CN116247952A - 一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子变换器的控制技术领域，具体是一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器。三相桥式整流变换器的拓扑结构由以晶闸管为元器件的三相整流桥构成，通过交流侧控制模块、直流侧控制模块和相移控制量调制模块实现相控。本发明实现了在直流侧功率一定时，交流侧各相输入功率可控这一控制目标。该交直流变换器由以晶闸管为元器件的三相整流桥构成。直流负载通过该发明接到交流电网上，在变换器可承受的范围内实现对其各桥臂传输功率的控制。本发明为一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，具有良好的实用性。

Description

一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换器的控制技术领域，具体是一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器。
背景技术
应用晶闸管将交流电改变为大小可调的直流输出电压的过程称为可控整流。比较常用的可控整流电路是半控桥式整流电路，类似于单相不可控桥式整流电路，只是两臂中的二极管被晶闸管取代，且整流器两侧的功率相等。当下以IGBT作为元器件构成的PWM整流器也获得了巨大应用。
正常情况下系统输出的三相功率平衡，变换器的利用率高。然而，在某些特殊情况下，交流电网的各相电压不平衡，输出功率也不相等。变换器可承受的三相输入电压或功率不平衡程度有限，故在此承受范围之内通过设计变换器的新型控制策略，使得在总功率通过三相变换器传至直流侧供给负荷消耗的同时，交流电网输出功率也即三相变换器的输入功率可控。
发明内容
本发明为了解决三相功率不平衡情况下三相变换器输入功率不可控的问题，提供了一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，使交流电网通过该变换器向直流侧负载供电。发明基于经典的三相桥式整流电路拓扑，结合变换器内部控制晶闸管触发的“相控”策略，实现变换器交流侧各相输入功率可控。
本发明基于如下技术方案实现：一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，所述三相桥式整流变换器由以晶闸管为元器件的三相整流桥构成，三相整流桥的输出侧经电容器与直流负荷并联连接，输入侧通过滤波电感L连接到交流电网。
所谓“相控”策略即基于直流负荷消耗的总功率，通过控制晶闸管的开断情况，实现变换器交流侧各相输入功率可控的控制目标；具体如下：
首先母线电压up经不对称电压计算模块得到交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电 压的相角θ。ul和θ经过输出电压平均值模块得到变换器输出电压平均值Ud和输出电流平均 值Id，Ud和Id经过交流侧功率模块得到交流侧总功率
Figure SMS_1
，如式（1），ul和θ经过输出电压有 效值模块得到变换器输出电压有效值Ur和输出电流有效值Ir，Ur和Ir经过直流侧功率模块 得到直流侧消耗总功率
Figure SMS_2
，如式（2），根据
Figure SMS_3
和
Figure SMS_4
以及直流侧负荷消耗的额定 功率
Figure SMS_5
经相移控制量调制模块得到晶闸管的换相触发时刻αi，如式（3）。αi和母线电压up通 过三相整流桥得到直流侧负荷电压Udc。
交流侧控制模块：根据交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ得到变换 器输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id，之后经式(1)得到交流侧总功率
Figure SMS_6
；
直流侧控制模块：根据交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ得到输出 电压有效值Ur与输出电流有效值Ir，之后经式(2)得到直流侧消耗总功率
Figure SMS_7
；
相移控制量调制模块：将输入的交流侧总功率
Figure SMS_8
、直流侧消耗总功率
Figure SMS_9
和 直流侧负荷消耗的额定功率
Figure SMS_10
根据式(3)得到在换相触发时刻αi晶闸管的触发信号，使三 相整流桥在给定控制方式下运行；
Figure SMS_11
（1）
Figure SMS_12
，式中αi为各晶闸管的换相触发时刻，i=1,2,3,4,5,6,7，六个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，Ua、Ub、Uc分别为三相输入电压，Ia、Ib、Ic分别为三相输入电流。
Figure SMS_13
（2）
式中R表示直流侧负荷的阻值，θ1 、θ2 、θ3为线电压Uab、 Uac 、Ubc的相角。
Figure SMS_14
=
Figure SMS_15
=
Figure SMS_16
（3）
式中
Figure SMS_17
为交流侧总功率，
Figure SMS_18
为直流侧消耗总功率，
Figure SMS_19
为直流侧负荷消耗的 额定功率。
交流侧控制模块、直流侧控制模块和相移控制量调制模块均通过DSP微处理器控制实现。
通过对各开关管的换相触发时刻αi的改变间接调节触发延迟角
Figure SMS_20
，最终实现变换 器交流侧各相输入功率可控。
本发明基于三相全控桥式整流电路的模型及工况，得到所提控制策略下交流侧总功率（式1）与直流侧消耗总功率（式2）；相移控制量调制模块通过构造三相整流器两侧的功率与直流侧负荷消耗的额定功率之间的关系（式3）实现。
本发明所提出的三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，与现有技术相比，在保证了直流负荷消耗总功率确定的同时，实现了变换器交流侧各相输入功率的可控。
附图说明
图1是本发明所涉及的三相桥式整流电路拓扑图。
图2是本发明所涉及的三个桥臂功率可控的变换器的控制框图。
图1中：三相桥式整流电路由三相整流桥和直流负荷构成。三相整流桥由abc三相桥臂组成，各相桥臂都有上下两个晶闸管，习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。三相整流桥的输入端经滤波电感连接到交流电网的变压器，输出端经电容器与直流负荷相并联。
图2中：ul为交流侧线电压的幅值，θ为交流侧线电压的相角，Ud为输出电压平均值， Id为输出电流的平均值，
Figure SMS_21
表示三相桥交流侧总功率，Ur为输出电压有效值，Ir为输出 电流有效值，
Figure SMS_22
为直流侧消耗总功率，
Figure SMS_23
为直流侧负荷消耗的额定功率，
Figure SMS_24
为各晶闸管 的换相触发时刻。
具体实施方式
本发明设计了一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，该变换器基于经典的三相桥式整流电路拓扑，结合变换器内控制晶闸管触发的“相控”策略，实现变换器交流侧各相输入功率的可控。
所谓“相控”策略即基于直流负荷消耗的总功率，通过控制晶闸管的开断，实现变换器交流侧各相输入功率可控；具体如下：
如图2所示，首先母线电压up经不对称电压计算模块得到交流侧线电压的幅值ul和 交流侧线电压的相角θ。ul和θ经过输出电压平均值模块得到变换器输出电压平均值Ud和输 出电流平均值Id，Ud和Id经过交流侧功率模块得到交流侧总功率
Figure SMS_25
，如式（1），ul和θ经过 输出电压有效值模块得到变换器输出电压有效值Ur和输出电流有效值Ir，Ur和Ir经过直流 侧功率模块得到直流侧消耗总功率
Figure SMS_26
，如式（2），根据
Figure SMS_27
和
Figure SMS_28
以及直流侧负荷 消耗的额定功率
Figure SMS_29
经相移控制量调制模块得到晶闸管的换相触发时刻αi，如式（3）。αi和母 线电压up通过三相整流桥得到直流侧负荷电压Udc。
交流侧控制模块：根据交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ得到变换 器输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id，之后经式(1)得到交流侧总功率
Figure SMS_30
；
直流侧控制模块：根据交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ得到输出 电压有效值Ur与输出电流有效值Ir，之后经式(2)得到直流侧消耗总功率
Figure SMS_31
；
相移控制量调制模块：将输入的交流侧总功率
Figure SMS_32
、直流侧消耗总功率
Figure SMS_33
和 直流侧负荷消耗的额定功率
Figure SMS_34
根据式(3)得到晶闸管在换相触发时刻αi下的触发信号，使 三相整流桥运行在给定控制方式下；
Figure SMS_35
（1）
Figure SMS_36
，式中αi为各晶闸管的换相触发时刻，i=1,2,3,4,5,6,7，六个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，Ua、Ub、Uc分别为三相输入电压，Ia、Ib、Ic分别为三相输入电流。
Figure SMS_37
（2）
式中R表示直流侧负荷的阻值，θ1 、θ2 、θ3为线电压Uab、 Uac 、Ubc的相角。
Figure SMS_38
=
Figure SMS_39
=
Figure SMS_40
（3）
式中
Figure SMS_41
为交流侧总功率，
Figure SMS_42
为直流侧消耗总功率，
Figure SMS_43
为直流侧负荷消耗的 额定功率。

Claims (4)

1.一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，该三相桥式整流变换器的拓扑结构由以晶闸管为元器件的三相整流桥构成，其特征在于：由交流侧控制模块、直流侧控制模块和相移控制量调制模块进行相控；
交流侧控制模块：根据交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ得到变换器输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id，之后经过公式
Figure QLYQS_1
计算得到交流侧功率/>
Figure QLYQS_2
，/>
Figure QLYQS_3
，式中αi为各晶闸管的换相触发时刻，i=1,2,3,4,5,6,7，Ua、Ub、Uc分别为三相输入电压，Ia、Ib、Ic分别为三相输入电流；
直流侧控制模块：根据交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ得到变换器输出电压有效值Ur与输出电流有效值Ir，之后经公式
Figure QLYQS_4
计算得到直流侧消耗总功率/>
Figure QLYQS_5
，式中R表示直流侧负荷的阻值，θ1 、θ2 、θ3为线电压Uab、 Uac 、Ubc的相角；
相移控制量调制模块：将输入的交流侧总功率
Figure QLYQS_6
、直流侧消耗总功率/>
Figure QLYQS_7
和直流侧负荷消耗的额定功率/>
Figure QLYQS_8
根据公式/>
Figure QLYQS_9
=/>
Figure QLYQS_10
=/>
Figure QLYQS_11
得到在换相触发时刻αi的晶闸管触发信号，使三相整流桥在给定控制方式下运行。
2.根据权利要求1所述的一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，其特征在于：交流侧控制模块、直流侧控制模块和相移控制量调制模块均通过DSP微处理器实现。
3.根据权利要求1或2所述的一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，其特征在于：交流侧控制模块包括输出电压平均值模块和交流侧功率模块，交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ经过输出电压平均值模块得到变换器输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id，Ud和Id经过交流侧功率模块得到交流侧总功率
Figure QLYQS_12
；直流侧控制模块包括输出电压有效值模块和直流侧功率模块，交流侧线电压的幅值ul和交流侧线电压的相角θ经过输出电压有效值模块得到变换器输出电压有效值Ur和输出电流有效值Ir，Ur和Ir经过直流侧功率模块得到直流侧消耗总功率/>
Figure QLYQS_13
。/>
4.根据权利要求1或2所述的一种三桥臂功率可控的三相桥式整流变换器，其特征在于：通过改变各开关管的换相触发时刻αi间接调节触发延迟角
Figure QLYQS_14
，最终实现变换器交流侧各相输入功率可控。/>
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