CN208094445U - 矢量合360°相位和幅值可控交流变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其包括依次连接的三相输入变压模块、单相Buck交流单元电路模块和LC输出滤波器；所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压；所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路，所述A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路的输出依次串联。本实用新型能够分别连续地调节输出电压的相位和幅值，且输出电压的相位角能在[0⁰,360⁰]范围内进行调节，极大地降低了设备的故障率，延长设备的生命周期，以及降低维修费用，能够方便地接入高压电网，从而可对高压电网中的电能进行传输控制。

Description

矢量合360°相位和幅值可控交流变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种矢量合360°相位和幅值可控交流变换器。

背景技术

交流变换技术是将一种交流电能转换为另一种交流电能的技术。

AC-DC-AC交流变换器为两级电路结构，一般可同时具有升降压幅值调节和相位调节能力，但其中间直流母线电容一般容易导致变换器设备故障率高、生命周期短以及维修费用高等问题。

在同频变换和不需要电气隔离的应用场合，相比于其它AC-AC交流变换技术，在体积重量、音频噪声、电路结构、控制策略、变换效率、网侧功率因数、网侧电流谐波含量、输出电压波形质量、动态性能及可靠性等方面，Buck型、Boost型和Buck-Boost型AC-AC交流变换器具有相对的综合优势。但Buck型、Boost型以及衍生出来的Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta等AC-AC交流变换器只能升降压，即只能调节幅值，而不具有相位调节能力。

为了使AC-AC交流变换器既能升降压调节幅值，又可调节相位，本领域技术人员在Buck-Boost级联型AC-AC交流变换器的基础上提出在前级占空比中加入2倍频交流分量（“相位和幅值可控电压调节器”，《中国电机工程学报》，2010，Vol.30，No.36，pp.86~92），让前级控制相位，后级控制幅值，但是其控制策略略显复杂，且为两级电路结构，电路中存在三次谐波电流和三次谐波电压，再者该电路的输出电压相位角只能在[-30⁰,30⁰]范围内进行调节。

因此，设计一种新型结构的矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，使其更具有产业上的应用价值，该电路结构只有一级，输出电压的相位角能在[0⁰,360⁰]范围内进行调节。

发明内容

本实用新型的发明目的是提供一种矢量合360°相位和幅值可控交流变换器。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其包括依次连接的三相输入变压模块、单相Buck交流单元电路模块和LC输出滤波器；

所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压；

所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路，所述A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路的输出依次串联。

上述技术方案中，所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组。

上述技术方案中，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的一次侧为三角形连接或星形连接；

所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的A相输出端连接到A相Buck交流单元电路的输入端，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的B相输出端连接到B相Buck交流单元电路的输入端, 所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的C相输出端连接到C相Buck交流单元电路的输入端。

上述技术方案中，所述A相Buck交流单元电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连，所述第三开关管的发射极和第四开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极相连，所述第一开关管的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端的第一输出端点，所述第四开关管的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端的第二输出端点，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极连接到LC输出滤波器的滤波电感的前端；

所述B相Buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端的第一输出端点，所述第八开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端的第二输出端点；

所述C相Buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管，所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端的第一输出端点，所述第十二开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端的第二输出端点；

所述第四开关管的集电极连接到第六开关管的集电极和第七开关管的集电极的公共端，所述第八开关管的集电极连接到第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极的公共端。

上述技术方案中，所述LC输出滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容；

所述输出滤波电感的输入端与第二开关管的集电极和第三开关管的集电极相连，所述输出滤波电感的输出端与输出滤波电容一端相连，所述输出滤波电容的另一端与第十二开关管的集电极相连。

本实用新型在工作时，根据预设的三相交流输入电压、三相输入变压模块输入端的连接方式和匝比得到交流变换器，通过调整所述交流变换器的A相Buck交流单元电路的占空比、B相Buck交流单元电路的占空比和C相Buck交流单元电路的占空比来确定交流输出电压的幅值和相位，使得交流输出电压的相量的相位角和幅值分别在三个不同的沿周向连续的区间范围内变化，且该三个区间之和为360°。

上文中，所述的三个区间沿周向连续是指相邻两个区间有且仅有边界是重合的。

本实用新型的工作原理为：当A相Buck交流单元电路的输入电压为正时，第一开关管、第三开关管高频互补导通，第二开关管、第四开关管恒导通，而当A相Buck交流单元电路的输入电压为负时，第一开关管、第三开关管恒导通，第二开关管、第四开关管高频互补导通；当B相Buck交流单元电路的输入电压为正时，第五开关管、第七开关管高频互补导通，第六开关管、第八开关管恒导通，而当B相Buck交流单元电路的输入电压为负时，第五开关管、第七开关管恒导通，第六开关管、第八开关管高频互补导通；当C相Buck交流单元电路的输入电压为正时，第九开关管、第十一开关管高频互补导通，第十开关管、第十二开关管恒导通，而当C相Buck交流单元电路的输入电压为负时，第九开关管、第十一开关管恒导通，第十开关管、第十二开关管高频互补导通。

A相、B相、C相三个单相Buck交流单元电路的输出电压中均包含高频电压分量、基波电压分量；而LC输出滤波器滤除高频电压分量，在输出滤波电容两端得到只含有基波分量的输出电压；相对于交流输入电压，交流输出电压的幅值和相位由三相输入变压器或三相输入变压器组的输入端的连接方式、匝比和各相Buck交流单元电路的占空比确定。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1．本实用新型可分别地对输出电压的幅值和相位进行连续调节，且输出电压的相位角能在[0⁰,360⁰]范围内进行调节，其电路拓扑结构简单、控制策略容易实现，并提高了变换器的效率和可靠性，由于不含有高故障率的中间直流母线储能元件（电容），极大地降低了设备的故障率，延长设备的生命周期，以及降低维修费用；

2．本实用新型采用三相输入变压器或三相输入变压器组，使得矢量合360°相位和幅值可控交流变换器能够方便地接入高压电网，从而可对高压电网中的电能进行传输控制；

3．本实用新型对应三个不同的输出电压相位调节区间，[0⁰,120⁰]，[120⁰,240⁰]，[240⁰,360⁰]，组合得到[0⁰,360⁰]相位调节区间。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的矢量合360°相位和幅值可控交流变换器的拓扑图。

图2是本实用新型实施例一的可控交流变换器的相位和幅值可调范围的示意图。

图3是本实用新型实施例一的在一个基波电压周期内，A相各开关管驱动信号图。

其中：1、三相交流输入电压；2、三相输入变压模块；3、单相Buck交流单元电路模块；4、LC输出滤波器；5、交流输出电压；6、A相Buck交流单元电路；7、B相Buck交流单元电路；8、C相Buck交流单元电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：

参见图1所示，一种矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其包括依次连接的三相输入变压模块2、单相Buck交流单元电路模块3和LC输出滤波器4；

所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压1；

所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路6、B相Buck交流单元电路7和C相Buck交流单元电路8，所述A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路的输出依次串联。

本实施例中，所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组。

所述三相输入变压器或三相输入变压器组的一次侧为三角形连接或星形连接，其将一次侧三相交流电隔离变压后，在二次侧供A相、B相、C相三个Buck交流单元处理；

具体为，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的A相输出端连接到A相Buck交流单元电路的输入端，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的B相输出端连接到B相Buck交流单元电路的输入端, 所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的C相输出端连接到C相Buck交流单元电路的输入端。

所述A相Buck交流单元电路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和第四开关管S₄，所述第一开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的发射极相连，所述第三开关管S₃的发射极和第四开关管S₄的发射极相连，所述第二开关管S₂的集电极和第三开关管S₃的集电极相连，所述第一开关管S₁的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端的第一输出端点A1，所述第四开关管S₄的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端的第二输出端点A2，所述第二开关管S₂的集电极和第三开关管S₃的集电极连接到LC输出滤波器的滤波电感L_f的前端；

所述B相Buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管（图1中用框图表示），所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端的第一输出端点B1，所述第八开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端的第二输出端点B2；

所述C相Buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管（图1中用框图表示），所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端的第一输出端点C1，所述第十二开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端的第二输出端点C2；

所述第四开关管S₄的集电极连接到第六开关管的集电极和第七开关管的集电极的公共端，所述第八开关管的集电极连接到第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极的公共端。

本实施例中所用开关管均为IGBT开关管，然而本实用新型并不仅限于使用IGBT开关管，还可以用MOSFET开关管等进行替换，以MOSFET开关管为例，此时，MOSFET开关管的源极对应IGBT开关管的发射极，MOSFET开关管的漏极对应IGBT开关管的集电极。

所述LC输出滤波器用于滤除单相Buck交流单元电路模块中因开关管高频通断产生的高频谐波分量,包括输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f；

所述输出滤波电感L_f的输入端与第二开关管S₂的集电极和第三开关管S₃的集电极相连，所述输出滤波电感L_f的输出端与输出滤波电容C_f一端相连，所述输出滤波电容C_f的另一端与第十二开关管的集电极相连。

本实用新型在工作时，根据预设的三相交流输入电压、三相输入变压模块输入端的连接方式和匝比得到交流变换器，通过调整所述交流变换器的A相Buck交流单元电路的占空比、B相Buck交流单元电路的占空比和C相Buck交流单元电路的占空比来确定交流输出电压的幅值和相位，使得交流输出电压的相量的相位角和幅值分别在三个不同的沿周向连续的区间范围内变化，且该三个区间之和为360°。

参见图2所示，使所述B相Buck交流单元电路的占空比为零，控制A相Buck交流单元电路的占空比和C相Buck交流单元电路的占空比，控制输出电压的相量的相位角和幅值在第一区间①范围内变化；

使所述C相Buck交流单元电路的占空比为零，控制A相Buck交流单元电路的占空比和B相Buck交流单元电路的占空比，控制输出电压的相量的相位角和幅值在第二区间②范围内变化；

使所述A相Buck交流单元电路的占空比为零，控制B相Buck交流单元电路的占空比和C相Buck交流单元电路的占空比，控制输出电压的相量的相位角和幅值在第三区间③范围内变化，

所述第一区间①、第二区间②和第三区间③沿周向连续且其和为360°。

其中，所述第一区间①为[0⁰,120⁰]，所述第二区间②为[240⁰,360⁰]，所述第三区间③为[120⁰,240⁰]。

具体地，设A相Buck交流单元输入电压为u _ia1=U_iA1sinωt，B相Buck交流单元输入电压为u _ib1=U_iB1sin(ωt-120°)，C相Buck交流单元输入电压u _ic1=U_iC1sin(ωt+120°)；若期望交流输出电压u _o的相位在第一区间①内，则u _o=u _ic1 d _c +u _ia1 d _a ，其中B相占空比d _b =0；若期望交流输出电压的相位在第二区间②内，则u _o=u _ib1 d _b +u _ia1 d _a ，其中C相占空比d _c =0；若期望输出电压的相位在第三区间③内，则u _o=u _ib1 d _b +u _ic1 d _c ，其中A相占空比d _a =0；若输出电压的相位在区间①、②、③内变化，则u _o=u _ia1 d _a +u _ib1 d _b +u _ic1 d _c 。以第一区间①为例，u _o=u _ic1 d _c +u _ia1 d _a =u _oc1+ u _oa1，其中u _oc1为C相Buck交流单元电路输出端的基波分量，u _oa1为A相Buck交流单元电路输出端的基波分量，u _o为交流输出电压。

参见图3所示，以A相Buck交流单元电路为例，给出了一个基波电压周期内A相各开关管驱动信号时序。当A相Buck交流单元电路的输入电压u _ia1为正时，第一开关管S₁、第三开关管S₃高频互补导通，第二开关管S₂、第四开关管S₄恒导通，而当A相Buck交流单元电路的输入电压u _ia1为负时，第一开关管S₁、第三开关管S₃恒导通，第二开关管S₂、第四开关管S₄高频互补导通。类似的，当B相Buck交流单元电路的输入电压u _ib1为正时，第五开关管、第七开关管高频互补导通，第六开关管、第八开关管恒导通，而当B相Buck交流单元电路的输入电压u _ib1为负时，第五开关管、第七开关管恒导通，第六开关管、第八开关管高频互补导通；当C相Buck交流单元电路的输入电压u _ic1为正时，第九开关管、第十一开关管高频互补导通，第十开关管、第十二开关管恒导通，而当C相Buck交流单元电路的输入电压u _ic1为负时，第九开关管、第十一开关管恒导通，第十开关管、第十二开关管高频互补导通。

A相、B相、C相三个单相Buck交流单元电路的输出电压中均包含高频电压分量、基波电压分量；而LC输出滤波器滤除高频电压分量；相对于三相交流输入电压，交流输出电压的幅值和相位由三相输入交流电压、三相输入变压器或三相输入变压器组T_i输入端的连接方式、匝比和各相占空比确定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：其包括依次连接的三相输入变压模块、单相Buck交流单元电路模块和LC输出滤波器；

所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压；

所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路，所述A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路的输出依次串联。

2.根据权利要求1所述的矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组。

3.根据权利要求2所述的矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述三相输入变压器或三相输入变压器组的一次侧为三角形连接或星形连接；

所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的A相输出端连接到A相Buck交流单元电路的输入端，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的B相输出端连接到B相Buck交流单元电路的输入端, 所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的C相输出端连接到C相Buck交流单元电路的输入端。

4.根据权利要求1所述的矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述A相Buck交流单元电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连，所述第三开关管的发射极和第四开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极相连，所述第一开关管的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端的第一输出端点，所述第四开关管的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端的第二输出端点，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极连接到LC输出滤波器的滤波电感的前端；

所述B相Buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端的第一输出端点，所述第八开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端的第二输出端点；

所述C相Buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管，所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端的第一输出端点，所述第十二开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端的第二输出端点；

所述第四开关管的集电极连接到第六开关管的集电极和第七开关管的集电极的公共端，所述第八开关管的集电极连接到第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极的公共端。

5.根据权利要求4所述的矢量合360°相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述LC输出滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容；

所述输出滤波电感的输入端与第二开关管的集电极和第三开关管的集电极相连，所述输出滤波电感的输出端与输出滤波电容一端相连，所述输出滤波电容的另一端与第十二开关管的集电极相连。