專利名稱：備有中性線的三相電源變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及備有中性線的三相電源變流器。
向單相負(fù)載供電往往是對(duì)DC到AC三相電源變流器的一項(xiàng)要求。為了向單相負(fù)載供電，就必須有中性點(diǎn)。
一般利用變電設(shè)備來(lái)提供中性點(diǎn)，但是，這種設(shè)備體積相當(dāng)大，而且相當(dāng)重，而在某些應(yīng)用場(chǎng)合，卻必需使該變流器的重量和體積減到最小限度。
本發(fā)明設(shè)法提供了一種減小重量和體積的、具有中性點(diǎn)以便向單相負(fù)載供電的三相電源變流器。
因此，本發(fā)明提供了一種三相電源變流器，這種變流器包含有具有輸出端的電壓源、第一相輸出端、第二相輸出端、第三相輸出端以及中性輸出線，后者通過(guò)一對(duì)開(kāi)關(guān)、以所需的變流器輸出頻率或以該頻率的倍數(shù)而順序地連接到電壓源的輸出端以便使接到中性輸出線的輸出端是基準(zhǔn)地電位。
為了產(chǎn)生所述三相輸出端上的電壓信號(hào)的峰值電壓，可以用位于所述峰值電壓附近的電壓脈沖來(lái)調(diào)制通過(guò)該對(duì)開(kāi)關(guān)而把中性輸出線連接到電壓源輸出端的連接過(guò)程。
可以這樣調(diào)制接通過(guò)程，即，使得輸出脈沖處在對(duì)稱于峰值電壓的位置。
可以這樣調(diào)制接通過(guò)程，即，使得輸出脈沖處在相對(duì)于峰值電壓的±60°的相位區(qū)域內(nèi)。
可以通過(guò)第一對(duì)開(kāi)關(guān)、以第一頻率順序地把第一相輸出端連接到電壓源的輸出端，通過(guò)第二對(duì)開(kāi)關(guān)、以第一頻率和相對(duì)于第一相輸出端的、120°的超出相位、順序地把第二相輸出端連接到電壓源的輸出端，通過(guò)第三對(duì)開(kāi)關(guān)、以第一頻率和相對(duì)第一相輸出和第二相輸出端的、120°的超出相位、順序地把第三相輸出端連接到電壓源的輸出端，通過(guò)第四對(duì)開(kāi)關(guān)，以所需變流器的輸出頻率或者該頻率的倍數(shù)、順序地把中性輸出線連接到電壓源的輸出端，以使連接到該中性輸出線的輸出端是基準(zhǔn)地電位。
可以通過(guò)第一對(duì)開(kāi)關(guān)，把第一相輸出端連接到電壓源的輸出端之一，通過(guò)第二對(duì)開(kāi)關(guān)，以第一頻率把第二相輸出端順序地連接到電壓源的輸出端，通過(guò)第三對(duì)開(kāi)關(guān)，以第一頻率和相對(duì)于第二相輸出端的、120°的超出相位、順序地把第三相輸出端連接到電壓源的輸出端，通過(guò)第四對(duì)開(kāi)關(guān)、以所需的變流器的頻率或該頻率的倍數(shù)、順序地把中性輸出線連接到電壓源的輸出端以使連接到中性輸出線的輸出端是基準(zhǔn)地電位。
這些開(kāi)關(guān)可以是功率半導(dǎo)體。
這些功率半導(dǎo)體可以是晶體管。
所述電壓源可以是DC鏈耦電容器。
第四對(duì)開(kāi)關(guān)可用三倍于所需變流器輸出頻率把中性輸出線連接到輸出端。
該電源變流器可以是一種把DC變成AC的電源變流器。
該電源變流器可以是一種把AC變成AC的電源變流器。
下面將通過(guò)實(shí)例，參考各附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更充分的描述，各附圖中


圖1是本發(fā)明的帶有中性線的三相電源變流器的簡(jiǎn)單電路圖。
圖2示出該變流器內(nèi)各點(diǎn)上的波形圖。
圖3示出當(dāng)以不同方式工作時(shí)，該變流器內(nèi)各點(diǎn)上的波形圖。
圖1示出包含中性線的三相電源變流器10的電路。電路10包含具有輸出端14和16的電壓源12、使輸出端14和16同第一相輸出端22接通或斷開(kāi)的第一對(duì)開(kāi)關(guān)18和20、使輸出端14和16同第二相輸出端28接通或斷開(kāi)的第二對(duì)開(kāi)關(guān)24和26、使輸出端14和16同第三相輸出端34接通或斷開(kāi)的第三對(duì)開(kāi)關(guān)30和32以及使輸出端14和16同中性輸出線40接通或斷開(kāi)的第四對(duì)開(kāi)關(guān)36和38。
從圖2(a)和2(b)可以看出，電壓源12的輸出端14和16的電位分別在+V和O之間及O和-V之間變化，因而，輸出端14的電位總是比輸出端16的電位高V伏。
將電壓源12的輸出端14和16順序地電連接到第一相輸出端22、第二相輸出端28以及第三相輸出端34，因此，任何時(shí)候，只有三相輸出端中的一個(gè)是電連接到電壓源12上的。開(kāi)關(guān)18、20、24、26、30和32執(zhí)行把三相輸出端順序電連接到電壓源12的功能。第一相輸出端22、第二相輸出端28和第三相輸出端34上的電壓波形可分別在圖2(d)、2(e)和2(f)中看出。
參考圖2(d)、2(e)和2(f)，可以看出，在運(yùn)行中，最初第二相輸出端28處于-V伏的電位上，因而是由開(kāi)關(guān)26連接到輸出端16的。當(dāng)開(kāi)關(guān)18合上，以便把第一相輸出端22連接到電位為+V伏的輸出端14上時(shí)，開(kāi)關(guān)26就斷開(kāi)，從而把輸出端16與第二相輸出端28分離。當(dāng)合上開(kāi)關(guān)32，以便把第三相輸出端34連接到電位再次為-V伏的輸出端16時(shí)，開(kāi)關(guān)18就斷開(kāi)，從而把輸出端16與第一相輸出端22分離。
當(dāng)開(kāi)關(guān)24閉合，使第二相輸出端28接到電位為+V伏的輸出端14時(shí)，開(kāi)關(guān)32就斷開(kāi)，使第三相輸出端與輸出端16分開(kāi)。當(dāng)開(kāi)關(guān)20閉合，使第一相輸出端22連接到電位為-V伏的輸出端16時(shí)，開(kāi)關(guān)24就斷開(kāi)。最后，當(dāng)開(kāi)關(guān)30閉合，使第三相輸出端34與電位為+V伏的輸出端14連通時(shí)，開(kāi)關(guān)20斷開(kāi)，以完成該循環(huán)。
通過(guò)各相應(yīng)開(kāi)關(guān)對(duì)、用某一預(yù)定頻率(該頻率給出所需的變流器輸出頻率)，順序地把三相輸出端電連接到電源的輸出端;這些三相輸出端是以相互間相差120°而電連接到各輸出端的。
從圖2(g)，2(h)和2(i)中可以看出，線電壓是從相電壓之間的差數(shù)而獲得的。它們是分別從第一和第二相輸出端之間的差、第二和第三相輸出端之間的差以及第三和第一相輸出端之間的差而獲得的。
通過(guò)變更各開(kāi)關(guān)的操作順序，就可以使相序變更，圖2(j)2(k)和2(i)說(shuō)明在三相輸出端上倒相的波形。
電壓源12的輸出端14和16也順序地電連接到中性輸出線40上。開(kāi)關(guān)36和38交替地把中性輸出線40連接到電壓源12的輸出端14和16，這樣，就使中性輸出線40始終連接到電位為零的輸出端。在本實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)36和38是以三倍于所需變流器輸出頻率而斷開(kāi)或閉合的。開(kāi)關(guān)36和38也能夠以所需交流器輸出頻率、或者以所需變流器輸出頻率的合適的倍數(shù)而斷開(kāi)或合上。
以這樣的方式使中性輸出線接通或斷開(kāi)的操作就交替地使電壓源的輸出端的電位輪流地為地電位或中性電位。在一種情況下，為獲得正的輸出電壓而使輸出端的低電位為零電位，而另一種情況下，為獲得負(fù)的輸出電壓而使輸出端的高電位為零電位。
圖2(c)中所說(shuō)明的波形是跨接該三相變流器的輸入端而產(chǎn)生的，而實(shí)際上是一種雙極性幅度為±V伏的矩形波。
傅里葉分析表明，線電壓與相電壓的諧波分量之正確比值為3比1。
由于任何兩個(gè)相電壓之間的諧波互相抵銷的緣故，所以，示于圖2(g)、2(h)和2(i)中的線電壓波形比示于圖2(d)2(e)和2(f)中的相電壓波形含有較少的諧波分量。這導(dǎo)致如下結(jié)果線間電壓波形要比相間電壓波形更加容易進(jìn)行輸出電壓的濾波，以產(chǎn)生純粹的正弦波。
在實(shí)踐中，為了補(bǔ)償所要使用的開(kāi)關(guān)的局限性，要求各開(kāi)關(guān)動(dòng)作之間有某一短的、防止電壓源短路的時(shí)間是必要的。
該電壓源是DC鏈耦電容器，而各開(kāi)關(guān)是適合于規(guī)定用途的型號(hào)和額定功率的功率半導(dǎo)體。因?yàn)榭煽毓璨贿m用于需要短的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間的場(chǎng)合，所以，各功率半導(dǎo)體都是晶體管。
一種更加實(shí)用的方案使用了脈寬調(diào)制技術(shù)，這可提高所使用的開(kāi)關(guān)頻率，以便改進(jìn)輸出波形，并可通過(guò)改變所用脈寬的比例而變更輸出電壓。這個(gè)方案是與圖1所示的方案相同的，并且，是按圖2所示的原理而發(fā)揮作用的，但是，中性點(diǎn)是以高于參考圖2時(shí)所述及的頻率而開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的。
圖3說(shuō)明脈寬調(diào)制技術(shù)方案，其中，要求從該變流器輸出最高電壓，但是，能夠通過(guò)降低脈寬比例來(lái)減小輸出電壓。為了獲得最高輸出電壓，就有必要在整個(gè)輸出循環(huán)期間把電壓源連接到三相輸出端之一;反之，當(dāng)不是在整個(gè)輸出循環(huán)期間把電壓源連接到其中的一個(gè)相輸出端時(shí)，則降低了輸出電壓。
圖3(a)、3(b)和3(c)分別說(shuō)明在第一相輸出端22、第二相輸出端28和第三相輸出端34上的電壓波形。
圖3(d)和3(e)分別說(shuō)明開(kāi)關(guān)36和38的工作情況。
圖3(f)、3(g)和3(h)說(shuō)明從相電壓之間的差而獲得的線電壓。它們是分別通過(guò)第一相輸出端與第二相輸出端之間的差、第二相輸出端與第三相輸出端之間的差以及第三相輸出端與第一相輸出端之間的差而獲得的。
只要把形成相電壓波形的各脈沖44限定在位于代表各相輸出電壓(即圖3(a)所示的)的正弦波的峰值42附近±60°的區(qū)域中，則在本實(shí)施例中，線電壓和相電壓之間的比值可維持在3]]>∶1。這就有效地避免了發(fā)生在線電壓波形的正半周中的負(fù)脈沖，反之亦然，所述負(fù)脈沖將會(huì)使線電壓波形畸變。這一限制導(dǎo)致中性線轉(zhuǎn)換頻率和所需變流器輸出頻率之間具有等于3的比例因子，但是，在這里，它表現(xiàn)為一組脈沖，而不是象在第一方案中那樣，表現(xiàn)為三個(gè)輸出相位中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的單一脈沖。用其它合適的中性線轉(zhuǎn)換頻率也是可以的，例如，等于或若干倍于所需變流器的輸出頻率。
這些開(kāi)關(guān)需要某種形式的控制定時(shí)裝置，從而使它們保持同步;許多這種裝置是公知的，因而，將不在此處論述。
所述方案適用于必需向單相負(fù)載供電時(shí)的把三相DC變換成AC的電源變流器;或者適用于必需向單相負(fù)載供電時(shí)的把三相AC變換成AC的電源變流器。
因此，本發(fā)明通過(guò)提供換向中性點(diǎn)而使三相電源變流器能夠向單相負(fù)載供電。該換向中性點(diǎn)是通過(guò)一對(duì)可把該中性點(diǎn)交替地與電壓源的輸出相連接的開(kāi)關(guān)而形成的。
權(quán)利要求
1.一種包含具有輸出端(14、16)的電壓源(12)、第一相輸出端(22)、第二相輸出端(28)、第三相輸出端(34)的三相電源變流器，其特征在于中性輸出線(40)通過(guò)一對(duì)開(kāi)關(guān)(36、38)、以所需的變流器輸出頻率或該頻率的倍數(shù)而順序地連接到電壓源(12)的輸出端(14、16)，以便使連接到該中性輸出線(40)的輸出端處在基準(zhǔn)地電位。
2.如權(quán)利要求1中所要求的三相電源變流器，其特征在于為了產(chǎn)生所述三相輸出端(22，28，34)電壓信號(hào)的峰值電壓，用位于該峰值電壓附近的電壓脈沖來(lái)調(diào)制由開(kāi)關(guān)對(duì)(36，38)把中性輸出線連接到電壓源的輸出端(14，16)的連接過(guò)程。
3.如權(quán)利要求2中所要求的三相電源變流器，其特征在于調(diào)制所述連接過(guò)程，使得各脈沖對(duì)稱地定位于峰值電壓左右。
4.如權(quán)利要求2或3中所要求的三相電源變流器，其特征在于調(diào)制所述連接過(guò)程，使得各脈沖定位于所述峰值電壓附近±60°相位區(qū)域內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1至4的任一要求中所要求的三相電源變流器，其特征在于第一相輸出端(22)是由第一對(duì)開(kāi)關(guān)(18、20)以第一頻率順序連接到電壓源(12)的輸出端(14、16)的，第二相輸出端(28)是由第二對(duì)開(kāi)關(guān)(24、26)以第一頻率和相對(duì)于第一相輸出端的、120°的超出相位而順序連接到電壓源(12)的輸出端(14、16)的，第三相輸出端(34)是由第三對(duì)開(kāi)關(guān)(30、32)以第一頻率和相對(duì)于第一相輸出端(22)和第二相輸出端(28)的、120°的超出相位而順序地連接到電壓源(12)的輸出端(14，16)的，中性輸出線(40)是由第四對(duì)開(kāi)關(guān)(36、38)以所需變流器輸出頻率或該頻率的倍數(shù)而順序地連接到電壓源(12)的輸出端(14、16)以便使連接到中性輸出線(40)的輸出端是基準(zhǔn)地電位的。
6.如權(quán)利要求2至4的任一要求中所要求的三相電源變流器，其特征在于第一相輸出端(22)是由第一對(duì)開(kāi)關(guān)(18、20)連接到電壓源(12)的輸出端(14、16)中的一端的，第二相輸出端(28)是由第二對(duì)開(kāi)關(guān)(24、26)、以第一頻率順序連接到電壓電源(12)的輸出端(14、16)的，第三相輸出端(34)是由第三對(duì)開(kāi)關(guān)(30、32)以第一頻率和相對(duì)于第二相輸出端的、120°的超出相位而順序地連接到電壓源(12)的輸出端(14、16)的，中性輸出線(40)是由第四對(duì)開(kāi)關(guān)(36、38)以所需變流器輸出頻率或該頻率的倍數(shù)而順序地連接到電壓源(12)的輸出端(14、16)、以使連接到中性輸出線(40)的所述輸出端是基準(zhǔn)地電位的。
7.如權(quán)利要求1至6的任一要求中所要求的三相電源變流器，其特征在于開(kāi)關(guān)(18、20、24、26、30、32、36、38)是功率半導(dǎo)體。
8.如權(quán)利要求7中所要求的三相電源變流器，其特征在于所述功率半導(dǎo)體是晶體管。
9.如權(quán)利要求1至8的任一要求中所要求的三相電源變流器，其特征在于電壓源(12)是DC鏈耦電容器。
10.如權(quán)利要求1至9的任一要求中所要求的三相電源變流器，其特征在于第四對(duì)開(kāi)關(guān)(36、38)以三倍于所需要的變流器輸出頻率而把中性輸出線(40)連接到輸出端(14、16)。
11.如權(quán)利要求1至10的任一要求中所要求的三相電源變流器，其特征在于所述電源變流器是一種把DC變到AC的電源變流器。
12.如權(quán)利要求1至10的任一要求中所要求的三相電源變流器，其特征在于所述電源變流器是一種把AC變到AC的電源變流器。
全文摘要
為向單相負(fù)載供電，三相電源變流器需要中性輸出線。三對(duì)晶體管開(kāi)關(guān)把三相輸出端可分離地順序連接到電壓源的輸出端。第四對(duì)晶體管開(kāi)關(guān)可分離地把中性輸出線順序連接到電壓源的輸出端。中性輸出線總是連接到處于零電位的電壓源輸出端上。第四對(duì)晶體管開(kāi)關(guān)以所需的變流器輸出頻率或該頻率的適當(dāng)倍數(shù)(最好是三倍)而斷開(kāi)或閉合。通過(guò)提高第四對(duì)開(kāi)關(guān)的工作頻率以產(chǎn)生位于峰值電壓附近的脈沖，可改善輸出波形?？筛淖兠}寬以調(diào)節(jié)輸出電壓。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK1035744SQ8910123
公開(kāi)日1989年9月20日 申請(qǐng)日期1989年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月5日
發(fā)明者伊安·亨特, 邁克爾·薩德勒 申請(qǐng)人:勞斯萊斯有限公司