TWI388116B - Method and device for active phase-to-phase transformer used in twenty-four pulse wave AC / DC converter - Google Patents

Description

主動式相間變壓器應用於二十四脈波交流/直流轉換器的方法與裝置

本發明所涉及之領域包含電力電子、交流/直流整流技術、自動控制等範疇，主要係關於一種高功率直流電壓輸出之二十四脈波交流/直流轉換器的方法及裝置，特別是只需於兩個第一級相間變壓器中選擇任一個，多加入一個二次側繞組使其成為主動式相間變壓器，並將控制方法規劃於數位微處理器產生補償電流命令，利用脈波寬度調變產生開關切換訊號，進而控制電力開關驅動電路，驅動變流器的電力開關，產生補償電流注入於主動式相間變壓器的二次側繞組，藉以提升三相輸入電源之功率因數，並降低三相輸入電源電流總諧波失真量之高效能交流/直流轉換器的方法與裝置。

傳統工業上為了自三相電源取得高功率的直流電源，常使用三相二極體整流器將三相電壓整流，但此種非線性負載卻導致電源端之電流失真嚴重，有著非常高的諧波含量，這些諧波會導致電力系統上的設備壽命減少，保護電驛的誤動作等嚴重的影響。

為了改善此一問題，Schaeffer,J於1965年提出利用多組不同相移電源，各接上三相二極體整流器，再利用相間變壓器作並聯供應至直流負載，如此可於電源端電流合成出多脈波的電流，亦降低了輸出的漣波電壓，如兩組三相二極體整流器並聯成十二脈 波整流器，三組則並聯成十八脈波整流器等等。而產生多組不同相移電源的方式，一般利用相移變壓器取得，而轉換器並聯時，因相移的關係導致各轉換器瞬時輸出電壓不同，無法直接並聯，故需要使用相間變壓器來承受瞬時不平衡電壓，並利用其密耦合之特性均分負載電流。傳統二十四脈波轉換器係由相移變壓器產生四組相位各差15度之三相電源，兩兩透過第一級相間變壓器並聯成十二脈波轉換器，而兩組十二脈波轉換器可選擇獨立供電或再透過第二級相間變壓器並聯，皆可於電源端電流達到二十四脈波的效果。

亦有許多改善輸入電流諧波失真的方法被提出，如S.Choi、P.Enjeti及Bang Sup Lee於1997年提出「適合高功率交流馬達驅動之新式二十四脈波二極體整流器系統(New 24-pulse diode rectifier system for utility interface of high-power AC motor drives)」及B.Singh與S.Gairola於2007年提出「脈波數加倍於十八脈波交流/直流轉換器(Pulse Doubling in 18-pulse AC-DC Converters)」，皆於相間變壓器採多抽頭，串接上二極體，藉以提高電源端電流脈波數，降低電源端電流總諧波失真量，但上述方法只能提高脈波數，仍無法使電源端電流達到理想正弦波。而S.Choi、P.Enjeti與Hoag-Hee Lee於1996年提出「可提供乾淨電源之主動式相間電抗器應用於十二脈波整流器(A new active interphase reactor for 12-pulse rectifiers provides clean power utility interface)」，將主動式相間變壓器應用於十二脈波轉換器系統上，藉由一低容量(2.26%額定輸出功率)的變流器，注入三角波電流於主動式相間變壓器的二次側，可有效改善電源端的諧波，且當變流器損壞時電源端電 流仍可維持十二脈波之低諧波失真電流。

但考慮更高功率需求之應用場合，其諧波規範則更為嚴苛，故本發明提出將主動式相間變壓器應用於二十四脈波轉換器系統上，且只需要一組容量更低的變流器(1.16%額定輸出功率)，注入電流於主動式相間變壓器的二次側，即可有效改善電源端電流的總諧波失真量，本發明亦提出新的控制方式，改善傳統主動式相間變壓器只針對單相電流作補償導至三相電流不平衡之問題，且當變流器故障時，仍可於電源端電流保持二十四脈波的低諧波失真電流。且隨著工業的發展，往往需要供應更大的負載需求，故本發明非常適用於將原有的十二脈波轉換器系統加以擴充至二十四脈波系統。

本發明之目的即在提供更低諧波失真、高效率、且適用於更高功率場合之直流電源，故本發明將主動式相間變壓器應用至二十四脈波交流/直流轉換器，藉由注入電流於主動式相間變壓器之二次側，使電源端輸入電流由原來的二十四脈波改善為總諧波失真量更低的正弦波。而所需變流器裝置容量較習知將主動式相間變壓器應用於十二脈波交流/直流轉換器更低，且改善了習知只對單相電流作補償導致三相不平衡之問題，另外當變流器發生故障時，於電源端仍可保持二十四脈波低諧波失真量之電流，其變流器故障時電源端電流諧波失真量亦較習知技術來得更低，且本發明非常適用於原本使用十二脈波交流/直流轉換器但需要擴大電力需求之環境，其負載亦可彈性規劃。

為達上述發明目的，本發明主要利用控制驅動裝置內的電壓/電流感測電路偵測電路中的電壓/電流信號，回授電壓/電流信號於控制驅動裝置內的數位微處理器，經運算產生注入電流之命令，並規劃補償電流控制迴圈於數位微處理器，其輸出信號將經由電力開關驅動電路驅動變流器之電力開關，即時調整注入電流實際振幅大小，以追隨注入補償電流之命令值。使其電源端輸入電流由原來的二十四脈波改善為極低總諧波失真的正弦波，以提供一高效率，低輸入電流諧波失真且適用於高供率場合之交流/直流轉換器。

本發明之控制驅動裝置主要是由數位方式實現，只有電流感測電路、電壓感測電路、電力開關驅動電路是以類比元件如電阻、電容、運算放大器、光耦合隔離驅動器等所組成。電流與電壓感測電路主要是將實際電流與電壓轉換成數位微處理器內的類比/數位模組可接受的信號範圍。而數位方式的實現乃利用數位微處理器，如數位信號處理器(digital signal processor,DSP)或單晶片微處理器(single-chip CPU)，規劃程式進行相關的設定、偵測、運算與產生驅動信號，並經電力開關驅動電路驅動變流器之電力開關，完成本發明之控制驅動裝置。

本發明之變流器所使用的電力開關是由高功率半導體元件，如金氧半場效電晶體(MOSFET)、閘極絕緣雙極性電晶體(IGBT)、雙極性接面電晶體(BJT)、等可控開關所組成，組成的方式依使用的電力開關、電子元件種類與數目可有多種不同的架構。

本發明所揭示之主動式相間變壓器應用於二十四脈波交流/直流轉換器之系統架構圖如圖一所示，系統中包含三相電源102、產生四組三相電源相位各差15度的相移變壓器103、四組三相二極體整流器104、兩組三相二極體整流器並聯所需且加入二次側繞組之主動式相間變壓器105、兩組三相二極體整流器並聯所需的第一級相間變壓器106、兩組十二脈波轉換器並聯所需的第二級相間變壓器107、用來產生注入電流的變流器108、輸出直流負載109及用來產生注入電流命令與驅動變流器電力開關的控制驅動裝置110。本發明藉由電壓感側電路301與電流感測電路302回授信號至數位微處理器303，運算出須補償的電流命令，驅動變流器電力開關501注入補償電流於主動式相間變壓器二次側202，能有效改善電源端電流總諧波失真量，提高其功率因數與效率，且優點另有變流器108所須容量相當小、補償後可三相平衡、並可彈性規劃直流負載116，可由二十四脈波轉換器113共同供應如負載接線方式(一)122、由兩組十二脈波轉換器111、112各別供應如負載接線方式(二)123，或是由一組十二脈波轉換器111及兩組六脈波轉換器121各別供應負載如負載接線方式(三)124等。

為達成上述發明目的，二十四脈波轉換器113須由相移變壓器103產生四組相位各差15°之三相電源，本發明之相移變壓器103係採Side-Extended之方式達成，利用兩台一樣的相移變壓器103，而其中一台三相輸入電源102相序反接，用以在相移變壓器103二次側產生四組相位各差15°之三相電源，而產生四組相位各差15°之相移變壓器可由多種接線方式達成。由相移變壓器103可 知其輸入電流i _se1可由變壓器相關匝比k ₁~k ₄與三相二極體整流器104輸入電流i ₁~i ₆表示如(1)i _se1=k ₁(i ₁-i ₃)+k ₂ i ₄+k ₃(i ₃-i ₂)+k ₄ i ₆ (1)其中 而相移變壓器的其他輸入電流i _se2~i _se6，可同樣由克希荷夫電流定律(KCL)與ΣNi=0之關係求得。參考圖一可知電源端輸入線電流i _linea 如式(2)i _linea =i _se1+i _se4 (2)參考圖二為主動式相間變壓器繞線圖，可得其相關電流與一次側繞組繞組N _m 201與二次側繞組N _x 202關係如式(3)、式(4)

i _du =i _d1+i _d2 (4)其中i _du 為十二脈波轉換器111之輸出電流、i _d1及i _d2則為三相二極體整流器104之輸出電流。由式(3)、式(4)可將i _d1及i _d2重新表示成式(5)、式(6) 請參考圖三為以電源v _a 為參考之三相二極體整流器輸入電流i ₁對應的二極體切換函數S ₁，可將其波形複立葉展開如式(7) 其他對應於i ₂~i ₆的二極體切換函數S ₂~S ₆亦可藉由將S ₁分別位移-120°、+120°、-30°、-150°與+90°來取得。如此可將三相二極體整流器104輸入電流重新表示如(8)所示 將式(5)、式(6)與式(8)代入式(1)，可將相移變壓器103輸入電流i _se1重新表示如式(9) 令i _linea,1為i _linea 之基波成份，將式(9)代入式(2)並經過移項，可得當電源端輸入電流為i _linea,1時之注入電流命令如式(10)

由式(10)可知，欲使本為二十四脈波的輸入線電流i _linea 成為不含諧波成份的正弦電流i _linea,1，則必須注入之電流於主動式相間變壓器的二次側202，而正弦電流i _linea,1則可利用能量守恆原理得 其中V _LL 為電源端輸入線電壓、V _d 為輸出直流電壓、I _d 為輸出直流電流，當負載分離時I _d =I _du +I _d3+I _d4，且V _d =1.35a _s V _LL (12)其中a _s 為相移變壓器103一二次側線電壓之變壓比。由式(11)與(12)可得輸入正弦電流之有效值I _linea,1如式(13)I _linea,1=0.78a _s I _d (13)由式(13)可得輸入正弦瞬時電流i _linea,1表示式如式(14)

若單純以式(10)為注入電流命令，則會發生只補償單相電流而導致三相電流不平衡的問題，故本發明提出一新的控制策略，即分段補償如圖九所示，藉由分段補償達到諧波改善且三相平衡的效果，而式(10)則可重寫如式(15)

本發明利用控制驅動裝置110產生注入電流命令如式(15)，並驅動變頻器之電力開關501注入電流達到改善電源端諧波失真之目的。控制驅動裝置110如圖四所示，主要是以數位方式實現，只有電壓感測電路301、電流感測電路302及電力開關驅動電路304乃由類比元件如電阻、電容、運算放大器、二極體與光耦合隔離器所構成。首先將產生注入電流命令之相關電流與電壓，利用電壓感測電路301與電流感測電路302將實際電壓/電流轉換成數位微處理器303之類比/數位模組可接受的電氣信號範圍，請參考圖五(a)、(b)為電壓/電流感測電路，欲回授之電壓/電流先透過電壓感測器401與電流感測器403轉換成電流源信號輸出，再透過運算放大器402將此電流源依所需比例調整輸出訊號振福與直流準位，以提供數位微處理器303之類比/數位模組接收訊號，數位微處理器之程式規劃如圖六所示，迴授電壓v _a 用以進行相位同步 與取得正弦標么波形，並藉由迴授相關電流運算出注入電流命令後，利用電流控制迴圈601產生電力開關控制信號305，電流控制迴圈601乃將注入電流命令與實際電流相減得到誤差，再經過誤差放大，最後與三角載波比較輸出開關控制信號305。而開關控制信號305透過電力開關驅動電路304驅動變流器之電力開關501，產生電流注入於主動式相間變壓器二次側202。

本發明之變流器108採用全橋式變流器如圖七(a)所示，而變流器的形式可由其電力開關的數量、元件之不同組成各種的電路拓樸如圖七(b)等。令三相輸入電源102表示式如式(16)所示 其中V _LL 為相移變壓器103一次側線電壓，三相二極體整流器104之輸出電壓v _d1與v _d2可分別求得如式(17)、式(18) 請參考圖一，可知跨於主動式相間變壓器105一次側電壓v _mu 為兩三相二極體整流器104輸出瞬時電壓差如式(19)v _mu =v _d1-v _d2 (19)利用式(19)即可求得變流器108輸出電壓有效值V _mx 如式(20)所示 亦可由式(15)求得變流器108輸出電流有效值I _x 如式(21)所示 利用式(20)與式(21)，且令P _o =V _d I _d =1pu，可求得本發明所需變流器108之容量如式(22)所示VA=V _mx ×I _x =0.0016P _o =1.16%pu (22)由式(22)可知，本發明所需之變流器108容量較習知技術將主動式相間變壓器應用於十二脈波轉換器更小，非常適用於諧波規範更嚴格的大功率需求場合。

本發明利用一容量非常小的變流器108，注入電流於主動式相間變壓器二次側202，即可將電源端輸入電流由原來的二十四脈波補償成總諧波失真量更低的正弦波，並改善了習知針對單相電流作補償導致三相不平衡之問題，且當變流器108發生故障時，電源端電流亦可保持在二十四脈波低電流失真的情形，非常適用於高功率應用環境，並可彈性規劃直流負載116，可由二十四脈波轉 換器113共同供應如負載接線方式(一)122、由兩組十二脈波轉換器111、112各別供應如負載接線方式(二)123，或是由一組十二脈波轉換器111及兩組六脈波轉換器121各別供應負載如負載接線方式(三)124等，非常適用於本為十二脈波轉換器系統且有電力擴充需求之場合。

101‧‧‧主硬體電路裝置

102‧‧‧三相輸入電源

103‧‧‧相移變壓器

104‧‧‧三相二極體整流器

105‧‧‧主動式相間變壓器

106‧‧‧第一級相間變壓器

107‧‧‧第二級相間變壓器

108‧‧‧變流器

109‧‧‧直流負載

110‧‧‧控制驅動裝置

111‧‧‧含主動式相間變壓器之十二脈波轉換器

112‧‧‧十二脈波轉換器

113‧‧‧含主動式相間變壓器之二十四脈波轉換器

114‧‧‧含主動式相間變壓器之十二脈波轉換器負輸出端

115‧‧‧含主動式相間變壓器之十二脈波轉換器正輸出端

116‧‧‧彈性規劃負載

117‧‧‧六脈波轉換器正輸出端(一)

118‧‧‧六脈波轉換器負輸出端(一)

119‧‧‧六脈波轉換器正輸出端(二)

120‧‧‧六脈波轉換器負輸出端(二)

121‧‧‧六脈波轉換器

122‧‧‧負載接線方式(一)

123‧‧‧負載接線方式(二)

124‧‧‧負載接線方式(三)

201‧‧‧主動式相間變壓器一次側

202‧‧‧主動式相間變壓器二次側

301‧‧‧電壓感測電路

302‧‧‧電流感測電路

303‧‧‧數位微處理器

304‧‧‧開關驅動電路

305‧‧‧開關控制信號

306‧‧‧開關驅動信號

401‧‧‧電壓感測器

402‧‧‧運算放大器

403‧‧‧電流感測器

501‧‧‧閘極絕緣雙極性電晶體

502‧‧‧二極體

503‧‧‧電感器

504‧‧‧電容器

601‧‧‧注入電流控制迴圈

v _a 、v _b 、v _c ‧‧‧三相電源輸入電壓

i _linea 、i _lineb 、i _linec ‧‧‧三相電源輸入電流

i _linea,1、i _lineb,1、i _linec,1‧‧‧理想三相電源輸入電流

i _se1、i _se2、i _se3、i _se4、i _se5、i _se6‧‧‧相移變壓器輸入電流

N _se 、N _pd 、N _sd 、N _sy ‧‧‧相移變壓器之匝數

i ₁、i ₂、i ₃、i ₄、i ₅、i ₆、i ₇、i ₈、i ₉、i ₁₀、i ₁₁、i ₁₂‧‧‧三相二極體整流器輸入電流

v _d1、v _d2、v _d3、v _d4‧‧‧三相二極體整流器輸出電壓

i _d1、i _d2、i _d3、i _d4‧‧‧三相二極體整流器輸出電流

i _x ‧‧‧變流器輸出電流

v _mx ‧‧‧主動式相間變壓器二次側電壓

v _mu ‧‧‧主動式相間變壓器一次側電壓

i _du 、i _dl ‧‧‧十二脈波轉換器輸出電流

i _d ‧‧‧直流負載電流

N _x ‧‧‧主動式相間變壓器二次側繞組

N _m ‧‧‧主動式相間變壓器一次側繞組

V‧‧‧變流器輸入電源電壓

圖一為本發明之整體系統架構圖；圖二為本發明之主動式相間變壓器繞線圖；圖三為本發明之二極體切換函數S ₁示意圖，對應以電源v _a 為參考之三相二極體整流器輸入電流i ₁；圖四為本發明之控制驅動裝置示意圖；圖五A、五B為本發明之電壓/電流感測電路示意圖；圖六為本發明之數位微處理器之程式規劃流程圖；圖七A、七B為本發明之變流器示意圖；圖八為彈性負載接線示意圖

圖九為分段補償電流命令示意圖

101‧‧‧主硬體電路裝置

102‧‧‧三相電源

103‧‧‧相移變壓器

104‧‧‧三相二極體整流器

105‧‧‧主動式相間變壓器

106‧‧‧第一級相間變壓器

107‧‧‧第二級相間變壓器

108‧‧‧變流器

109‧‧‧輸出直流負載

110‧‧‧控制驅動裝置

111‧‧‧含主動式相間變壓器之十二脈波轉換器

112‧‧‧十二脈波轉換器

113‧‧‧含主動式相間變壓器之二十四脈波轉換器

114‧‧‧含主動式相間變壓器之十二脈波轉換器負輸出端

115‧‧‧含主動式相間變壓器之十二脈波轉換器正輸出端

116‧‧‧彈性規劃負載

117‧‧‧六脈波轉換器正輸出端(一)

118‧‧‧六脈波轉換器負輸出端(一)

119‧‧‧六脈波轉換器正輸出端(二)

120‧‧‧六脈波轉換器負輸出端(二)

121‧‧‧六脈波轉換器

122‧‧‧負載接線方式(一)

123‧‧‧負載接線方式(二)

124‧‧‧負載接線方式(三)

i _linea 、i _lineb 、i _linec ‧‧‧三相電源輸入電流

i _se1、i _se2、i _se3、i _se4、i _se5、i _se6‧‧‧相移變壓器輸入電流

N _se 、N _pd 、N _sd 、N _sy ‧‧‧相移變壓器之匝數

i ₁、i ₂、i ₃、i ₄、i ₅、i ₆、i ₇、i ₈、i ₉、i ₁₀、i ₁₁、i ₁₂‧‧‧三相二極體整流器輸入電流

v _d1、v _d2、v _d3、v _d4‧‧‧三相二極體整流器輸出電壓

i _d1、i _d2、i _d3、i _d4‧‧‧三相二極體整流器輸出電流

i _x ‧‧‧變流器輸出電流

v _mx ‧‧‧主動式相間變壓器二次側電壓

v _mu ‧‧‧主動式相間變壓器一次側電壓

i _du 、i _dl ‧‧‧十二脈波轉換器輸出電流

i _d ‧‧‧直流負載電流

Claims (8)

1. 一種使用於高功率直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，包括有一相移變壓器：提供四組相位各差15°之三相電源電壓一三相二極體整流器：由功率半導體元件所組成，將三相交流電壓整流成脈動直流電壓一主動式相間變壓器：一次側繞組用以承受兩整流器並聯瞬時電壓差，注入電流於二次側用以改善輸入電流諧波失真一第一級相間變壓器：承受兩三相整流器並聯瞬時電壓差，均分負載電流一第二級相間變壓器：承受兩十二脈波整流器並聯瞬時電壓差，均分負載電流；一變流器：由功率半導體開關所組成具直流/交流電能轉換功能之變流裝置及一電感，係以用以產生注入電流；一控制驅動電路：係其中包含一電壓感測電路、一電流感測電路、一數位微處理器及一開關驅動電路，用以產生注入電流之命令，並輸出變流器電力開關驅動信號。一直流負載：係輸入電源為直流電壓之負載。
2. 如申請專利範圍第1項所述之使用於高功率直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，其中用以產生四組相位各差15°三相電源之相移變壓器係可由任意接線方式之相移變壓器組成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之使用於高功率直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，其中直流負載可接於二十四脈波轉換器輸出、亦可各別接於十二脈波轉換器輸出，或一組十二脈波轉 換器和兩組六脈波轉換器個別供應負載。
4. 如申請專利範圍第1項所述之使用於高功率直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，其中控制驅動裝置之電壓感測電路、電流感測電路係由電壓/電流感測器組成、將系統中電壓及電流轉換低電壓之電氣信號，再調整振幅至適當值，以提供控制驅動裝置輸出開關驅動信號之依據。
5. 如申請專利範圍第1項所述之使用於高功率直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，其中控制驅動裝置獲取電壓/電流信號後，經控制驅動電路運算後產生注入電流命令，產生開關驅動信號用以驅動變流器之高功率固態電子開關，使變流器輸出電流具可控之功能，以改善電源端電流總諧波失真量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之使用於高功率直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，其中變流器之電力開關係為高功率固態電子開關，而電子開關係由功率半導體元件所組成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之使用於高功率直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，其中主動式相間變壓器可置於兩組十二脈波轉換器之任一組內。
8. 如申請專利範圍第1項所述之使用數位微處理器，其中補償電流命令可採傳統單相補償亦可使用三相平衡之分段補償。