專利名稱：中功率兩級式的三相靜止變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中等功率的兩極式結(jié)構(gòu)三相靜止變流器，屬于功率變換中的逆變 技術(shù)。
背景技術(shù)：
靜止變流器的常用方案可分為低頻隔離方案和高頻隔離方案。低頻隔離方案中逆 變器的開關(guān)頻率為400Hz，先將直流電變?yōu)榻涣麟姾?，再通過濾波和升降壓后得到額定的交 流電壓。此方案所使用的磁性元件體積龐大，效率低，不適合用于功率密度和效率要求高的 場合。在高頻隔離方案中先將輸入電壓變換至一定電壓，再使用逆變器得到額定的交流電 壓。這種方案的開關(guān)頻率可以做得比較高，所用磁性元件的體積可以減小，效率高。后一種 方案的隔離部分可選擇使用直流變壓器或直流變換器。直流變壓器和交流變壓器類似，將一種直流電壓變換成另一種或多種直流電壓， 通過高頻斬波——變壓器隔離——高頻整流來實現(xiàn)一種直流電壓到與之成正比的另一種 或多種直流電壓的變換，可用于功率傳輸和電壓檢測等場合。直流變壓器利用變壓器漏感 實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，不需輸出端濾波電感，采用開環(huán)控制，恒定占空比工作，電路結(jié)構(gòu)簡 單，易于實現(xiàn)高頻軟開關(guān)和高功率密度，變換效率高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在結(jié)合直流變壓器的特點以及雙Buck逆變器的特點，提出一種中等功 率的兩極式三相靜止變流器。該三相靜止變流器主要包含主電路和控制電路。主電路的特征在于前后兩極式 三相靜止變流器中的前級由兩個直流變壓器組成，輸入端并聯(lián)，輸出端串聯(lián)，串聯(lián)點即為中 點，在中點處引出地線。每個直流變壓器為隔離型全橋結(jié)構(gòu)，包括全橋電路、串聯(lián)電容、副邊 含中心抽頭的高頻隔離變壓器、輸出橋式整流電路和輸出濾波電容。后級由三個逆變器模 塊組成，三個逆變器的輸入端并聯(lián)起來接于前級的輸出端，每個逆變器模塊均為雙Buck拓 撲結(jié)構(gòu)，每個雙Buck逆變器包含兩個開關(guān)管、兩個二極管、兩個電感和一個輸出電容?？刂齐娐返奶卣髟谟谇凹壍拿總€直流變壓器采用獨立的電壓開環(huán)控制，使得橋 臂開關(guān)管占空比接近0.5并且固定。后級每個逆變器采用獨立的半周期電流滯環(huán)控制，輸 出電流過零比較器根據(jù)系統(tǒng)輸出電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出與參考地比較判斷輸出電流的正半 周期和負半周期區(qū)域，系統(tǒng)輸出電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出同時作為輸出電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的給定 信號，逆變器輸出端的采樣電流作為輸出電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的輸入，輸出電流過零比較器的 輸出信號與輸出電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過一定邏輯運算后得到各逆變器的驅(qū)動邏 輯信號，調(diào)節(jié)各逆變器模塊開關(guān)管的占空比。本專利采用前后級結(jié)構(gòu)的三相靜止變流器，前級為隔離型的直流變壓器結(jié)構(gòu)，后 級為非隔離型的雙Buck逆變器。這種三相靜止變流器的優(yōu)點是(1)將直流變壓器結(jié)構(gòu)應(yīng)用于三相靜止變流器中解決了輸入端與輸出端的隔離問題，而且前級的輸出端無濾波電感，減小了系統(tǒng)體積，提高了工作效率。(2)三相靜止變流器的控制方式得到了優(yōu)化，其前級采用電壓開環(huán)控制實現(xiàn)隔離 和變壓的作用，后級采用半周期電流滯環(huán)控制實現(xiàn)電路穩(wěn)定工作。


圖1是本發(fā)明示意圖。圖2是本發(fā)明前級直流變壓器1的電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明后級a相逆變器模塊的電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是a相逆變器模塊電壓開環(huán)控制電路的示意圖。圖5是a相逆變器模塊半周期電流滯環(huán)控制電路的示意圖。圖1——圖5的主要符號名稱⑴^^^^ ， ，！！二!^——分別為前級的輸入 電壓，后級的輸入電壓，前級直流變壓器1的輸出電壓，后級a相逆變器的輸出電壓，后級a 相逆變器的輸出電壓采樣，后級a相逆變器中電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的基準電壓。(2) iref, i；——分 別為后級a相逆變器輸出電流基準，后級a相逆變器輸出端的采樣電流。(3) SrS6——分別 為變換器的開關(guān)管和對應(yīng)的體二極管。(4)Di-D4，D5-D6——分別為前級直流變壓器1副邊 的整流二極管，后級a相逆變器的二極管。(5)CS1-CS6，CD5-CD6，Cr, C0l, Ca——分別為變換器 開關(guān)管的等效結(jié)電容，后級a相逆變器二極管的等效結(jié)電容，前級直流變壓器1中高頻隔離 變壓器原邊的隔直電容，前級直流變壓器1的輸出電容，后級a相逆變器的輸出電容。(6) LrL2——后級a相逆變器的電感。(7)T——為高頻隔離變壓器。
具體實施例方式中功率兩級式的三相靜止變流器的主電路如圖1所示，其特征在于主電路的前 級為DC/DC變換器，由兩個相同的直流變壓器構(gòu)成，兩個直流變壓器的輸入端并聯(lián)接在供 電電源的輸出側(cè)，兩個直流變壓器的輸出端串聯(lián)，在串聯(lián)點即為中點，在中點處引出地線， 前級共引出正輸出線、負輸出線和地線；后級由三個相同結(jié)構(gòu)的逆變器構(gòu)成——a相逆變 器、b相逆變器和c相逆變器，各逆變器的輸入端并聯(lián)后與前級直流變壓器輸出端的三個輸 出線相連接。三相靜止變流器前級的兩個直流變壓器均采用隔離型全橋型拓撲結(jié)構(gòu)，以前級直 流變壓器1為例，全橋型直流變壓器1的主電路如圖2所示，包括全橋電路、串聯(lián)隔直電容、 副邊含中心抽頭的高頻隔離變壓器、輸出橋式整流電路、輸出濾波電容。其連接方式為全 橋電路中包含四個開關(guān)管，開關(guān)管Si與開關(guān)管S2串聯(lián)構(gòu)成一個橋臂，開關(guān)管S3與開關(guān)管S4 串聯(lián)構(gòu)成另一個橋臂，開關(guān)管Si的漏極與開關(guān)管S3的漏極相連后接于直流電壓源的正輸出 端，開關(guān)管S2的源極與開關(guān)管S4的源極相連后接于直流電壓源的負輸出端，開關(guān)管Si與開 關(guān)管S2的串聯(lián)節(jié)點經(jīng)串聯(lián)隔直電容(；連于高頻隔離變壓器T原邊繞組的同名端，開關(guān)管S3 與開關(guān)管S4的串聯(lián)節(jié)點連于高頻隔離變壓器T原邊繞組的異名端，高頻隔離變壓器T的副 邊繞組經(jīng)輸出橋式整流電路后連于輸出濾波電容Q的兩端，輸出橋式整流電路的具體連 接方式為，二極管Di和D2順向串聯(lián)后連在直流變壓器的正負輸出端，二極管D3和D4順向 串聯(lián)后也連在直流變壓器的正負輸出端，二極管的串聯(lián)連接點連于高頻隔離變壓器 T副邊繞組的同名端，二極管D3和D4的串聯(lián)連接點連于高頻隔離變壓器T副邊繞組的異名端。前級直流變壓器2內(nèi)部的具體連接方式與前級直流變壓器1相同，不再熬述。后級的每一相逆變器均采用非隔離型的雙Buck拓撲結(jié)構(gòu)，每個雙Buck逆變器模 塊包含兩個開關(guān)管、兩個二極管、兩個電感和一個輸出電容。以后級a相逆變器為例，其具 體的主電路拓撲如圖3所示，其連接方式為開關(guān)管S5的漏極與二極管D6的陰極相連接后 接在前級直流變壓器的正相輸出端，二極管D5的陽極與開關(guān)管S6的源極相連接后接在前級 直流變壓器的負相輸出端，開關(guān)管S5的源極與二極管D5的陰極相連接，二極管D6的陽極與 開關(guān)管S6的漏極相連接，電感k和電感L2串聯(lián)后連接到開關(guān)管S5的源極與二極管D6的陽 極之間，a相雙Buck逆變器的輸出電容Ca的一端連接在電感k和電感L2的連接處另一端 接在輸出地。輸出電容(；兩端的電壓即為后級a相逆變器的輸出電壓ua。后級b相逆變 器和后級c相逆變器的內(nèi)部器件的連接方式均與后級a相逆變器相同，不再熬述。三相逆 變器輸出端共地，其連接方式為星型連接方式，星型連接的中點為輸出端地線。中功率兩級式三相靜止變流器中的前級直流變壓器采用控制占空比接近0.5并 且固定的電壓開環(huán)控制，以前級直流變壓器1為例，每個模塊中后級全橋型直流變壓器各 橋臂開關(guān)管驅(qū)動信號的產(chǎn)生電路如圖4所示，固定的電壓給定信號與三角波載波經(jīng)電壓比 較器交截產(chǎn)生PWM波，該PWM波通過驅(qū)動邏輯生成電路的一系列邏輯運算后控制后級直流 變壓器的開關(guān)管Si-S4，使得前級電路正常開環(huán)工作。前級直流變壓器2的電壓開環(huán)控制方 案與前級直流變壓器1的電壓開環(huán)控制方案相同，不再熬述。中功率兩級式的三相靜止變流器中后級的三個逆變器模塊采用相同的控制方法， 僅各相輸出電壓的基準互差120度。以后級a相逆變器為例，其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。后 級a相逆變器的輸出電壓采樣iC和后級a相逆變器的輸出電壓基準 6f經(jīng)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器 后得到后級a相逆變器的輸出電流基準iref。后級a相逆變器的輸出電流采樣i:和后級 a相逆變器的輸出電流基準iref經(jīng)電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器后得到PWM波。電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的后 級a相逆變器的輸出電流基準通過電流過零比較器判斷其輸出電流的正半周期和負半 周期。該PWM波和電流過零比較器的輸出通過驅(qū)動邏輯生成電路的一系列邏輯運算后控制 后級a相逆變器的開關(guān)管S5和S6，使得后級電路正常工作。后級b相逆變器和后級c相逆 變器的半周期電流滯環(huán)控制方案均與a相逆變器的半周期電流滯環(huán)控制方案相同，不再熬 述。中功率兩極式三相靜止變流器的前級直流變壓器中，各橋臂開關(guān)管的等效結(jié)電容 與折算到高頻變壓器原邊的漏感在開關(guān)時刻產(chǎn)生諧振，以實現(xiàn)各橋臂開關(guān)管的軟開關(guān)，減 小了各橋臂開關(guān)管的開關(guān)損耗。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于中功率場合的兩級式三相靜止變流器，其主電路特征在于主電路由前后兩級構(gòu)成，前級由兩個全橋結(jié)構(gòu)的直流變壓器組成，分別為直流變壓器1和直流變壓器2，兩個直流變壓器輸入端并聯(lián)，輸出端串聯(lián)，串聯(lián)點即是中點；后級由三個逆變器模塊組成，分別為a相逆變器、b相逆變器和c相逆變器，三個逆變器的輸入端并聯(lián)起來與前級直流變壓器的輸出端相連接，每個逆變器的具體拓撲均為雙Buck結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于中功率場合的兩級式三相靜止變流器，其控制電 路特征在于三相靜止變流器的前級采用電壓開環(huán)控制，后級采用半周期電流滯環(huán)控制，前 級每個直流變壓器采用獨立的電壓開環(huán)控制電路，使得橋臂開關(guān)管占空比接近0. 5并且固 定，后級每個逆變器采用獨立的半周期電流滯環(huán)控制電路，輸出電流過零比較器根據(jù)系統(tǒng) 輸出電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出判斷輸出電流的正半周期和負半周期區(qū)域，系統(tǒng)輸出電壓環(huán)調(diào)節(jié) 器的輸出同時作為輸出電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的給定信號，輸出電流過零比較器的輸出信號與輸 出電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的邏輯輸出信號經(jīng)過一定邏輯運算后得到各逆變器的驅(qū)動邏輯信號，調(diào) 節(jié)各逆變器模塊開關(guān)管的占空比。
全文摘要
一種應(yīng)用于中功率的三相靜止變流器，包括了主電路和控制電路。主電路為前后級結(jié)構(gòu)，前級為兩個直流變壓器模塊，分別為直流變壓器1和直流變壓器2，兩個直流變壓器輸入端并聯(lián)輸出端串聯(lián)；后級的三個逆變器模塊分別為a相雙Buck逆變器、b相雙Buck逆變器和c相雙Buck逆變器，三個逆變器的輸入端并聯(lián)?？刂齐娐钒妷洪_環(huán)控制電路，半周期電流滯環(huán)控制電路。該兩級式三相靜止變流器的電路拓撲簡單、體積小、效率高、可靠性高。
文檔編號H02M3/335GK101860245SQ20101014252
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者吳雪花, 曹劍坤, 王慧貞 申請人:南京航空航天大學