CN85107714A - 带有自截止器件的电流源变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种电流源变换装置;它有由自截止器件构成的三相AC-DC变流器,用于将三相交流电变成直流电;它还有一个经直流电抗器与变流器相连的DC-AC逆变器,用于将直流电再次转变成交流电并供给负载。当检测到交流电源断电信息时,交流电源与AC-DC变流器分离,并将电池接在AC-DC变流器输入端的任意两相之间。电池的能量通过切换AC-DC变流器中相应的自截止器件而断续地供给逆变器,并且通过改变切换操作的占空率加以控制。

Description

本发明涉及一种带有自截止器件的电流源变换装置,特别是包含一个交流-直流变流器和一个直流-交流逆变器的电源变换装置。交流-直流变流器把从交流电源得到的交流电转换成直流电,而直流-交流逆变器通过直流电抗器与交流-直流变流器相联,把直流电再转换成交流电,并将再次转换得到的电能提供给负载。甚至在发生交流电源供电中断的时候,该装置也能使直流-交流逆变器继续工作。
即使交流电源供电中断,仍然要求接在交流电源端的电源变换装置必须继续工作一段时间。例如,电梯的驱动电动机就需要继续工作,直到在断电的时候正在运行的电梯箱体安全地到达最近的一层楼为止。向这样的驱动电动机提供电源的电源变换装置不得不继续提供必需的电能,它的性能多少有所下降。
通常有两种电源变换装置为人们所知:一种是所谓的电压源型,另一种是所谓的电流源型。基于以下原因,电压源型的电源变换装置用得更为频繁。
在电压源变换装置中,并不要求它所包括的交流-直流变流器能够控制其输出的直流电压。交流-直流变流器,只要是输出恒定的直流电压就足够了,因为施加到负载上的电压,可以很容易地由联接到交流-直流变流器的直流-交流逆变器来进行控制。因此,在交流电源供电中断的时候,交流-直流变流器就由电池来代替,它能向直流-交流逆变器提供恒定的直流电压,并且负载上所加的交流电压可以由直流-交流逆变器的通常的控制方法予以控制。
然而,当电压源变换装置进行再生运行时,提供另一个单独用于再生运行的变流器就变得必要了。另一方面,在电流源变换装置中,仅仅依靠一个变流器的选通控制而不需要另外的变流器,电源变换装置就能完成再生运行。因此,当需要进行再生运行时,就采用电流源变换装置。
不过与电压源型的情形相反,用于电流源变换装置中的直流-交流逆变器难于控制其输出的交流电压。实际应用中,这种控制几乎是不可能做到的。因此,通过一个直流电抗器与直流-交流逆变器相联的交流-直流变流器不得不对作为电流源变换装置最终输出的、加到负载上的交流电压起控制作用。这就是说,供给直流-交流逆变器的直流电压必须由交流-直流变流器控制。因此,当交流电源供电中断时,仅仅依靠将交流-直流变流器用电池来代替是不可能使直流-交流逆变器继续工作的。然而用电池替换交流-直流变流器的方法能够使直流-交流逆变器在上述的电压源变换装置中发生电源供电中断的情况下继续工作。
目前,在一常规的实例中,带有自截止器件的电流源变换装置采用直流短路工作方式,通过将交流变成直流来进行通常的直流电压控制为了使这种电流源变换装置在交流电源供电中断时仍能继续工作,就要将电池连接到该设备上,并且必须通过直流-直流变换完成对直流电压的控制。然而,由于直流-直流变换需要有一个续流二极管,所以通常的转换器的主电路结构就不适于控制直流电压了。此外,一旦将续流二极管接到交流-直流变流器的输出端,就会产生这样的缺点,即不可能在通常的工作中实行再生运行。
本发明的一个目的是提供一种电流源变换装置,它包括一个与交流电源相连的交流-直流变流器和一个通过直流电抗器从交流-直流变流器得到直流电源的直流-交流逆变器。交流-直流变流器至少由自截止器件所组成,并且在交流电源供电中断的时候,它能通过电池提供直流电,而使直流-交流逆变器继续工作。
根据本发明的特点,上述电流源变换装置中有一个直流电源供电器,它在交流电源供电中断时,能够向负载提供直流断续电压,其中加给负载的直流断续电压由改变其断续周期而加以控制。此外,直流电源供电器包括一组用以提供直流电源的电池,它与置于交流-直流变流器和直流-交流逆变器之间的直流电抗器相对联接到交流-直流变流器的另一侧。
在本发明的一个实施例中,利用交流-直流变流器的自截止器件,直流供电器断续地向逆变器提供电池的直流电能。
根据另一个实施例,直流供电器包括一个特殊的开关装置,用以断续地向为逆变器用的电池提供直流电能。
根据第三个实施例,从电池获取并供给直流-交流逆变器的直流电是由直流-交流逆变器自身断续地进行控制的。
通过阅读说明书及查看附图,将会明了本发明的其他目的和特征,这一切在所附的权利要求书中也会更详细地予以指出。
图1是根据本发明的一个实施例的电流源变换装置的电路略图;
图2表示加到图1所示电路的各个部分的或从这些部分得到的信号和电压/电流波形,并且该图也包括在交流电源供电中断前后的信号和电压/电流波形;
图3a和3b用来说明图1所示电路的工作情况;
图4是根据本发明的另一个实施例的电流源变换装置的电路略图;
图5表示加到图4所示电路的各个部分的或从这些部分得到的信号和电压/电流波形,并且该图也包括在交流电源供电中断前后的信号和电压/电流波形;
图6a和6b用来说明图4所示电路的工作情况;
图7是根据本发明的第三个实施例的电流源变换装置的电路略图;
图8表示加到图7所示电路的各个部分的或从这些部分得到的信号和电压/电流波形,并且该图也包括在交流电源供电中断前后的信号和电压/电流波形;
图9表示在交流电源供电中断期间,加到图7所示电路中所采用的直流交流逆变器的各个部分的或从这些部分得到的信号和电流波形;
图10是图9中一部分波形的放大图;
图11a、11b和11c用来说明图7所示电路中所采用的直流/交流逆变器的工作情况。
本发明的实施例将参照附图予以详细说明,其中各个图之间的相同部分标以同样的参考号和符号。
首先看图1。参考号1表示三相交流电源,它通过三相接触器5向交流-直流变流器3提供三相交流电。变流器3的输入端有三个电容器,是人所共知的星形接法,作为一个整体,用参考号7表示。
交流-直流变流器3由一个三相桥式电路构成,每个桥臂由一个所谓的自截止器件组成,例如可关断晶闸管或晶体管。分别包括在各桥臂中的自截止器件用参考号31、32、33、34、35和36表示。由于变流器的这种结构是人所共知的,所以有关它的更进一步的说明这里就省略了。电池加在三相交流电源U相、V相、W相的任意两相之间,为的是当交流电源1供电中断时,它向变流器3提供直流电。该实施例中,电池11通过接触器13跨接在V相和W相之间。
转换器3输出的直流电(其电压和电流分别用Vd和Id代表)通过直流电抗器15加给直流-交流逆变器9,直流电抗器15使流经的直流电流Id变得平滑。在本实施例中,直流-交流逆变器9也接成三相桥式电路的形式,它有六个桥臂,每个桥臂都包括一个自截止器件。这种逆变器的电路结构也是人所共知的。逆变器9将从变流器3得到的直流电变成交流电,该交流电再加到负载上,本实施例中,负载也即是三相感应式电动机17。此外,电容器作为一个整体用参考号19表示,连接到逆变器9的输出端。
这里还进一步提供了一个由断电检测器23和控制电路25组成的控制单元21。断电检测器23有一个传感部件(未在图中示出),它安装在主电路的适当部分,能够感受到交流电源的供电中断。当断电时,检测器23发出信号。其中一个输出信号加给接触器5,于是接触器5断开,把交流电源1与变流器3分开。另一个输出信号加给接触器13,使之接通。因此,电池11跨接在V相和W相之间。最后一个输出信号作为交流电源断电指示信号,送到控制电路25。
控制电路25主要包括用于变流器3和逆变器9的控制极控制电路。在交流电源1正常工作期间,控制电路25的工作状况与用于这种变流器和逆变器的人所共知的控制极控制电路大致相同。供电中断时它的工作状况,随后将予以详细说明。
下面,参照图2和图3a、3b,说明本实施例的工作情况。
图2中,假定交流电源在时刻to中断供电,因此,从图2(a)到图2(g),to前的波形表示正常工作状态下的波形,而to后的波形表示断电条件下的波形。此外,在这些图中,图2(a)表示交流电源1的电压波形。其中虚线Vu、Vv和Vw分别代表U相、V相和W相的相电压,而实线Vvw代表V相和W相间的线电压,且V相和W相间接有电池11。
变流器3的触发信号如图2(b)所示。触发信号P31、P32、P33、P34、P35和P36分别加到变流器3的自截止器件31、32、33、34、35和36的控制极上。从这些触发信号的应用方式就可以理解,为了在正常工作期间调整变流器3的直流输出电压,本实施例的变流器3应用了一种所谓PWM(脉冲宽度调制)控制方法。
当断电检测器23在时刻to检测到供电中断时,它产生一个输出信号,如图2(c)所示,并且检测器23一有输出,接触器5和13就分别如图2中的(d)和(e)所示那样动作。变流器3输出的直流电压Vd和电流Id变成图2中(f)和(g)所示的样子。
现在,当检测器23在时刻to检测到断电信息时,一直处于接通状态的接触器5变为断开状态,相反,接触器13变为接通状态。就是说,交流电源1与变流器3脱离,而电池11跨接到变流器3的V相和W相之间。结果,V相和W相之间的线电压Vvw等于电池11的电压E(参照图2(a))。
在时刻to之后,通过向自截止器件36的控制极加连续的触发信号,使之一直保持导通状态(参照图2(b)中的P36),而自截止器件32和33交替地重复导通和截止状态(参照图2(b)中的P32和P33)。这里假定在时刻t1触发信号P32变为高电位,而在时刻t2触发信号P33变为高电位,即在时刻t1,自熄灭器件32变为导通,而在时刻t2,自截止器件33变为导通。这样,时间t在t0≤t<t1和t1≤t<t2期间内,变流器3的电路的工作状态,分别示于图3a和图3b。
从图3a可以一目了然,自截止器件33和36都处于导通状态,这样一来,直流电路一侧短路,电压Vd为零。此时,从负载一侧看,串联的自截止器件33和36的作用如同一个续流二极管。因此,电路的这一状态就叫做续流状态。图3b表示t1≤t<t2期间电路的工作状态。在这一期间,自截止器件36继续导通。自截止器件33变成截止状态,而自截止器件32变成导通状态。因此,电池11连到直流电路上,结果电压Vd便等于电池11的电压E。
从图2,特别是从图2(b)中的P32和P33可以知道,在电源供电中断的整个期间,上述的工作过程一直重复进行。结果,从变流器3得到如图2的(f)和(g)所示的直流电压Vd和电流Id,这样得到的直流电源通过直流电抗器15加给逆变器9。这里,如果自截止器件32的导通持续时间,以及相应的自截止器件33的截止持续时间发生变化的话,直流电压Vd的脉冲宽度也将发生变化。结果直流电压Vd的平均值发生变化。以这种方式,施加给逆变器9的直流电压就会受到控制,即使是在交流电源中断供电的时候。
根据本实施例,电流源变换装置的主电路,仅仅外加了一个作为对付交流电断电措施的直流供电器,它只不过由电池11和接触器13构成。基本电路通常有接触器5作为主开关,于是断电检测器23输出的信号就能送给主开关的执行机构。由于电压控制由对变流器3的自截止器件的控制极进行控制来完成,所以,主电路就相当简单。这样一个控制极控制电路使得自截止器件32和33轮流导通,并且运用普通的电子电路技术,就能容易地控制脉冲直流电压Vd的占空率。
图4表示本发明的另一个电流源变换装置实施例。本图中,省略了变流器3和逆变器9的细节,因为它们和图1所示的完全一样。
参照图4,作为对付交流电供电中断的措施的一个直流供电器,是置于变流器3的输出端的,即在电源变换装置的直流电路处。直流供电器4包括相互串联的一个电池41和一个自截止器件42,二者串联以后又与另一个自截止器件43并联。自截止器件42与二极管44反向并联。此外,这一电路结构通过接触器45和46跨接在变流器3的输出端。
本实施例中的断电检测器23当检测到断电信息时,产生四个输出信号。第一个输出信号送至接触器5,使之断开,并把交流电源1和变流器3分离。第二个输出信号送至接触器45和46,使之接通。第三个输出信号是自截止器件42和43的触发信号,它使自截止器件42和43轮流导通,这在以后将要详细描述。检测器23的最后一个输出信号作为一个断电标识信号,送至控制电路25。检测器23的四个输出信号中的第一、第二和第三个信号,其功能与图1中的断电检测器产生的信号几乎相同。
现在参照图5和图6a和6b,说明本实施例工作过程。
与图2情形相同,图5中假定断电的时刻是to,所以,从图5(a)到图5(i),时间to之前的波形是正常工作状态的波形,而时间to之后的波形是断电条件下的波形。此外,图5(a)到(e),以及(h)和(i),与图2中相应的波形一样。从这些图形可以一目了然,正常条件下的工作状况与图1所示的第一个实施例相同。因此,有关它的说明这里就省略了。
当to时刻发生断电,检测器23产生输出信号(参照图5(c))。根据这一输出信号,接触器5变成关断状态,而接触器45和46接通(参照图5(d)和(e))。这就是说,交流电源1与变流器3分离,而直流供电器4通过直流电抗器15与逆变器9相连。此外,如图5(b)所示,变流器3的所有触发信号P31、P32、P33、P34、P35和P36都为低电位。to时刻之后,给自截止器件42和43施以触发信号P42和P43(参照图5(f)和(g))。这里假定在时刻t1,触发信号P42变为高电压,而在时刻t2,触发信号P43变为高电位,即自截止器件42在t1时刻导通,而自截止器件43在t2时刻导通。这样,时间t在to≤t<t1和t1≤t<t2期间内,变流器3的电路的工作状态,分别示于图6a和图6b。
在t0≤t<t1期间(参照图6b),自截止器件43处于导通状态,这样一来,直流电路一侧短路,电压Vd为零。此时,从负载一侧看,串联的自截止器件43的作用如同一个续流二极管。这一状态和图3a所示状态相同,因此也叫续流状态。图6b表示t1≤t<t2期间电路的工作状态。在这一期间,自截止器件42处于导通状态,并且电池41连到逆变器9止,故直流电压Vd,便等于电池41的电压E。从表示加到自截止器件42和43上的触发信号P42和P43的图5(f)和(g)可以看出,在电源供电中断的整个期间,上述的工作过程一直重复进行。结果,从直流供电器4得到如图5(h)和(i)所示的直流电压Vd和电流Id,这样得到的直流电源通过直流电抗器15加给了逆变器9。与图2中的情形相类似,直流供电器4的输出电压的平均值,可以通过控制脉冲直流电压Vd的占空率来调整。
根据第二个实施例,加给逆变器9的直流电压,不仅在交流电源1供电中断时得到控制而且它也可以在变流器3发生故障的时候得到控制。
图7是本发明的第三个电流源变换装置实施例的略图,与图4相类似,其中变流器3的细节省略了。然而,逆变器9却详细地画出来了,虽然它同图1中的逆变器一样,因为以下对本实施例的描述,与逆变器9的控制方式有关。因此,本图中逆变器9的详细线路,只是为了便于理解本实施例而画的。
在图7所示的实施例中,给出了一种与图4中的直流供电器4相比,结构更为简单的一种直流供电器6。也就是说,本实施例中的直流供电器6包括一个电池61和将该电池与电源变换装置的直流电路相联的接触器62,63。接触器62、63根据断电检测器23的输出信号接通,结果,当交流电源1供电中断时,电池61提供的直流电源便通过直流电抗器15施加在逆变器9上。
参照图8,说明本实施例的工作过程。从图8(b)可知,变流器3的工作方式与图1和图4中的相同,即在交流电源1正常的条件下,是脉冲宽度调制方式。然而,本实施例的变流器3是这样控制的,以使它的直流输出保持恒定。变流器3输出的直流电压Vd和直流电流Id如图8(f)和(g)所示,并且这一恒定的直流电源通过电抗器15加给逆变器9。
另一方面,逆变器9的触发信号是P91、P92、P93、P94P95和P96,示于图8(h),工作方式是脉冲宽度调制式。从而,逆变器9输出电流IuIv和Iw,如图8(i)中的方波所示,而流经负载17的电流为Iul、Ivl和Iwl,如图8(i)中的正弦虚线所示。不同于另外两个已经描述过的实施例中的逆变器,本实施例中的逆变器能利用脉冲宽度调制控制方式,来控制它输出的交流电源。
当在t0时刻检测到交流电源供电中断的信息时(参照图8(a)),检测器23产生一个输出信号(参照图8(c))。于是,接触器5断开,而接触器62、63接通,结果交流电源1与电路脱离,而电池61接到直流电路上。因此在这以后,直流电压Vd便等于电池61的电压E(参照图8(f))。此外在时刻t0以后,类似于图5的情形,变流器3的触发信号P31、P32、P33、P34、P35和P36均为低电位。然而,触发信号P91、P92、P93、P94、P95和P96继续加给逆变器9的相应的自截止器件91、92、93、94、95和96(参照图8(h))。因此,逆变器9的交流输出继续不断地受到控制(参照图8(i))。
下面参照图9,说明在时刻t0以后,即交流电源断电期间,逆变器9对交流输出电源的控制过程。
图9中,各个分配信号Ru、Rz、Rv、Rx、Rw和R
Figure 85107714_IMG2
(参照图9(a))的脉冲宽度为T,对应于逆变器9的60°工作周期,并且各个信号之间有60°相移。这些分配信号是通过将交流电源1的电压的一个周期分成相等的六部分(从Ⅰ到Ⅵ)得到的。信号Q(参照图9(c))是一个三角波信号,它在用于脉冲宽度调制控制的参考模型P脉冲(参照图9(b)的前沿时刻处,有一个峰值即最大值IRMAX,信号Q的单个三角波的周期由参考模型p的脉冲宽度决定,因此是不均匀的。短路脉冲序列S是通过将三角波Q与交流输出电流的指令IR进行比较后得到的。然后,再将参考模型P和短路脉冲序列S分别反相,得到信号 P和 S。将信号P和S进行逻辑乘法运算,得到信号PF;将信号 P和 S进行逻辑乘法运算,得到信号PR(参照图9(e)和(f))。
此外,信号P F由信号PF和Rr进行逻辑乘法得到;信号PR′由信号PR和RZ进行逻辑乘法得到;信号S′由信号S和RX进行逻辑乘法得到(参照图9(g)、(h)和(i))。这样得到的信号PF′、PR′S和信号RU进行逻辑加法运算,得到自截止器件91的触发信号P91。用同样的方法,可以得到逆变器9的自截止器件92、93、94、95和96的触发信号P92、P93、P94、P95和P96。受触发信号P91至P96控制的逆变器9的输出电流变为被脉冲宽度调制的方波电流,如图9(K)中IU、IV和IW所示。流经负载的电流在同一图中用正弦虚线IUL、IVL和IWL表示。
为了便于理解,参考图10,更详细地解释逆变器9中的输出控制。图10以示于图9中的I段为例,将图形放大,说明工作过程。图11a到11c指出了从示于图10中的时刻t0到时刻t3期间的电路的状态。
首先来看图10,在I段中,通过将三角波信号Q与电流指令I R进行比较得到的短路脉冲序列S和加给自截止器件92的触发信号P92相一致(参照图10(b)和(e))。另一方面,在I段中,给自截止器件95连续不断地施以触发信号P95,如图10(h)所示。因此,电源变换装置的直流电路被短路,如图11b所示,该图表示从时刻t1到t2期间逆变器9的电路状态。所以,负载的每一相U相、V相和W相中的电流IU、IV和IW在此期间为零(参照图10(i)、(j)和(K))。在此期间之前,即从时刻t0到t1期间,自截止器件93和95导通(图10(g)和(h),结果电流流经V相和W相中的负载(参照图10(j)和(K),以及图11a)。从时刻t2到t3期间,自截止器件91和95变为导通状态(参照图10(c)和(g)),结果电流经U相和V相中的负载(参照图10(i)和(j),以及图11c)。
从图10中可以一目了然,通过依次重复如图11a、11b和11c所示的三种电路状态,逆变器9能够控制流经负载的电流。
现在假定,各相中有电流流过的期间用d0至d3表示,无电流流过的期间用ds1至ds3表示,如图10(i)至(K)。如果电流指令I R从零到最大值IRMAX变化,U相的电流IU中的短路期间ds1、ds2和ds3分别从d1、d2和d3变到另,满足下列关系式:
(ds1)/(d1) = (ds2)/(d2) = (ds3)/(d3) =1- (IR *)/(IRMAX) …(1)
同样的关系式适用于W相的电流IW。关于V相的电流IV,d1至d3和dS1至dS3之间存在着下面的关系:
(ds1+ds2)/(d1+d2) = (ds2+ds3)/(d2+d3) = (ds3+ds1)/(d3+d1) =1- (IR *)/(IRMAX) …(2)
在这些情况下,电流IU、IV和IW的有效值IRMS由下式求得:
I R M S = 2(d 1 +d 2 +d 3 ) 3(d 0 +d 1 +d 2 +d 3 +d 4 ) × I * R I R M A X ×I d …(3)
当I R=0,电源变换装置的直流电路处于短路状态,于是IRMS等于零。相反,当I R=IRMAX,IRMS由下式求得:
I R M S = 2(d 1 +d 2 +d 3 ) 3(d 0 +d 1 +d 2 +d 3 +d 4 ) × I d …(4)
这就是说,从上式(3)可以知道,电流IU、IV、IW的有效值IRMS与指令电流I R的平方根成正比,因为Id、IRMAX和d0至d3都是常数。
如上所述,在交流电源供电中断期间,仅仅通过连接电池61,电源变换装置就能继续工作,假如逆变器9自身能够控制其输出的话。
此外,本实施例还有如下所述的附加特性,就是在本实施例中,直流电路的短路状态将电池61包括在电路里(参照图7和图11b)。因此,短路状态期间,能量通过流经直流电抗器15的电流而被存储在该电抗器中。当短路状态结束,也就是说,比如电路从图11b所示状态变到图11c所示状态,存储在直流电抗器15中的能量便释放出来,加到负载17上。这时直流电抗器15两端产生一个电压(L dId/dt),其中L代表直流电抗器15的电感量。因此,接到逆变器9的输出端的电容器19,被电池61的电压E与直流电抗器15产生的电压(L d Id/dt)之和充电。于是,加在负载17上的电压就比电池61的电压E高。
虽然这里我们只展示和说明了本发明电流源变换装置有限数目的实施例,但是应该知道,在所附的权利要求书的范围之内,可能进行各种改动和修改,而这一切并没有超出本发明的精神和范围。

Claims (4)

1、一种带有其基本部分是由自截止器件构成的电流源变流器的电流源变換装置,该自截止器件的输入端与一个交流电源相联,而它的输出端经过一个直流电抗器与一个逆变器相联,其特征在于:该装置里有一个直流供电器,当检测到交流电源供电中断时,它能向所说的逆变器提供电池中的直流电能,并反之亦然。
2、一种权利要求1所定义的电流源变換装置,其中所说的直流供电器是这样构造的,即所说的电池与所说的变換器在其交流侧相连,并且将所说的电池中的直流电能输送给所说的逆变器并反之亦然,这种功能是通过控制所说的变換器中的自截止器件来控制的。
3、一种权利要求1所定义的电流源变換装置,其中所说的直流供电器是这样安排的,即包括所说的电池和另外的自截止器件的电路联接在所说的变流器和所说的直流电抗器之间,并且将所说的电池中的直流电能  送给所说的逆变器并反之亦然,这种功能是通过控制所说的另外的自截止器件来控制的。
4、一种权利要求1所定义的电流源变換装置,其中交流输出电源作为这种电源变換装置的最终输出,它由所说的逆变器控制,并且所说的直流供电器是这样安排的,即只有所说的电池联接在所说的变換器和所说的直流电抗器之间,以便对所说的电池中的直流电能输送给所说的逆变器并反之亦然这种功能进行控制。
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