CN205544284U - 基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路 - Google Patents

Abstract

一种基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路，包括一个三相桥式逆变单元、电容单元和六个功率开关管与二极管集成单元；六个功率开关管与二极管集成单元为功率开关管与二极管集成单元一～功率开关管与二极管集成单元六；功率开关管与二极管集成单元一的输出端、功率开关管与二极管集成单元三的输出端和功率开关管与二极管集成单元五的输出端依次相连，功率开关管与二极管集成单元二的输出端、功率开关管与二极管集成单元四的输出端和功率开关管与二极管集成单元六的输出端依次相连；电容单元并联所述三相桥式逆变单元，六个所述功率开关管与二极管集成单元的输出端与所述电容单元连接。本实用新型结构简单，实现高电平输出，滤波效果好，输出波形稳定，且所需器件少，降低了损耗且减小了封装体积。

Description

基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路

技术领域

本实用新型涉及一种滤波器电路，尤其涉及一种基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路。

背景技术

有源电力滤波器作为一种新型的谐波和无功补偿装置，可以实现动态补偿。目前，多电平有源电力滤波器的主电路应用最为广泛的主要有二极管钳位式和飞跨电容钳位式。可这些主电路拓扑结构需要功率开关管的数量较多，这就增大了多电平有源电力滤波器的开关损耗和装置体积，也大大提高了装置的成本。

国家知识产权局2015-3-11公开了一项实用新型专利申请（申请号：2014107564236，名称：一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统及其控制方法）采用了级联式，使用的开关管器件少，功耗小，但是，只能实现双电平有源滤波，随着用电环境的变化，已经不能满足高压、大功率、特别是高频化的工作要求。

国家知识产权局2015-5-20公开的一项实用新型专利申请（申请号：2015100691644，名称：一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统）公开了一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，该系统只能实现三电平滤波，输出电压等级低，且输出波形波动大，对电能质量损害大。采用级联，直流侧电容器件多，控制算法复杂。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提供了一种开关损耗小、输出电平数目多、输出电压等级高、输出波形波动小，对电能质量损害小、直流侧电容器件少、控制算法简单、装置体积小、成本低的基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路及其工作方法。

本实用新型的技术方案是：包括一个三相桥式逆变单元、电容单元和六个功率开关管与二极管集成单元；

六个所述功率开关管与二极管集成单元包括功率开关管与二极管集成单元一～功率开关管与二极管集成单元六；

所述功率开关管与二极管集成单元一和功率开关管与二极管集成单元二的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的A相输出端相连，功率开关管与二极管集成单元三和功率开关管与二极管集成单元四的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的B相输出端相连，功率开关管与二极管集成单元五和功率开关管与二极管集成单元六的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的C相输出端相连；

所述功率开关管与二极管集成单元一的输出端、功率开关管与二极管集成单元三的输出端相连和功率开关管与二极管集成单元五的输出端依次相连，所述功率开关管与二极管集成单元二的输出端、功率开关管与二极管集成单元四的输出端和功率开关管与二极管集成单元六的输出端依次相连；

所述电容单元并联所述三相桥式逆变单元，六个所述功率开关管与二极管集成单元的输出端与所述电容单元连接。

所述电容单元包括电容一、电容二和电容三，所述电容一、电容二和电容三正向串联；

所述功率开关管与二极管集成单元一的输出端连接于所述电容一和电容二之间，所述功率开关管与二极管集成单元二的输出端连接于所述电容二和电容三之间。

所述三相桥式逆变单元包括六个带反并联二极管的功率开关管，六个所述带反并联二极管的功率开关管为带反并联二极管的功率开关管一～带反并联二极管的功率开关管六；

所述带反并联二极管的功率开关管一的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管二的集电极相连，所述带反并联二极管的功率开关管三的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管四的集电极相连，所述带反并联二极管的功率开关管五的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管六的集电极相连；

所述带反并联二极管的功率开关管一的集电极、带反并联二极管的功率开关管三的集电极和带反并联二极管的功率开关管五的集电极依次相连；

所述带反并联二极管的功率开关管二的发射极、带反并联二极管的功率开关管四的发射极和带反并联二极管的功率开关管六的发射极依次相连；

所述带反并联二极管的功率开关管一的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管二的集电极之间设有A相输出端，所述带反并联二极管的功率开关管三的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管四的集电极之间设有B相输出端，所述带反并联二极管的功率开关管五的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管六的集电极之间设有C相输出端；

所述带反并联二极管的功率开关管五的集电极与所述带反并联二极管的功率开关管六的发射极之间连接有直流侧电源。

所述功率开关管与二极管集成单元包括二极管一、二极管二、二极管三、二极管四和功率开关管，所述二极管一的正极端与二极管二的负极端相连，所述二极管三的正极端与二极管四的负极端相连；

所述二极管一的负极端与所述功率开关管的集电极连接，所述二极管二的正极端与所述功率开关管的发射极连接；

所述二极管三的负极端与所述功率开关管的集电极连接，所述二极管四的正极端与所述功率开关管的发射极连接；

所述二极管一的正极端与二极管二的负极端之间设有所述输入端，所述二极管三的正极端与二极管四的负极端之间设有所述输出端。

所述功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

所述电容一、电容二和电容三均为电解电容，所述电容一的电容值、电容二的电容值和电容三的电容值相等。

本实用新型中利用六组功率开关管与二极管集成单元与三相桥式逆变电路的组合连接，实现四电平滤波，与传统的二极管钳位式有源滤波电路相比，本实用新型减少功率开关管的使用数量，使得在工作过程中开关损耗小，且由于在工作过程中的开关损耗小，使得本实用新型在应用过程中提升了稳定性和工作效率。六组功率开关管与二极管集成单元与三相桥式逆变电路中的六组带反并联二极管的功率开关管使本实用新型在工作时存在四种不同的工作模式，即可同时输出四电平，实现四电平滤波。与现有技术相比，滤波效果好。

本实用新型与传统的飞跨电容钳位式有源滤波电路相比，减少了直流侧电容和功率开关的使用数量，降低了有源电力滤波器的开关损耗，增加了本实用新型在应用过程中的稳定性，降低了成本。由于直流侧电容器件少，所使用的控制算法简单。由于减少了器件，所以降低了有源电力滤波器主电路的封装难度和体积。

本实用新型能够实现四电平滤波，与级联式有源滤波电路相比，输出和耐受电压等级高，适应了现阶段高电压、大功率和高频化的滤波需求，应用更加广泛。且与级联式有源滤波电路相比，构造简单，相对应的控制算法简单，且由于所需器件少，输出波形稳定、波动小。总之，本实用新型结构简单，实现高电平输出，滤波效果好，输出波形稳定，且所需器件少，降低了损耗且减小了封装体积。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图，

图2是本实用新型中三相桥式逆变单元的连接结构示意图，

图3是本实用新型中功率开关管与二极管集成单元的连接结构示意图，

图4是本实用新型的A相有源滤波电路连接结构示意图，

图4A是本实用新型的A相有源滤波电路的工作状态示意图一，

图4B是本实用新型的A相有源滤波电路的工作状态示意图二，

图4C是本实用新型的A相有源滤波电路的工作状态示意图三，

图4D是本实用新型的A相有源滤波电路的工作状态示意图四，

图5是本实用新型连接到电网上的连接结构示意图，

图6是现有技术中飞跨电容型有源滤波电路连接结构示意图，

图7是现有技术中二极管钳位型有源滤波电路连接结构示意图；

图中VT是功率开关管与二极管集成单元，

VT1是功率开关管与二极管集成单元一，

VT2是功率开关管与二极管集成单元二，

VT3是功率开关管与二极管集成单元三，

VT4是功率开关管与二极管集成单元四，

VT5是功率开关管与二极管集成单元五，

VT6是功率开关管与二极管集成单元六，

S1是带反并联二极管的功率开关管一，

S2是带反并联二极管的功率开关管二，

S3是带反并联二极管的功率开关管三，

S4是带反并联二极管的功率开关管四，

S5是带反并联二极管的功率开关管五，

S6是带反并联二极管的功率开关管六，

C1是电容一，C2是电容二，C3是电容三，

VS是直流侧电源，

D1是二极管一，D2是二极管二，D3是二极管三，D4是二极管四，

T是功率开关管，L是电感模块。

具体实施方式

本实用新型如图1所示，包括一个三相桥式逆变单元、电容单元和六个功率开关管与二极管集成单元VT；

六个所述功率开关管与二极管集成单元为功率开关管与二极管集成单元一VT1～功率开关管与二极管集成单元六VT6；

所述功率开关管与二极管集成单元一VT1和功率开关管与二极管集成单元二VT2的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的A相输出端相连，功率开关管与二极管集成单元三VT3和功率开关管与二极管集成单元四VT4的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的B相输出端相连，功率开关管与二极管集成单元五和功率开关管与二极管集成单元六的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的C相输出端相连；

所述功率开关管与二极管集成单元一VT1的输出端、功率开关管与二极管集成单元三VT3的输出端和功率开关管与二极管集成单元五VT5的输出端依次相连，所述功率开关管与二极管集成单元二VT2的输出端、功率开关管与二极管集成单元四VT4的输出端和功率开关管与二极管集成单元六VT6的输出端依次相连；

所述电容单元并联所述三相桥式逆变单元，六个所述功率开关管与二极管集成单元VT的输出端与所述电容单元连接。通过功率开关管与二极管集成单元中和逆变电路中功率开关管门极的通断，从而实现本实用新型的四种工作模式，也就是实现四电平输出。

所述电容单元包括电容一C1、电容二C2和电容三C3，所述电容一C1、电容二C2和电容三C3正向串联；

所述功率开关管与二极管集成单元一VT1的输出端连接于所述电容一C1和电容二C2之间，所述功率开关管与二极管集成单元二VT2的输出端连接于所述电容二C2和电容三C3之间。

电容一C1、电容二C2和电容三C3的电容值相等，电容一C1、电容二C2和电容三C3优选采用电解电容。由于电容具有储能作用所以利用正向串联的电容一C1、电容二C2和电容三C3替代单独的三相桥式逆变单元中的直流侧电源VS的作用。在上电的一瞬间电容模块储能。此时，本实用新型以整流器的模式工作，当电网出现谐波时，电容释放电能并产生相反的电流回馈电网将谐波抵消，提升电网输电质量。

如图2所示，所述三相桥式逆变单元包括六个带反并联二极管的功率开关管，六个所述带反并联二极管的功率开关管为带反并联二极管的功率开关管一S1～带反并联二极管的功率开关管六S6；

所述带反并联二极管的功率开关管一S1的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管二S2的集电极相连，所述带反并联二极管的功率开关管三S3的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管四S4的集电极相连，所述带反并联二极管的功率开关管五S5的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管六S6的集电极相连；

所述带反并联二极管的功率开关管一S1的集电极、带反并联二极管的功率开关管三S3的集电极和带反并联二极管的功率开关管五S5的集电极依次相连；

所述带反并联二极管的功率开关管二S2的发射极、带反并联二极管的功率开关管四S4的发射极和带反并联二极管的功率开关管六S6的发射极依次相连；

所述带反并联二极管的功率开关管一S1的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管二S2的集电极之间设有A相输出端，所述带反并联二极管的功率开关管三S3的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管四S4的集电极之间设有B相输出端，所述带反并联二极管的功率开关管五S5的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管六S6的集电极之间设有C相输出端；

所述带反并联二极管的功率开关管五S5的集电极与所述带反并联二极管的功率开关管六S6的发射极之间连接有直流侧电源VS，由于电容具有储能作用，本实用新型中利用正向串联的电容一C1、电容二C2和电容三C3替代直流侧电源VS。在上电时首先通过三相桥式逆变单元为直流侧电源VS充能，在本实用新型中依次串联的电容一C1、电容二C2和电容三C3替代了直流侧电源VS，为整个实用新型储能。

如图3所示，所述功率开关管与二极管集成单元包括二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4和功率开关管T，所述二极管一D1的正极端与二极管二D2的负极端相连，所述二极管三D3的正极端与二极管四D4的负极端相连；

所述二极管一D1的负极端与所述功率开关管T的集电极连接，所述二极管二D2的正极端与所述功率开关管T的发射极连接；

所述二极管三D3的负极端与所述功率开关管T的集电极连接，所述二极管四D4的正极端与所述功率开关管T的发射极连接；

所述二极管一D1的正极端与二极管二D2的负极端之间设有所述输入端，所述二极管三D3的正极端与二极管四D4的负极端之间设有所述输出端。六个功率开关管与二极管集成单元交替导通，从而形成不同的电流走向，实现四电平输出，输出电平数目多，滤波效果好。

所述功率开关管T优选采用绝缘栅双极型晶体管。在本实用新型中，由于需要实现交替导通，所以必须使用全控型器件，而绝缘栅双极型晶体管是一种典型的全控型器件，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，提升了本实用新型对高电压大功率的耐受能力，使得本实用新型应用场合更加广泛。

图4是本实用新型的A相有源滤波电路连接结构示意图，下面以A相为例，说明本实用新型的工作方式。

如图4A所示，带反并联二极管的功率开关管一导通，

A相电流经过带反并联二极管的功率开关管一的二极管和电容模块输出；

B相与Ａ相的工作方式相同，即B相电流经过带反并联二极管的功率开关管三的二极管和电容模块和电容模块输出；

C相电流经过带反并联二极管的功率开关管五的二极管和电容模块输出；

如图4B所示，带反并联二极管的功率开关管二、带反并联二极管的功率开关管四、带反并联二极管的功率开关管六导通，

A相电流经过带反并联二极管的功率开关管二的功率开关管输出；

B相电流经过带反并联二极管的功率开关管四的功率开关管输出；

C相电流经过带反并联二极管的功率开关管六的功率开关管输出；

如图4C所示，功率开关管与二极管集成单元一导通，

A相电流经过功率开关管与二极管集成单元一的二极管一、功率开关管与二极管集成单元一的功率开关管、功率开关管与二极管集成单元一的二极管四、电容二和电容三输出；此时A相

B相与Ａ相的工作方式相同，即B相电流经过功率开关管与二极管集成单元三的二极管一、功率开关管与二极管集成单元三的功率开关管、功率开关管与二极管集成单元三的二极管四、电容二和电容三输出；

Ｃ相与A相的工作方式相同，即C相电流经过功率开关管与二极管集成单元五的二极管一、功率开关管与二极管集成单元一的功率开关管、功率开关管与二极管集成单元一的二极管四、电容二和电容三输出；

如图4D所示，功率开关管与二极管集成单元二、功率开关管与二极管集成单元四、功率开关管与二极管集成单元六导通，

A相电流经过功率开关管与二极管集成单元二的二极管一、功率开关管与二极管集成单元二的功率开关管、功率开关管与二极管集成单元二的二极管四、电容二和电容三输出；

B相电流经过功率开关管与二极管集成单元四的二极管一、功率开关管与二极管集成单元四的功率开关管、功率开关管与二极管集成单元四的二极管四、电容二和电容三输出；

C相电流经过功率开关管与二极管集成单元六的二极管一、功率开关管与二极管集成单元六的功率开关管、功率开关管与二极管集成单元六的二极管四、电容二和电容三输出。A、B、C三相均能输出四电平，输出电平数多，滤波效果好。

本实用新型中利用六组功率开关管与二极管集成单元与三相桥式逆变电路的组合连接，实现四电平滤波，与传统的二极管钳位式有源滤波电路相比，本实用新型减少功率开关管的使用数量，使得在工作过程中开关损耗小，且由于在工作过程中的开关损耗小，使得本实用新型在应用过程中提升了稳定性和工作效率。六组功率开关管与二极管集成单元与三相桥式逆变电路中的六组带反并联二极管的功率开关管使本实用新型在工作时存在四种不同的工作模式，即可同时输出四电平，实现四电平滤波。与现有技术相比，滤波效果好。

本实用新型与传统的飞跨电容钳位式有源滤波电路相比，减少了直流侧电容和功率开关的使用数量，降低了有源电力滤波器的开关损耗，增加了本实用新型在应用过程中的稳定性，降低了成本。由于直流侧电容器件少，所使用的控制算法简单。由于减少了器件，所以降低了有源电力滤波器主电路的封装难度和体积。

本实用新型能够实现四电平滤波，与级联式有源滤波电路相比，输出和耐受电压等级高，适应了现阶段高电压、大功率和高频化的滤波需求，应用更加广泛。且与级联式有源滤波电路相比，构造简单，相对应的控制算法简单，且由于所需器件少，输出波形稳定、波动小。总之，本实用新型结构简单，实现高电平输出，滤波效果好，输出波形稳定，且所需器件少，降低了损耗且减小了封装体积。

Claims (6)

1.基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路，其特征在于，包括一个三相桥式逆变单元、电容单元和六个功率开关管与二极管集成单元；

六个所述功率开关管与二极管集成单元为功率开关管与二极管集成单元一～功率开关管与二极管集成单元六；

所述功率开关管与二极管集成单元一和功率开关管与二极管集成单元二的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的A相输出端相连，功率开关管与二极管集成单元三和功率开关管与二极管集成单元四的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的B相输出端相连，功率开关管与二极管集成单元五和功率开关管与二极管集成单元六的输入端分别与所述三相桥式逆变单元的C相输出端相连；

所述功率开关管与二极管集成单元一的输出端、功率开关管与二极管集成单元三的输出端和功率开关管与二极管集成单元五的输出端依次相连，所述功率开关管与二极管集成单元二的输出端、功率开关管与二极管集成单元四的输出端和功率开关管与二极管集成单元六的输出端依次相连；

所述电容单元并联所述三相桥式逆变单元，六个所述功率开关管与二极管集成单元的输出端与所述电容单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路，其特征在于，所述电容单元包括电容一、电容二和电容三，所述电容一、电容二和电容三正向串联；

所述功率开关管与二极管集成单元一的输出端连接于所述电容一和电容二之间，所述功率开关管与二极管集成单元二的输出端连接于所述电容二和电容三之间。

3.根据权利要求2所述的基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路，其特征在于，所述三相桥式逆变单元包括六个带反并联二极管的功率开关管，六个所述带反并联二极管的功率开关管为带反并联二极管的功率开关管一～带反并联二极管的功率开关管六；

所述带反并联二极管的功率开关管一的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管二的集电极相连，所述带反并联二极管的功率开关管三的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管四的集电极相连，所述带反并联二极管的功率开关管五的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管六的集电极相连；

所述带反并联二极管的功率开关管一的集电极、带反并联二极管的功率开关管三的集电极和带反并联二极管的功率开关管五的集电极依次相连；

所述带反并联二极管的功率开关管二的发射极、带反并联二极管的功率开关管四的发射极和带反并联二极管的功率开关管六的发射极依次相连；

所述带反并联二极管的功率开关管一的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管二的集电极之间设有A相输出端，所述带反并联二极管的功率开关管三的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管四的集电极之间设有B相输出端，所述带反并联二极管的功率开关管五的发射极与所述带反并联二极管的功率开关管六的集电极之间设有C相输出端；

所述带反并联二极管的功率开关管五的集电极与所述带反并联二极管的功率开关管六的发射极之间连接有直流侧电源。

4.根据权利要求3所述的基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路，其特征在于，所述功率开关管与二极管集成单元包括二极管一、二极管二、二极管三、二极管四和功率开关管，所述二极管一的正极端与二极管二的负极端相连，所述二极管三的正极端与二极管四的负极端相连；

所述二极管一的负极端与所述功率开关管的集电极连接，所述二极管二的正极端与所述功率开关管的发射极连接；

所述二极管三的负极端与所述功率开关管的集电极连接，所述二极管四的正极端与所述功率开关管的发射极连接；

所述二极管一的正极端与二极管二的负极端之间设有所述输入端，所述二极管三的正极端与二极管四的负极端之间设有所述输出端。

5.根据权利要求4所述的基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路，其特征在于，所述功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

6.根据权利要求4所述的基于三相桥式逆变电路的有源电力滤波器电路，其特征在于，所述电容一、电容二和电容三均为电解电容，所述电容一的电容值、电容二的电容值和电容三的电容值相等。