变电路中的三相逆变单元的控制芯片可采用通用的DPS芯片实现，或者采用由泓芯泰业科技(北京)有限公司设计制造的型号为HT3299、HT3115A、HT3156IA或HT3156ON的芯片作为控制芯片。其中，HT3299可用于50Hz/60Hz三相应急逆变电源，HT3115A可用于400Hz三相应急逆变电源，HT3156IA可用于在线互动式50Hz/60Hz三相逆变电源，HT3156ON可用于在线式50Hz/60Hz三相逆变电源。
以上描述了本发明的一些实施例，但本发明不局限于上述特定实施例子，在不背离本发明精神及其实质情况下，熟悉本领域技术人员可根据本发明作出各种相应改变和变形，但这些相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无变压器的三相半桥逆变电路,其特征在于,包括：
三相半桥逆变单元，其包括并联连接的第一半桥逆变桥臂、第二半桥逆变桥臂和第三半桥逆变桥臂；
第一直流输入部,其包括第一直流电压转换单元,所述第一直流电压转换单元的输入端连接到直流电源且其输出端连接到所述第一半桥逆变桥臂；
第二直流输入部，其包括第二直流电压转换单元,所述第二直流电压转换单元的输入端连接到直流电源且其输出端连接到所述第二半桥逆变桥臂；
第三直流输入部,其包括第三直流电压转换单元,所述第三直流电压转换单元的输入端连接到直流电源且其输出端连接到所述第三半桥逆变桥臂；以及
滤波单元，其输入端连接至所述三相半桥逆变单元的输出端，所述滤波单元的输出端连接到负载，
其中，所述第一直流输入部、第二直流输入部以及第三直流输入部的负极和所述三相半桥逆变单元的负极共地连接；
其中，所述滤波单元包括：
第一滤波电路，其输入端连接到所述第一半桥逆变桥臂的电压输出端，且其输出端连接到第一负载；
第二滤波电路，其输入端连接到所述第二半桥逆变桥臂的电压输出端，且其输出端连接到第二负载；
第三滤波电路，其输入端连接到所述第三半桥逆变桥臂的电压输出端，且其输出端连接到第三负载；
其中，所述三相半桥逆变电路还包括：
第一电压采样部，其输入端连接到所述第一滤波电路的输出端，且其输出端连接到所述第一直流电压转换单元；
第二电压采样部，其输入端连接到所述第二滤波电路的输出端，且其输出端连接到所述第二直流电压转换单元；
第三电压采样部，其输入端连接到所述第三滤波电路的输出端，且其输出端连接到所述第三直流电压转换单元，
其中，所述第一至第三电压采样部配置为，当所述第一至第三负载为不平衡负载时，分别调节所述第一至第三直流电压转换单元以使得所述第一至第三滤波电路输出幅值差在预定阈值以下的相电压；
所述三相半桥逆变单元配置为使得所述第一至第三半桥逆变桥臂的调制度相同并且保持不变。
2.根据权利要求1所述的无变压器的三相半桥逆变电路，其特征在于，所述第一至第三滤波电路均为LC滤波电路，并且所述第一至第三滤波电路中的电容为星形连接。
3.根据权利要求2所述的无变压器的三相半桥逆变电路，其特征在于，当所述第一负载、第二负载和第三负载为三相不平衡的感性负载时，通过为所述第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路选定相适配的电容来为所述感性负载提供所需的无功功率。
4.根据权利要求2所述的无变压器的三相半桥逆变电路，其特征在于，所述LC滤波电路中的电感和电容的乘积为5-20mH·μF。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的无变压器的三相半桥逆变电路，其特征在于：
所述第一至第三直流电压转换单元的输入端连接到同一直流电源；或
所述第一至第三直流电压转换单元的输入端分别连接到不同的直流电源；或
所述第一至第三直流电压转换单元的输入端中的任一输入端连接到一个直流电源，其余两个输入端连接到另一直流电源。
6.根据权利要求5所述的无变压器的三相半桥逆变电路，其特征在于，所述直流电源为蓄电池或交流-直流转换器。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的无变压器的三相半桥逆变电路，其特征在于，所述三相半桥逆变单元采用型号为HT3299、HT3115A、HT3156IA或HT3156ON的芯片作为控制芯片。
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