CN1126903A - 脉冲宽度调制整流器 - Google Patents

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Abstract

一种PWM整流器，可补偿所产生的共模电压，使漏电流检测环节不产生不需要的动作。包括：由输入电抗和接地电容构成的滤波器；由多个开关元件和平滑电容构成的直流电变换部；控制所述开关元件的导通比λ的整流器指令值发生部；对指令信号进行调制的调制信号发生部；驱动电路。PWM整流器在其直流电变换部设置有一桥臂对的逆变电路，该逆变电路输出与PWM整流器产生的共模电压相反相位的补偿电压，通过该补偿电压进行机器接地。

Description

脉冲宽度调制整流器
本发明涉及将市电电源进行交流/直流变换的脉冲宽度调制(PWM)整流器，特别是关于在连有接地系统的市电电源时，可以减少PWM整流器基于共模电压而产生漏电流的补偿装置。
PWM整流器，对于传统的晶闸管式整流器而言，因可以降低高次谐波电流、无功电功率，所以适用于很多电源装置。但是，多数整流器电路因为由调制波信号进行分谐波调制，若把直流电路的中间电压设为电中性点，那么在交流输入侧会产生调制波成分的共模电压。
图5是连接三相交流电源的PWM(Puls Wide Modulation)整流器的原理电路图，图6是PWM整流器各部分波形的说明图。利用图5、图6，来说明连接于具有接地系统的市电电源的PWM整流器所产生的共模电压及由此共模电压和三相不平衡电压造成泄漏电流的作用机理。
在图5(A)中，具有接地系统的三相(UR、US、UT)交流电源1通过线路阻抗Zn向PWM整流器2供给交流电。PWM整流器2由以下几部分构成：由输入电抗Zc和接地电容Cn构成的滤波器F；由开关元件(31～36)和平滑电容3B构成的直流电能变换部3；控制开关元件(31～36)导通比的整流器指令值发生部4A；用于产生对指令信号进行调制的调制波信号Vc的调制波信号发生部4B；整流器的指令值和调制波信号Vc通过比较器4C进行比较，然后对各开关元件(31～36)进行开关控制的整流器驱动电路4D。
所有的电气、电子元件和接地系统之间都通过杂散电容形成耦合而流有接地电流，在此，假设与接地系统的耦合是平衡的，除去差动(差模)耦合因素，可以研究一下与接地系统同相(共模)耦合因素，即从平滑电容3B的中性点通过杂散电容Cx与接地系统相耦合的状态。图5中的Cx即表示了这种状态。
由输入电抗Zc和接地电容Cn构成的滤波器F可以防止因直流电流变换部3的开关元件31～36的开关动作所产生的高频噪声在交流电源1产生环流。
图6中(A)、(C)、(E)说明了根据调制波信号Vc和整流器指令值(UR′、US′、UT′)的比较结果，在整流器驱动电路4D产生开关控制信号的形过过程。在图6中，横轴取作时间轴，图6中(A)、(C)、(E)的粗线正弦波表示三相PWM整流器的R、S、T各相的整流器指令值(UR′、US′、UT′)。同一图上的细线三角波是从调制波信号发生部4B产生的调制波信号Vc。调制波信号Vc比整流器指令值(UR′、US′、UT′)高时，相应的开关元件31～33导通，而开关元件34～36则截止。相反，调制波信号Vc比整流器指令值(UR′、US′、UT′)低时，对应的开关元件31～33截止，而开关元件34～36导通。
图6中(B)、(D)、(F)表示构成图5所示的直流电能变换部3的桥臂开关元件对(31、34)、(32、35)、(33、36)的中间点和平滑电容3B的中间点间形成的电压VR、VS、VT。为了简化说明，用图6中(A)、(B)来说明R相的关系。调制波信号Vc比整流器指令值UR′低时，开关元件34导通，因此，平滑电容3B的中性点和桥臂对(31、34)的中间点形成的电压VR为+Ed/2，Ed是平滑电容3B的两端充电电压值。接着，当调制波信号Vc比整流器指令值UR′高时，开关元件31导通，平滑电容3B的中性点和桥臂对(31、34)的中间点之间形成电压VR为-Ed/2。同样，图6中(C)、(D)表示S相的关系，图6中(E)、(F)表示T相的关系。
图6(G)显示了共模电压的关系，图6中(B)、(D)、(F)表示的电压VR、VS、VT是通过滤波器F的输入电抗ZC和接地电容Cn，在杂散电容Cx上作为同相电压Vn而合成的电压。通常杂散电容Cx的阻抗很高，实质上是将上述电压VR、VS、VT以叠加的形式而产生共模电压Vn的。
图5(B)表示的是接地系统中流有接地电流的等效电路，若设三相交流电源1的不平衡电压为Vcn，线路阻抗为Zn，那么由三相交流电源1的不平衡电压Vcn产生的接地电流Icn，通过接地电容Cn和线路阻抗Zn流通。另外，由共模电压Vn而产生的接地电流Icn，通过杂散电容Cx，输入电抗Zc、接地电容Cn和线路阻抗Zn间构成回路，流径构成市电电源1的线路阻抗Zn的电流便为接地电流Icn，这个接地电流Icn中共模电压Vn具有的高频成分通过接地电容Cn被旁路。
图6所示的调制波信号Vc为整流器指令信号的6倍频率，但这个调制波信号的频率不必只限定于6倍。
但是，象上述现有技术的PWM整流电路，为了由调制波信号进行次谐波调制，若设直流电路的中间电压为电中性点，在交流输入侧便产生以调制波频率为基波频率的共模电压。因此，特别是市电电源是接地系统的场合，上述共模电压经由电源线、电源接地线、大地，从机器接地线通过杂散电容，而使直流中间电路中流有接地电流。这个接地电流因为经由大地，所以存在需要漏电检测环节检测的问题。
为了减少这种接地电流，比如，改变接地电容、输入电抗、杂散电容值、来减少接地电流，但需要两个电源，能够调整的幅度受到制约，没有较好的效果。为此，很多情况采用了在交流电源和PWM整流器之间安装绝缘变压器等对策。
本发明是鉴于以上缺点而产生的，其目的在于，解决上述课题，提供一种补偿PWM整流器产生的共模电压，降低漏电流，漏电检测环节不产生不必要动作的PWM整流器。
为了达到以上目的，第一项发明采用以下技术手段：从交流电源获得交流电能并将其变换为直流电的PWM整流器，包括：由输入电抗和接地电容构成的滤波器、由开关元件和平滑电容构成的直流电能变换部、控制开关元件导通比的整流器指令发生部和产生对所发生的指令信号进行调制的调制信号的调制信号发生部及整流器驱动电路，在直流电能变换部设置具有一对桥臂的逆变电路，这个逆变电路输出与PWM整流器产生的共模电压反相位的补偿电压，  通过这个补偿电压使机器接地。
第二项发明是，逆变器电路的驱动信号使用PWM整流器的调制信号。
第三项发明是，逆变器电路的驱动信号，以PWM整流器的调制信号为指令值，由高频调制波进行调制。
第四项发明是，PWM整流器是三相输入的场合，逆变器电路的驱动信号，通过将交流电源的中性点电压检测出并将其叠加到PWM整流器的调制信号的指令值上来实现。
第五项发明是，逆变电路的驱动信号，将PWM整流器的调制信号乘以PWM整流器导通比的倒数得到之值作为指令值。
根据以上构成，第一项发明的作用在于，相对于PWM整流器产生的共模电压，产生相反相位的交流输出，通过将该交流输出接地，把PWM整流器的共模电压用逆变器的交流输出来抵消。
第二项发明的作用在于，用PWM整流器的调制波信号驱动逆变器电路，逆变器电路产生与PWM整流器的共模电压反相位、并具有调制波频率成分的矩形波交流输出。
第三项发明的作用在于，逆变电路的驱动信号由PWM整流器的调制波信号和高频调制波信号进行调制，可以抵消更高频率成分的共模电压。
第四项发明的作用在于，PWM整流器是三相输入时，检测出市电电源的中性点(不平衡)电压，将此中性点电压叠加到PWM整流器调制波信号的指令值上，由此作为逆变电路的驱动信号，可以抵消包括市电电源的不平衡电压在内的对地电位。
第五项发明的作用在于，PWM整流器调制信号反转后乘以PWM整流器导通比的倒数之积作为逆变器电路的驱动信号，据此可以适应随直流电能变换电路的输出电压变化，抵消由于导通比改变而引起的对地电位的变动。
图1是本发明的PWM整流器其一个实施例的功能框图。
图2是可以抵消更高频率成分共模电压的PWM整流器的另一实施例的功能框图。
图3是可以抵消包含市电电源不平衡电压的对地电位的PWM整流器功能框图。
图4是可以抵消包含PWM整流器导通比所引起的对地电位的PWM整流器功能框图。
图5A、5B是连接三相交流电源的PWM整流器原理电路图。
图6为PWM整流器的各部分波形说明图。
图7是补偿PWM整流器共模电压的一实施例的补偿电压波形说明图。
下面结合附图就实施例详细加以说明。
图1是本发明的一个实施例的PWM整流器的功能框图，图2作为另一实施例，是可以抵消更高频率成分共模电压的PWM整流器功能框图，图3是可以抵消包括市电电源的不平衡电压的对地电位功能框图，图4是可以抵消包括PWM导通比所引起对地电位的功能框图，图7是补偿PWM整流器共模电压的补偿电压波形的说明图，其中，对应图5、图6的同一功能部件使用相同的符号。
图1中，PWM整流器2由具有接地系统的三相(UR、US、UT)交流电源1通过图中没有标出的线路阻抗Zn供给交流电能。PWM整流器2包括以下几部分：由输入电抗Zn和接地电容Cn构成的滤波器F；开关元件31～36和平滑电容3B构成的直流电能变换部3；控制开关元件(31～36)导通比的整流器指令值发生部4A；发生对所述指令值信号进行调制的调制波信号Vc的调制波信号发生部4B；整流器驱动电路4D以及在直流电能变换部3并联一对桥臂的逆变电路5。PWM整流器2从逆变电路5的开关元件51、52的中间点通过电抗5A和接地电容5B的串联电路而接地。
根据以上构成，这个逆变器电路5，输出与PWM整流器2产生的共模电压Vn相反相位的补偿电压，这个补偿电压通过电抗5A和接地电容5B串联构成的滤波电路将机器接地，据此，可以抵消PWM整流器2产生的共模电压，还可以降低对机器接地的PWM整流器2的零序电压，减少漏电流Icn。另外，电抗5A和接地电容5B选在对高次谐波共模电压影响较小的一个固定值。
下面，请参看图6的PWM整流器2的各部分波形说明图。图6(G)是PWM整流器2产生的共模电压Vn的波形，象在现有技术中说明的那样，和调制波信号Vc同步并且波形反转呈阶梯状。并且，根据实验数据，共模电压Vn的有效值对于PWM整流器2的导通比λ具有负的线性。
因此，作为图1的逆变电路5的驱动信号通过比较器6A把PWM整流器2的调制波信号Vc变换成矩形波信号，输入到逆变器驱动电路6，据此，可以不难形成与共模电压Vn反相位并具有相同基波的补偿电压。图7是把图6的各部分波形的一部分抽出放大、用来说明补偿PWM整流器共模电压的补偿电压波形。图7(G)是上述PWM整流器的共模电压的波形、图7(H)是通过比较器6A把调制波信号Vc转换为矩形波来驱动逆变器5时逆变器5输出的补偿电压波形。
另外，在图2中，与图1不同点在于，高频调制波形信号发生部6B也加到比较器6A的输入电路。增加高频调制波信号发生部6B，把PWM整流器2的调制波信号Vc作为指令值，由高频调制波信号Vn进行调制，由此，逆变电路5的中间电路的补偿电压，如图7(I)所示平均看接近三角波，与图7(G)的矩形波补偿电压比更接近PWM整流器的共模电压Vn，除了调制波信号Vc的基波成分的共模电压以外，更高次谐波的共模电压也可以抵消。
另外，在图3中，与图2的不同点在于，PWM整流器2是三相输入时，由绝缘变压器检测出因市电电源1的不平衡产生的中性点电压，将这个检测电压加到PWM整流器2的调制波信号Vc的指令值上，据此可以抵消包含市电电源的不平衡电压在内的对地电位。
另外，在图4中，与图2的不同点在于，把PWM整流器2的调制波信号Vc和PWM整流器2的导通比λ的倒数在乘法器8A相乘后之值作为逆变器驱动电路6的驱动信号，据此，可以在随直流电能变换部3的输出电压变化而导通比发生变化时，也能抵消对地电位。
另外，图中未示出，将图3的绝缘变压器7和图4的导通比λ的倒数及乘法器8A并用，由此，可以抵消市电电源1的不平衡引起的中性点电压以及随直流电能变换部的输出电压变化而发生变化的对地电位。
根据以上所述的本发明，使PWM整流器产生的共模电压得到补偿、减少，从而使交流电源侧的泄漏电流(接地电流)降低，可以消除漏电检测环节的不需要的动作。

Claims (5)

1、一种PWM整流器，包括：由输入电抗和接地电容构成的滤波器、开关元件和平滑电容构成的直流电能变换部、控制上述开关元件导通比的整流器指令发生部、产生调制该指令信号的调制信号的调制信号发生部、整流器驱动电路，PWM整流器从交流电源输入交流电并将其变换成直流，其特征在于：
直流电能变换部设有一桥臂对的逆变电路，该逆变电路输出与上述PWM整流器产生的共模电压相反相位的补偿电压，通过该补偿电压进行机器接地。
2、如权利要求1所述的PWM整流器，其特征在于：逆变电路的驱动信号是PWM整流器的调制波信号。
3、如权利要求1所述的PWM整流器，其特征在于：逆变电路的驱动信号以PWM整流器的调制波信号为指令值，由高频调制波信号进行调制。
4、如权利要求2或权利要求3所述的PWM整流器，其特征在于：当PWM整流器是三相输入时，逆变器电路的驱动信号，通过检测交流电源的中性点电压，将该中性点电压叠加到PWM整流器的调制波信号的指令值上来实现。
5、如权利要求2到权利要求4任一项所述的PWM整流器，其特征在于：逆变电路的驱动信号，把PWM整流器的调制波信号与PWM整流器的导通比倒数之积作为指令值。
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