CN1404648A - 用于减少功率变换器中谐波的设备和方法 - Google Patents

用于减少功率变换器中谐波的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多级功率转换电子设备，用于降低在所述设备中生成的，特别是以差拍为形式的不需要的谐波的振幅，该设备包括：至少一输入滤波器(1)、包括至少两个开关(Fr1，Fr2)的一电阻制动斩波器(2)，以及包括至少四个串联开关(T1，T2，T3，T4)的多级静态逆变器(4)。本发明的特征在于，通过在它们的中点提供的一连接，逆变器(4)直接连在斩波器(2)上，并且该逆变器包括用于控制所述斩波器(2)的开关的一可变随机频率脉冲发生器。

Description

用于减少功率变换器中谐波的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于减少在功率变换器中生成的干扰谐波的设备和方法。
技术背景
电力电子设备通常通过导致谐波产生的开关来运转。另外，电力系统由若干以自己的频率运转的子系统组成。这些不同频率的组合是差拍现象的谐波源。
差拍(beat)是由两个相邻的频率的叠加产生的振荡的振幅的周期变化。
通常，寻求通过使用包括电感器(L)和电容器(C)的滤波器来使这些子系统去耦。
就铁路应用中用于推进发动机的三相逆变器来说，例如，曾建议通过鉴相器中的调整波(set wave)校正来进行PWM波处理(公开号WO96/33548)。该处理使得可能消除开关调整波中的不作用时间(deadtime)，从而显著地减少不需要的谐波，特别是在发动机电流中出现的5次和7次谐波以及在供电端上和发动机扭矩端上出现的6次谐波。
然而，改变系统的结构通常受半导体的损耗或系统物理性质的限制。
大量文献，例如，US-A-4638417、DE-A-19651281、DE-A-3912706、GB-A-2232835以及US-A-4339697已经提出了将可变的、在某些情形中具有随机频率的调整波应用于特别是为了减小噪音而用来控制逆变器的PMW波。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于减少，或甚至消除由多级功率变换器中不同转换频率的合成产生的谐波的简单设备。
本发明特别是为了提供能被应用到包括至少以下两个功能子系统：电阻制动斩波器(rheostatic braking chopper)、逆变器/整流器的系统的设备和方法。
本发明涉及用于减少多级转换功率变换器中不想要的谐波的振幅的设备和方法，其中至少一个所述级的开关是由具有可变的随机频率的脉冲控制。
根据本发明，术语“功率变换器”是指包括若干子系统的功率转换设备，其中该功能子系统包含一输入滤波器、一电阻制动斩波器以及一多级逆变器或整流器。
通常，斩波器由至少两个最好是IGBT型的开关串联组成，每一个开关与一反向偏置的二极管并联，该开关/反向偏置二极管组件与一电阻器串联。
通常，多级变换器，例如三级变换器的一臂由至少四个最好是IGBT型、成对耦合的开关组成。每一开关与一反向偏置二极管并联。
根据本发明，斩波器开关将由可变的随机频率脉冲来控制。
因此，根据本发明的设备包括由用来控制斩波器开关的可变随机频率脉冲组成的一波形发生器。
最好，该频率遵循高斯分布，其标准偏差在平均值的15％和35％之间。
有利地，该平均值与通常用来控制所讨论的开关的固定频率相应。
根据一特定实施例，斩波器的平均控制频率在600和900Hz之间，且标准偏差在150和250Hz之间。
根据本发明的一个重要特征，多级逆变器被直接连在斩波器上，即该斩波器经其中点连接到该逆变器上。
这意味着因而可能避免出现用于该斩波器的一单独的中间电容器分压器。
附图说明
图1表示根据现有技术，一两级转换器的电路图；
图2表示根据本发明，使用用于减少谐波的设备和方法的转换器的电路图；
图3表示施加到逆变器控制端的一波形，其具有三个开关角α1、α2和α3；
图4表示根据本发明，施加到电阻制动斩波器上的具有调整波信号的控制信号。
具体实施方式
图1表示根据现有技术的一两级转换器。它通常由几个子系统：输入滤波器1、制动斩波器2以及逆变器4组成。在当前例子中仅示出了三级逆变器的一臂。
通常，输入滤波器由一个电感器L和一个或多个电容器C3和C4组成。
制动斩波器2由两个最好是IGBT型的开关Fr1和Fr2串联组成，这些开关中的每一个与一反向偏置的二极管Dr1和Dr2并联，该开关/反向偏置二极管组件与允许损耗不被负载M1消耗的能量的电阻器R1和R2串联。
另外，为保证电压强度，提供由两个电容器C3和C4组成的用于斩波器的一电容器分压器。
三级逆变器的一臂通常如图1中所示。它由最好是IGBT型、成对耦合(T1和T2耦合、T3和T4耦合)的四个开关组成。每一开关与一反向偏置二级管D1至D4并联。由两个电容器C1和C2组成的一电容器分压器3也与逆变器4并联。
如图1中所示，通常，根据现有技术，斩波器X’和X的中点不连接。
根据本发明，如图2中所示，提出分别连接设置在相应的两个电容器之间的斩波器和逆变器的中点(X和X’)。用一种特别有利的方式，使得可能不再需要提供每一个斩波器2/逆变器4子系统专用的电容器分压器桥。
三级逆变器4的功能模式完全是常规的，且通过使IGBT开关成对导通：首先是上面两个(IGBT1，IGBT2)，然后是中间两个(IGBT2，IGBT3)，最后是底部两个(IGBT3，IGBT4)，使得可能在两个IGBT开关上分布架空接触线的HT直流电压。
因此通过三个电压电平：HT、HT/2以及0，做出近似的正弦曲线。
因此第二电容器分压器不再需要设置中间电势以用于该逆变器的校正功能，因为中点X、X’间的连接允许该高电压的良好分布。
与两级逆变器相比，三级系统可能通过更近似的正弦曲线来减少谐波电平。
当通过逆变器提供给负载的电压是相对于轴Oy对称时，在傅里叶级数展开式中仅生成基本和奇次谐波(3次、5次、7次、9次，等等)：
HT(t)＝α1sin(ωt+Φ1)+α3sin(3ωt+Φ2)+α5sin(5ωt+Φ5)+…，其中t是时间，ω是基本角频率，Φ2i-1是与频率(2i-1)ω对应的相位，i＝1，2，3，...
可能获得具有n个未知数的n次线性方程的系统，其中系数α3、α5、α7，...均表示成开关角α1、α2、α3，...的函数。图2示出了与三个开关角α1、α2、α3相对应的波形。
通过转化系统方程式，开关角α1、α2、α3，...能表示成傅里叶级数展开式中产生的系数α3、α5、α7，...的函数。
因此可能计算消除开始选择的特定谐波所需要的开关角。换句话说，应用到逆变器子系统的波形的适当选择使得可能消除发动机端的特定谐波，特别是最不需要的如5次和7次谐波。发动机端的3次和3的倍数次谐波不是麻烦，因为它是在具有不接地中点的三相系统中的问题。
通常，寻求不加入电容器电桥3(C1，C2)以尽可能具有直接连接到逆变器(X＝X’)的制动斩波器。在这种情况下，差拍是不可避免的，并且如下所述，只有在从该斩波器提供一命令才可抑制该差拍。
在正常操作中，逆变器在中点X、X’生成其频率是工作频率的3的倍数次的谐波。例如，如果逆变器在50Hz下工作，则在中点能发现频率150、300、450Hz等等。
在图2给出的例子中，直接连在逆变器上的制动斩波器以其自身频率(如800Hz)工作。该频率容易与在中点处出现的所有谐波结合起来形成一差拍。不用说，这些频率越接近，该差拍就越强烈。
特别地，如果f1是逆变器的谐波频率，f2是斩波器的频率，则可获得频率为(f1+f2)/2以及(f1-f2)/2的两个差拍。
为遏制该现象，设想使用一随机频率来控制该斩波器可满足需要。该频率的分布是例如具有等于通常工作频率f0＝800Hz的平均值，以及具有Δf＝200Hz的标准偏差的高斯分布。图3给出了用于斩波器IGBT(IGBT Fr1，IGBT Fr2)的随机频率控制信号6的例子。调整波5给出了施加到斩波器的调制率(modulation rate)的电平。
本发明的一个优选实施例包括生成一输入信号，该输入信号是在有限时间间隔内对正弦函数的采样(例如，一秒的间隔内每10ms采样一次)，并且该信号的频率通过使用一随机数发生器随时间改变。
相对于单一频率，电力元件中的开关损耗是相同的。
然而，由本发明提供的解决方案具有几个主要优点：
-减少差拍，该差拍越大，标准偏差就越大；
-减少系统噪音；
-可能抑制斩波器和逆变器间的电容器分压器。

Claims (6)

1、电子多级功率转换设备，用于降低在所述设备中生成的，特别是以差拍为形式的不需要的谐波的振幅，包括：至少一输入滤波器(1)、包括至少两个开关(Fr1，Fr2)的一电阻制动斩波器(2)，以及包括至少四个串联开关(T1，T2，T3，T4)的一多级逆变器(4)，其特征在于：逆变器(4)通过提供经由该逆变器与斩波器的中点(X＝X’)的一连接直接连在斩波器(2)上，并且包括控制所述斩波器(2)的开关的一可变随机频率脉冲发生器。
2、如权利要求1所述的设备，其特征在于：该随机频率遵循平均频率的高斯分布，该平均频率等于用于在固定频率的一等效设备的频率。
3、如权利要求1所述的设备，其特征在于：该随机频率遵循非高斯分布。
4、如以上任何一个权利要求所述的设备，其特征在于：该分布的标准偏差在平均频率的15％和35％之间。
5、如以上任何一个权利要求所述的设备，其特征在于：逆变器(4)的开关由与开关角(α1，α2，α3，…)相应的PWM波的脉冲控制，计算该开关角以便减小或消除由所述逆变器(4)施加到一负载(M1)的电压波形的至少一个奇次谐波的振幅。
6、用于减少在一多级功率转换设备中生成的不需要的谐波的振幅的方法，该设备包括：至少一输入滤波器(1)、包括至少两个开关(Fr1，Fr2)的一电阻制动斩波器(2)，以及包括至少四个开关(T1，T2，T3，T4)的一多级逆变器(4)，该逆变器(4)经由连接该逆变器(4)的中点(X)和斩波器(2)的中点(X’)的一连接直接连到斩波器(2)上，其特征在于：斩波器(2)的开关(Fr1，Fr2)受可变随机频率脉冲的控制。
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