CN1488188B - 一种波形变换方法及其装置 - 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，其中，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相全波双向可控整流电路；并且所述的m相全波双向可控整流电路由2×m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；所述的功率半导体开关器件为双向晶闸管。
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；其中，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相全波双向可控整流电路；并且所述的m相全波双向可控整流电路由2×m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；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。
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；其中，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相半波双向可控整流电路；并且所述的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；所述的功率半导体开关器件为双向晶闸管。
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；其中，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相半波双向可控整流电路；并且所述的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；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。
本发明提出的交流至交流的波形变换方法，包括以下步骤：
第一步：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点t0，t1、t2、t3至ti，其中t0为起始点，ti为终点，选取其中t0～t1时间段的电压波形作为给定参考电压；
第二步：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；
第三步：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；
第四步：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～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；
第五步：将上述j个电压波形相加，得到一个总的计算输出电压；
第六步：将上述在时间段t0～t1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k组的m相交流电作为当前输入电压，在k组中的各组m相交流电中，选取一个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，从而使得输出谐波电压最小；
第七步：按上述所选定的k组中的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；
第八步：分别选取t1～t2、t2～t3、……、ti-1～ti时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压；
第九步：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。
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V11、V21、……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K1、开关器件K2、……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V1、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K1、开关器件K2、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V1、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K1、开关器件K2、……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V1、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K1、双向可控硅K2、……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V1、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K1、开关器件K2、……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V1、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K1、开关器件K2、……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V1、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K1、开关器件K2、……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V1、V2、……VM，输出电压为VO。
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。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K1、开关器件K2、……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V1、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闸管或IGCT，由此组成的开关器件K1、开关器件K2、……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V1、V2、……VM，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，将其按时间分为t0、t1、t2、t3这四个时间点，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12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t0～t1时间段内与t0～t1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。

Claims (6)

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；
其中，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相全波双向可控整流电路；并且
所述的m相全波双向可控整流电路由2×m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；
所述的功率半导体开关器件为双向晶闸管。
2.一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；
其中，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相全波双向可控整流电路；并且
所述的m相全波双向可控整流电路由2×m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；
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。
3.一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；
其中，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相半波双向可控整流电路；并且
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；
所述的功率半导体开关器件为双向晶闸管。
4.一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；
其中，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相半波双向可控整流电路；并且
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；
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。
5.一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：
第一步：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点t0，t1、t2、t3至ti，其中t0为起始点，ti为终点，选取其中t0～t1时间段的电压波形作为给定参考电压；
第二步：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；
第三步：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；
第四步：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～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；
第五步：将上述j个电压波形相加，得到一个总的计算输出电压；
第六步：将上述在时间段t0～t1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k组的m相交流电作为当前输入电压，在k组中的各组m相交流电中，选取一个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，从而使得输出谐波电压最小；
第七步：按上述所选定的k组中的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；
第八步：分别选取t1～t2、t2～t3、……、ti-1～ti时间段的给定期望电压波形作为给定参考电压；
第九步：重复上述第二至第八步，得到所需要的交流输出电压。
6.如权利要求5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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