CN1319937A - 一种波形变换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交流至交流波形变换装置及方法。本发明的特点是采用多级变换模块依次串联,各级功率模块输出电压经叠加后得到总的电压输出,而每个功率变换模块则实现交流至交流的直接变换,通过选取不同的变换模块作为当前工作电路及选取不同的各变换模块所输出的电压波形,使输出电压与给定参考电压在各时间点的偏差尽可能小。本发明装置包括,输出n组电气绝缘的交流电及与其连接的n个变换模块。

Description

一种波形变换装置及方法
本发明涉及一种交流至交流的波形变换装置及方法，属于高压开关技术领域，特别涉及电机变频驱动及变频电源。
变频器及变频电源广泛应用于交流电机驱动等许多场合，多采用交交变换方式及交直交变换方式。目前应用于交交变频器的已有技术，采用交流至交流直接变换方式，通过改变开关器件的触发角来达到输出交流电压的目的，该方案对电网及用电设备谐波污染很大，功率因数也较低。而应用于电压型交直交通用变频器的已有技术，采用脉宽调制(PWM)方法，即通过用半导体开关器件对中间直流电压进行开关控制，以达到输出交流电压的目的，这种方法因为需要有中间直流环节，使设备成本增加，降低了设备工作效率。这些问题在变频器及变频电源设备容量较大时将更为突出。
本发明的目的是设计一种交流至交流的正弦波形变换装置及方法，以省去中间直流环节，降低成本，提高工作效率，同时具有较小的电压谐波及较高的功率因数。
本发明所设计的波形变换装置，包括相互间电气绝缘的n组、每组相数为m的交流电，其分别连接至n个变换模块的输入端；上述n个变换模块的输出端串联连接，从而形成一个总的输出电压；上述变换模块是包括由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性可变的m相双向可控整流电路。
上述变换模块可以是包括由双向可控硅连接成的m相双向可控整流电路，或者是包括将两个由可控硅连接成的m相可控整流电路正反向并联而连接成的m相双向可控整流电路。
上述变换模块也可以是包括由可关断半导体功率开关器件连接成的m相双向可控整流电路，其中可关断半导体功率开关器件可以是GTO、SIT、IGBT、GTR、MOSFET、IGCT、MCT。
本发明所设计的波形变换方法，通过如下步骤实现：
1、将相互间电气绝缘的n组、每组相数为m的交流电，分别连接至n个变换模块的输入端，并将上述n个变换模块的输出端串联连接，从而形成一个总的输出电压；所述变换模块是包括由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性可变的m相双向可控整流电路；所述的相互间电气绝缘的n组、每组相数为m的交流电可以由一个总的交流电经过隔离、移相等方法变换得到。
2、任一时间段的一个给定正弦波输出电压期望值，按一定时间长度将其分段，即从起始时间起，将其依次分为t0,t1、t2、t3至ti，首先选取其中t0～t1时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压；
3、从上述串联的n个变换模块中选取j(j≤n)个作为当前工作电路；
4、使其余n-j个双向可控整流电路的一个桥臂直通，从而使其输出零电压，处于非工作状态；
5、于上述选取的j个作为当前工作电路的变换模块，从其中各变换模块在时间段t0～t1内所能输出的所有电压波形中，各选取一个电压波形，从而得到可分别由j个变换模块产生的j个电压波形；
6、上述j个电压波形相加，得到一个总的计算输出电压；
7、上述在时间段t0～t1内的计算输出电压与给定参考电压相比较，通过选取不同的变换模块作为当前工作电路及选取不同的各变换模块所输出的电压波形，使计算输出电压与给定参考电压在各时间点的偏差尽可能小，并使在该计算输出电压下，能达到所设定的最优化目标，从而得到一组最优电压波形。所述的最优化目标是与输出电压波形相关的给定的电气参数值或条件，如总谐波含量或某些高次谐波含量最小，或是由此计算得到的输入交流电功率因数最大，或是二者折衷考虑下最优，或是总的输入交流电的总谐波含量最小或某些高次谐波含量最小；
8、按上述所选定的各变换模块所对应的电压波形，确定各变换模块中的半导体开关器件在时间t0～t1内的工作状态，并依此对各变换模块发送控制信号，使其按上述所确定的工作状态进行开关工作。
9、分别选取t1～t2、t2～t3及ti-1～ti时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压并重复上述3至8步骤，从而得到所需要的交流输出电压。
本发明所设计的波形变换装置及方法省去了中间直流环节，使线路得以大大简化，显著降低了成本，同时使电压、电流谐波得以减小，并可获得较高的功率因数。
附图说明：
图1是按照本发明的装置的电路原理图。
图2是本发明装置的变换模块所包括的半波双向可控整流电路。
图3是本发明装置的变换模块所包括的半控双向可控整流电路。
图4是由双向可控硅组成的双向可控整流电路。
图5是由可关断器件IGBT组成的半控双向可控整流电路。
图6是本发明的装置的一个实施例电路原理图。
图7是由可关断器件IGBT组成的本发明另一实施例电路原理图。
图8是本发明方法的给定正弦波输出电压期望值。
图9是所选取的双向可控整流电路的一个输出电压波形。
图10是所选取的第二个输出电压波形。
图11是所选取的第三个输出电压波形。
图12是所选取的第四个输出电压波形。
图13是叠加后的输出电压波形。
下面结合附图，详细介绍本发明设计的装置及方法的工作过程。
图1是本发明设计的装置的电路原理图。其中开关器件k1、开关器件k2、开关器件k3、开关器件k4、开关器件k5、开关器件k6连接成了双向可控整流桥电路，组成变换模块c1。变换模块c1、变换模块c2、变换模块c3、变换模块c4、变换模块c5的输入端分别连接至输入交流电va1、vb1、vc1,va2、vb2、vc2,va3、vb3、vc3,va4、vb4、vc4,va5、vb5、vc5，而变换模块c1、变换模块c2、变换模块c3、变换模块c4、变换模块c5的输出端串联连接起来，形成总的输出电压vo。
图2是本发明装置的变换模块的另外一种电路结构。其中开关器件K7、开关器件K8、开关器件K9、开关器件K10连接成了三相半波双向可控整流桥电路，其输入端连接至三相交流电va、vb、vc及零线N。
图3是本发明装置的变换模块的又一种电路结构。其中每个开关器件包括一个二极管和一个开关，开关器件K11、开关器件K12、开关器件K13及二极管D14、二极管D15、二极管D16连接成了正向半可控整流桥电路，开关器件K14、开关器件K15、开关器件K16及二极管D11、二极管D12、二极管D13连接成了反向半可控整流桥电路，从而正反向半可控整流桥电路并联连接成了三相半控双向可控整流桥电路，其输入端连接至三相交流电va、vb、vc。
图4是由双向可控硅组成的变换模块的电路图。其中双向可控硅K20、双向可控硅K21、双向可控硅K22、双向可控硅K23、双向可控硅K24、双向可控硅K25连接成了三相双向可控整流桥电路，其输入端连接至三相交流电va、vb、vc。
图5是由IGBT组成的变换模块的电路图。其中每个开关器件包括一个IGBT和两个二极管，该IGBT与一个二极管串联后，与另外一只二极管并联。由此组成的开关器件K30、开关器件K31、开关器件K32、开关器件K33、开关器件K34、开关器件K35连接成了三相半控双向可控整流桥电路，其输入端连接至三相交流电va、vb、vc。
图6是本发明设计的装置的一个实施例电路原理图。其中可控硅10、可控硅11、可控硅12、可控硅13、可控硅14、可控硅15连接成了变换模块1的正向可控整流桥电路；而变换模块1的其余六只可控硅连接成了反向可控整流桥电路，并通过与正向可控整流桥电路并联而组成了变换模块1的双向可控整流桥电路，变换模块1的输入端连接至三相交流输入va、vb、vc。变换模块2、变换模块3、变换模块4、变换模块5的输入端也分别连接至输入交流电，而变换模块1、变换模块2、变换模块3、变换模块4、变换模块5的输出端串联连接起来，形成总的输出电压vo。
图7是本发明设计的装置的另一实施例原理图，该实施例包括三级串联的变换模块。其中组成变换模块32、变换模块33、变换模块34的双向可控整流电路由可关断半导体开关器件IGBT连接而成，IGBT20及IGBT21反向串联连接，组成了双向电子开关，因此，两两串联的6对IGBT:IGBT20 IGBT21,IGBT22、IGBT23,IGBT24、IGBT25,IGBT26、IGBT27,IGBT28、IGBT29,IGBT30、IGBT31连接成了变换模块32中的双向可控整流电路。各变换模块的输入端连接至相互间电气绝缘的三相交流电，而变换模块32、变换模块33、变换模块34的输出端串联连接起来，形成总的输出电压vo。
下面详细介绍本发明所设计的波形变换方法的实现过程，为说明方便起见，以图6所示的电路为例。
图8是本发明方法的给定正弦波输出电压期望值波形，将其按时间分段为t0、t1、t2、t3，并首先将图8中t0～t1时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压。
选取图6中变换模块1、变换模块2、变换模块3、变换模块4的双向可控整流电路作为当前工作电路，而使变换模块5的双向可控整流电路中的可控硅16、17、18、19开通，以使双向可控整流电路5处于非工作状态。
下面选取作为当前工作电路的各变换模块双向可控整流电路的输出电压波形：
对于图6中变换模块1的双向可控整流电路，假定该电路的三相输入电压分别为：
  va=uksin(ωt)；
  vb=uksin(ωt-2/3π)；
  vc=uksin(ωt-4/3π)；
  上述公式中uk为常数。
对于该电路中的可控硅的不同开关状态，其对应有多种输出电压可能，如当可控硅10、14在ωt=t0时刻开通时，其输出电压波形在t0～t1时间内为(va-vb)；当可控硅11、15在ωt=t0时刻开通时，其输出电压波形在t0～t1时间内为(vb-vc)；当可控硅12、13在ωt=t0时刻开通，而可控硅14在ωt=5/6π时刻开通，则其输出电压波形为(vc-va)(当ωt=t0～5/6π时)及(vc-vb)(当ωt=5/6π～t1时)。在本例中选取变换模块1的输出电压波形为(va-vb)(当ωt=t0～2/3π时)及(va-vc)(当ωt=2/3π～t1时)，如图9所示，对应可控硅开关状态为：可控硅10、14在ωt=t0时刻开通及可控硅15在ωt=2/3π时刻开通。按此方法选取变换模块2的输出电压波形如图10所示，变换模块3的输出电压波形如图11所示，变换模块4的输出电压波形如图12所示。
将上述所选定的变换模块1、变换模块2、变换模块3、变换模块4的输出电压波形叠加，得到如图13所示的电压波形。将此波形在t0～t1时间段内与t0～t1时间段的给定参考电压(如图8所示)相比，各点偏差小，经傅立叶变换频域分析，输出谐波电压最小，因此作为最终选定的一组最优输出电压波形。若输出谐波电压并非最小，则需要重新选取作为当前工作电路的变换模块或各变换模块的输出电压波形。
按上述所选定的各变换模块双向可控整流电路的最优输出电压波形，确定其在t0～t1时间段内对应的各可控硅的开关状态，并按此向各可控硅发送触发信号，从而得到所需要的输出电压vo。
对于图7中所示本发明设计的另外一个实施例电路，由于变换模块的双向可控整流电路采用的是可关断半导体开关器件IGBT，因此，不同于采用可控硅的电路方案，各双向可控整流电路在进行输出电压切换时，不必受流经各半导体开关器件的电流是否为零的限制，因而在采用本发明方法对给定的正弦波输出电压期望值进行时间分段时，可以将其分为更短的时间段。而由于需要拟合的电压的时间段减小，因而可得到与给定的正弦波输出电压期望值更小偏差的输出电压。
图7所示实施例与上述图6所示实施例在采用本发明方法时的步骤与方法相同，此处不再赘述。

Claims (11)

1、一种交流至交流的波形变换装置，其特征是，包括相互间电气绝缘的n组、每组相数为m的交流电，其分别连接至n个变换模块的输入端；上述n个变换模块的输出端串联连接，从而形成一个总的输出电压；上述变换模块是包括由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性可变的m相双向可控整流电路。
2、按照权力要求1所述的交流至交流的波形变换装置，其特征是，上述变换模块是包括由双向可控硅连接成的m相双向可控整流电路，或者是包括将两个由可控硅连接成的m相可控整流电路正反向并联而连接成的m相双向可控整流电路。
3、按照权力要求1所述的交流至交流的波形变换装置，其特征是，上述变换模块是包括由可关断半导体功率开关器件连接成的m相双向可控整流电路。
4、按照权力要求3所述的交流至交流的波形变换装置，其特征是，上述可关断半导体功率开关器件是GTO，或SIT，或IGBT，或GTR，或MOSFET，或IGCT，或MCT。
5、按照权力要求1所述的交流至交流的波形变换装置，其特征是，上述变换模块是包括由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性可变的m相半波双向可控整流电路。
6、按照权力要求1所述的交流至交流的波形变换装置，其特征是，上述变换模块是包括由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性可变的m相半控双向可控整流电路。
7、一种交流至交流的波形变换方法，其特征是包括以下步骤：
1)将相互间电气绝缘的n组、每组相数为m的交流电，分别连接至n个变换模块的输入端，并将上述n个变换模块的输出端串联连接，从而形成一个总的输出电压；所述变换模块是包括由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性可变的m相双向可控整流电路。
2)对于任一时间段的一个给定正弦波输出电压期望值，按一定时间长度将其分段，即从起始时间起，将其依次分为t0,t1、t2、t3至ti，首先选取其中t0～t1时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压；
3)从上述串联连接的n个变换模块中选取j(j≤n)个作为当前工作电路；
4)使其余n-j个双向可控整流电路的一个桥臂直通，从而使其输出零电压，处于非工作状态；
5)对于上述选取的j个作为当前工作电路的变换模块，从其中各变换模块在时间段t0～t1内所能输出的所有电压波形中，各选取一个电压波形，从而得到可分别由j个变换模块产生的j个电压波形；
6)将上述j个电压波形相加，得到一个总的计算输出电压；
7)将上述在时间段t0～t1内的计算输出电压与给定参考电压相比较，通过选取不同的变换模块作为当前工作电路及选取不同的各变换模块所输出的电压波形，使计算输出电压与给定参考电压在各时间点的偏差尽可能小，并使在该计算输出电压下，能达到所设定的最优化目标，从而得到一组最优电压波形；所述的最优化目标是与输出电压波形相关的给定的电气参数值或条件。
8)按上述所选定的各变换模块所对应的电压波形，确定各变换模块中的半导体开关器件在时间t0～t1内的工作状态，并依此对各变换模块发送控制信号，使其按上述所确定的工作状态进行开关工作。
9)分别选取t1～t2、t2～t3及ti-1～ti时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压，并重复上述3至8步骤，从而得到所需要的交流输出电压。
8、按照权力要求7所述的交流至交流的波形变换方法，其特征是，所述的相互间电气绝缘的n组、每组相数为m的交流电由一个总的交流电经过隔离变换或隔离移相变换方法得到。
9、按照权力要求7所述的交流至交流的波形变换方法，其特征是，所设定的最优化目标是输出电压总谐波含量最小或某些高次谐波含量最小。
10、按照权力要求7所述的交流至交流的波形变换方法，其特征是，所设定的最优化目标是输入的n组交流电总的功率因数最大，或者是与最优化目标：输出电压总谐波含量最小或某些高次谐波含量最小，二者折衷考虑下最优。
11、按照权力要求8所述的交流至交流的波形变换方法，其特征是，所设定的最优化目标是总的输入交流电的总谐波含量最小或某些高次谐波含量最小，或是与最优化目标：输出电压总谐波含量最小或某些高次谐波含量最小，二者折衷考虑下最优。
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