CN1488188A - 一种波形交换方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波形变换方法及其装置，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。本发明所设计的波形变换方法及其装置，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。

Description

一种波形变换方法及其装置 技术领域
本发明涉及一种波形变换方法及其装置， 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。 背景技术
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。 发明内容
本发明的目的是设计一种波形变换方法及其装置， 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。
本发明设计的一种交流至交流的波形变换装置， 由 n个变换模块组成， 每个变换 模块的输入端分别连接至相互间电气绝缘的 n组、 每组相数为 m的交流电， 每个变换 模块的输出端串联连接， 从而形成一个总的输出电压， 每个变换模块由功率半导体开 关器件或功率半导体开关器件组组成， 连接成一个输出电压极性可变的 m相双向可控 整流电路。
上述装置中的变换模块为一个由功率半导体开关器件或功率半导体幵关器件组连 接成的、 输出电压极性可变的 m相全波双向可控整流电路， 所述的 m相全波双向可控 整流电路由 2xm个功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组组成， 每个功率半导 体开关器件或功率半导体开关器件组分别连接在 m个输入线及两个输出线之间。 上述装置中的变换模块， 还可以为一个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， 所述的 m相半波 双向可控整流电路由 m+1 个功率半导体开关器件或功率半导体幵关器件组组成， 其中 m个功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组分别连接在 m个输入线及输出线之 间， 1个功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接在输入中线及输出线之间。
上述装置中的变换模块， 还可以为一个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相双向半可控整流电路， 所述的 m相双向半 可控整流电路由 2xm个功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组组成， 每个功率 半导体开关器件或功率半导体幵关器件组分别连接在 m个输入线及 2个输出线之间。
上述装置中的功率半导体开关器件为双向晶闸管。
上述装置中的功率半导体开关器件组为正反向并联的单向晶闸管、 正反向串联的 IGBT、 正反向并联的可关断晶闸管、 正反向并联的 IGCT、 正反向串联的可关断晶闸 管或正反向串联的 IGCT中的任何一种。
本发明提出的交流至交流的波形变换方法， 包括以下步骤：
1 )设定一个需要输出的正弦波电压，按一定的时间段，将正弦波依次分为时间段 to， tl、 t2、 t3至 ti， 选取其中 t0〜tl时间段的电压波形作为给定参考电压；
2)在相互间电气绝缘的 n组、 每组相数为 m的交流电中选取 j组作为当前输入电 压， 其中的 j≤n;
3 )对其余 n_j组 m相交流电进行双向可控整流， 使其输出电压为 0;
4) 对于上述所选取的 j组相互间电气绝缘的、 每组相数为 m的交流电， 分别在 j 组 m相的交流电压经双向可控整流后、 在时间段 t0〜tl内所能输出的所有电压波形中， 各选取一个电压波形， 从而得到分别由 j组相互间电气绝缘的、 每组相数为 m的交流 电， 经双向可控整流变换而产生的 j个电压波形；
5 )将上述 j个电压波形相加， 得到一个总的计算输出电压；
6) 将上述在时间段 t0〜tl 内的计算输出电压与上述给定的参考电压相比较， 在上 述相互间电气绝缘的 n组、 每组相数为 m的交流电中选取不同组的 m相交流电作为当 前输入电压， 在各组 m相交流电中， 选取不同的经双向可控整流变换的电压波形， 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， 并使输出电压总谐波含量 最小或某些高次谐波含量尽可能小， 或者使输入 n组交流电的电流之和总谐波含量最 小或某些高次谐波含量尽可能小， 或者使输入 n组各交流电的超前或者滞后的功率因 数的平均值尽可能大；
7) 按上述所选定的各 m相交流电相对应的电压波形， 确定各双向可控整流的工作 状态， 并使其按上述所确定的工作状态进行双向可控整流；
8 ) 分别选取 tl〜t2、 t2〜t3、 ti-l〜ti 时间段的给定期望电压波形作为给定参考电 压， 重复上述第二至第八步， 得到所需要的交流输出电压。
上述方法中， 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。
本发明所设计的波形变换方法及其装置， 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是本发明装置的电路框图。
2是本发明装置的变换模块所包括的全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波双向可控整流电路。
图 4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 5是由双向可控硅组成的双向可控整流电路。
图 6是由可控硅组成的双向可控整流电路。
图 7是由可关断器件 IGBT组成的半控双向可控整流电路。
图 8是由可关断器件 IGBT组成的全波双向可控整流电路。
图 9是由可关断晶闸管或 IGCT串联组成的全波双向可控整流电路。
图 10是由可关断晶闸管或 IGCT并联组成的全波双向可控整流电路。
图 11是需要输出的正弦波电压。
图 12是所选取的双向可控整流电路的一个输出电压波形。
图 13所选取的第二个输出电压波形。 图 14所选取的第三个输出电压波形。
图 15是所选取的第四个输出电压波形。
图 16是叠加后的输出电压波形。
图 17是本发明装置的一个实施例， 图中， 1是第一级变换模块， 2是第二级变换模 块， 3是第三级变换模块， 4是第四级变换模块， 5是第五级变换模块， 10— 19为组成' 双向可控整流电路的晶闸管。 具体实施方式
下面结合附图， 详细介绍本发明方法的原理以及装置的工作过程。
图 1是本发明设计的装置的电路框图。 其中变换模块 1、 变换模块 2至变换模块 N 的输入端分别连接至输入交流电 VI I、 V2 …… VM1 , V12、 V22、 …… VM2, V1N、 V2N、 … VMN, 而变换模块 1、 变换模块 2至变换模块 M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所包括的全波双向可控整流电路。 其中开关器件 Kl、 开关器件 Κ2、 ……开关器件 Km， 开关器件 Km+1、 开关器件 Km+2、 -…开关器件 K2m 连接成了 m相全波双向可控整流电路， 每个功率半导体开关器件或功率半导体开关器 件组分别连接在 m个输入线及两个输出线之间， 其输入端连接至 m相交流电 VI、 V2、 …… Vm， 输出电压为 VO。
图 3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。 其中开关器件 Kl、 开关器件 Κ2、 开关器件 Km、 ……开关器件 Km+1连接成了 m相半波双向可控整流电 路， 其输入端连接至 m相交流电 VI、 V2、 …… Vm及零线 N, 其中 m个功率半导体开 关器件或功率半导体开关器件组分别连接在 m个输入线及输出线之间， 1 个功率半导 体开关器件或功率半导体开关器件组连接在输入中线及输出线之间， 输出电压为 VO。
图 4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 Kl、 开关器件 Κ2、 … 开关器件 Km， 幵关器件 Km+i、 开 关器件 Km+2、 …开关器件 K2m连接成了 m相半可控整流电路， 每个功率半导体开 关器件或功率半导体开关器件组分别连接在 m个输入线及两个输出线之间， 其输入端 连接至 m相交流电 VI、 V2、 …… VM， 输出电压为 VO。
图 5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 Kl、 双向可控硅 Κ2、 ……双向可控硅 Km, 双向可控硅 Km+1、 双向可控硅 Km+2、 ……双向可控硅 K2m 连接成了 m相双向可控整流桥电路， 每个功率半导体开关器件分别连接在 m个输入线 及两个输出线之间， 其输入端连接至 m相交流电 VI、 V2、 …… VM， 输出电压为 VO。
图 6是由单向可控硅组成的变换模块的电路图。 其中每个开关器件组由两个正反相 并联的可控硅组成， 开关器件 Kl、 开关器件 Κ2、 ……开关器件 Km, 开关器件 Km+1、 开关器件 Km+2、 … 开关器件 K2m连接成了 m相双向可控整流桥电路， 每个功率半 导体开关器件组分别连接在 m个输入线及两个输出线之间， 其输入端连接至 m相交流 电 VI、 V2、 …… VM， 输出电压为 VO。
图 7是由 IGBT组成的变换模块的电路图。 其中每个开关器件组包括一个 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 Kl、 开关器件 Κ2、 …开关器件 Km, 开关器件 Km+1、开关器件 Km+2、 … 开 关器件 K2m连接成了 m相半控双向可控整流电路， 每个功率半导体开关器件组分别连 接在 m个输入线及两个输出线之间， 其输入端连接至 m相交流电 VI、 V2、 … VM, 输出电压为 VO。
图 8是由 IGBT组成的变换模块的电路图。 其中每个开关器件组包括反向串连连接 的两个 IGBT, 由此组成的开关器件 Kl、 开关器件 Κ2、 ……开关器件 Km， 开关器件 Km+1、 开关器件 Km+2、 ……开关器件 K2m连接成了 m相双向可控整流电路， 每个功 率半导体幵关器件组分别连接在 m个输入线及两个输出线之间， 其输入端连接至 m相 交流电 VI、 V2、 …一 VM, 输出电压为 VO。
图 9是由可关断晶闹管或 IGCT串联组成的全波双向可控整流电路。 其中每个开关 器件组包括反向串联连接的两个双向晶闸管或 IGCT, 由此组成的开关器件 Kl、 开关 器件 Κ2、 ……开关器件 Km, 开关器件 Km+1、 开关器件 Km+2、 ……开关器件 K2m连 接成了 m相双向可控整流电路， 每个功率半导体开关器件组分别连接在 m个输入线及 两个输出线之间， 其输入端连接至 m相交流电 VI、 V2、 …… VM， 输出电压为 VO。
图 10是由可关断晶闸管或 IGCT并联组成的全波双向可控整流电路。 其中每个开 关器件组包括反向并联连接的两个双向晶阐管或 IGCT, 由此组成的开关器件 Kl、 开 关器件 Κ2、 ……开关器件 Km, 开关器件 Km+1、 开关器件 Km+2、 ……开关器件 K2m 连接成了 m相双向可控整流电路， 每个功率半导体开关器件组分别连接在 m个输入线 及两个输出线之间， 其输入端连接至 m相交流电 VI、 V2、 … V , 输出电压为 VO。
本发明装置中的功率半导体开关器件组， 还可以为一只或多只场效应管、 IGCT、 IGBT、 MCT、 SIT, 或者为一只或多只场效应管、 IGCT、 IGBT、 MCT、 SIT与一只或 多只二极管组成。
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 17 所示的实施例电路为例。
图 11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、 tl、 t2、 t3， 并首先将图 8中 t0〜tl时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压。
选取图 17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 17中变换模块 1的双肉可控整流电路， 假定该电路的三相输入电压分别为： va=uksin( ω t)；
vb=uksin( ω t-2/3 π );
vc=uksin( ω t-4/3 π )；
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 t =t0时刻开通时， 其输出电压波形在 t0〜tl时间内为 （va-vb); 当可控硅
11、 15在 c t =t0时刻开通时， 其输出电压波形在 t0〜tl时间内为 （vb-vc); 当可控硅
12、 13在 t =t0时刻开通， 而可控硅 14在 " t =5/6 π时刻开通， 则其输出电压波形为 (vc-va) (当 " t =ΐ0〜5/6 π时)及（VC-Vb) (当 o t =5/6 π〜 时)。 在本例中选取变换模 块 1的输出电压波形为 （va-vb) (当 wt =t0〜2/3 π时)及 （va-vc) (当 αη =2/3 π〜tl时)， 如图 12所示， 对应可控硅开关状态为： 可控硅 10、 14在 co t =t0时刻开通及可控硅 15 W
在 o =2/3 π时刻开通。 按此方法选取变换模块 2的输出电压波形如图 13所示， 变换 模块 3的输出电压波形如图 14所示， 变换模块 4的输出电压波形如图 15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 16所示的电压波形。 将此波形在 tO〜tl时间段内与 tO〜tl时间段的 给定参考电压 （如图 11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 to〜 tl 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。

Claims (7)

  1. 权 利 要 求
    1、 一种交流至交流的波形变换装置， 其特征在于该装置由 n个变换模块组成， 每 个变换模块的输入端分别连接至相互间电气绝缘的 n组、每组相数为 m的交流电，每个 变换模块的输出端串联连接， 从而形成一个总的输出电压， 每个变换模块由功率半导体 开关器件或功率半导体开关器件组组成，连接成一个输出电压极性可变的 m相双向可控 整流电路。
    ' 2、 如权利要求 1所述的交流至交流的波形变换装置， 其特征在于所述的变换模块 为一个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相全波双向可控整流电路， 所述的 m相全波双向可控整流电路由 2xm个功率半导体 开关器件或功率半导体开关器件组组成，每个功率半导体开关器件或功率半导体开关器 件组分别连接在 m个输入线及两个输出线之间。
  2. 3、 如权利要求 1所述的交流至交流的波形变换装置， 其特征在于所述的变换模块 为一个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， 所述的 m相半波双向可控整流电路由 m+1个功率半导体 开关器件或功率半导体开关器件组组成，其中 m个功率半导体开关器件或功率半导体开 关器件组分别连接在 m个输入线及输出线之间， 1个功率半导体开关器件或功率半导体 开关器件组连接在输入中线及输出线之间。
  3. 4、 如权利要求 1所述的交流至交流的波形变换装置， 其特征在于所述变换模块为 一个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 相双向半可控整流电路， 所述的 m相双向半可控整流电路由 2xm个功率半导体开关器 件或功率半导体开关器件组组成，每个功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组分 别连接在 m个输入线及 2个输出线之间。
  4. 5、 如权利要求 2、 3所述的交流至交流的波形变换装置， 其特征在于所述的功率半 导体开关器件为双向晶闸管。
  5. 6、如权利要求 2、 3所述的交流至交流的波形变换装置， 其特征在于所述的功率半 导体开关器件组为正反向并联的单向晶闸管或正反向串联的 IGBT。
    7、 如权利要求 2、 3、 4所述的交流至交流的波形变换装置， 其特征在于所述的功 率半导体开关器件组为正反向并联的可关断晶闸管或 IGCT, 或正反向串联的可关断晶 闸管或 IGCT。
  6. 8 、 一种交流至交流的波形变换方法， 其特征在于该方法包括以下步骤：
    1 )设定一个需要输出的正弦波电压，按一定的时间段，将正弦波依次分为时间段 to, tl、 t2、 t3至 ti， 选取其中 t0〜tl时间段的电压波形作为给定参考电压；
    2)在相互间电气绝缘的 n组、 每组相数为 m的交流电中选取 j组作为当前输入电 压， 其中的 j ^n;
    3 )对其余 n— j组 m相交流电进行双向可控整流， 使其输出电压为 0;
    4)对于上述所选取的 j组相互间电气绝缘的、 每组相数为 m的交流电， 分别在 j 组 m相的交流电压经双向可控整流后、 在时间段 t0〜tl 内所能输出的所有电压波形中， 各选取一个电压波形，从而得到分别由 j组相互间电气绝缘的、每组相数为 m的交流电， 经双向可控整流变换而产生的 j个电压波形；
    5 )将上述 j个电压波形相加， 得到一个总的计算输出电压；
    6)将上述在时间段 t0〜tl 内的计算输出电压与上述给定的参考电压相比较， 在上 述相互间电气绝缘的 n组、每组相数为 m的交流电中选取不同组的 m相交流电作为当前 输入电压， 在各组 m相交流电中， 选取不同的经双向可控整流变换的电压波形， 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， 并使输出电压总谐波含量最小或 某些高次谐波含量尽可能小， 或者使输入 n组交流电的电流之和总谐波含量最小或某些 高次谐波含量尽可能小， 或者使输入 n组各交流电的超前或者滞后的功率因数的平均值 尽可能大；
    7)按上述所选定的各 m相交流电相对应的电压波形， 确定各双向可控整流的工作 状态， 并使其按上述所确定的工作状态进行双向可控整流；
    8)分别选取 tl〜t2、 t2〜t3、 ti-l〜ti时间段的给定期望电压波形作为给定参考 电压， 重复上述第二至第八步， 得到所需要的交流输出电压。
  7. 9、如权利要求 8所述的交流至交流的波形变换方法，其特征在于所述的相互间电气 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。
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