專利名稱：具有星形結構模塊的電源轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電源轉換器，用于從沒有中線連接的多相供電干線提供隔離電源或其它電源。本發(fā)明尤其(而非排它的)涉及一種電源轉換器，其中轉換器模塊以星形結構連接，而將結點電壓與并聯(lián)于此轉換器模塊的星形網(wǎng)絡的結點電壓相比較，從而對每個轉換器模塊提供反饋信號以保證平衡的工作。
背景技術：
參考

圖1，該圖示出了用于大功率工作的典型的已有技術電源轉換裝置。三相線1，2，3對交流-直流轉換模塊4，5和6提供三相電源。轉換器模塊4，5和6的輸出通過組合器7組合以對負載8或電池等提供直流電源。在這種情況下配備了一根中線9，于是它保證使具有任何從中線9返回的不平衡電流的裝置保持穩(wěn)定。
許多供電局不喜歡提供中線連接。如果中線連接9從圖1的裝置中拿開，除非設法使4，5和6的星形接點起到中性點的作用，否則此裝置會不穩(wěn)定。
本發(fā)明的一個目的是對可能不具有中線的多相電源提供一種穩(wěn)定的電源轉換器，或至少給人們一個有用的選擇。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面提供了一電源轉換器，用于從可能不具有中線的多相交流電源中產生輸出電源，所述電源轉換器對所述交流電源每個相都備有輸入端和輸出端，所述電源轉換器還包括(i)多個轉換器模塊，所述轉換器模塊的交流輸入端以星形結構連在交流輸入端子之間，所述轉換器的輸出對所述輸出端提供輸出電源；(ii)在交流輸入端兩端與星形連接的轉換器模塊并聯(lián)的星形網(wǎng)絡；(iii)輸出傳感裝置，監(jiān)視所述輸出端兩端的輸出電壓，并將輸出電壓與所需值相比較而產生與其相關的需要的信號；(iv)反饋裝置，監(jiān)視所述星形連接的轉換器模塊結點和所述星形網(wǎng)絡結點之間的電壓差，并對每相產生代表該相監(jiān)測到的電壓差的輸出信號；(v)控制裝置，結合所述每相的反饋裝置的輸出信號和所述輸出傳感裝置需要的信號對每相提供一控制信號，而該控制信號加到每個轉換器的控制輸入端。
星形網(wǎng)絡最好由等值阻抗的網(wǎng)絡構成。這些阻抗應基本上是電阻性的。組合器最好把各所述轉換器模塊的輸出組合在一起，并對所述輸出端提供組合后的輸出電壓。輸出電源可以是交流或直流。
附圖概述應考慮為新特點的本發(fā)明的其它方面通過可能實施例給出的下列說明將變得更明顯，其中所參考的附圖是圖1用圖解法示出適用于使用包括中線連結的多相電源的已有技術裝置。
圖2示出依據(jù)本發(fā)明的第一個實施例產生直流輸出的電源轉換器的方塊圖。
圖3示出圖2的三相轉換器反饋電路的工作原理。
圖4示出依據(jù)本發(fā)明變化的實施例的電源轉換器的方塊圖。
圖5示出圖2中電源轉換器的反饋電路對兩相交流輸入的工作原理。
本發(fā)明最佳實施方式首先參考圖2產生直流輸出的較佳實施例。所使用的交流輸入端10，11，12連到?jīng)]有中線連接的三相交流電源。轉換器模塊13，14和15通過交流輸入端10，11和12以星形結構連接。結點S定為處于星形連接的轉換器模塊的中心。轉換器模塊13，14和15具有交流輸入端13a，13b，14a，14b，15a和15b以及直流輸出端13c，14c和15c。轉換器13c，14c和15c的直流輸出由組合器16組合，而組合器16能對直流輸出端17提供所需的直流輸出。
星形平衡電路僅在每個模塊的輸入電流名義上是持續(xù)的正弦特性時才工作。原因在于電阻性的輸入特性，換句話說，阻抗18，19，20同由轉換器13，14，15代表的處于交流電源頻率下即呈電阻性的阻抗在本質上是一樣的。
由阻抗元件18，19和20構成的星形網(wǎng)絡通過交流輸入端10，11和12并聯(lián)到轉換器模塊13，14和15的星形網(wǎng)絡上。元件18，19和20最好基本上是等值的電阻性阻抗。節(jié)點N定為位于元件18，19和20的相交處。只要基本上呈電阻性的阻抗元件18，19和20都相等，結點N上的電壓就代表一個基準中性電壓。如果轉換器模塊13，14和15的每個所汲取的功率都是理想的電阻形式，即電流與轉換器兩端的電壓成正比，那么結點N處的電壓代表結節(jié)S應該所處的電壓。為保證穩(wěn)定的工作，結點S處的電壓應盡可能接近于結點N處的電壓?，F(xiàn)在說明本發(fā)明獲取這個結果的方法。
電壓傳感器21，22和23分別傳感基本上為電阻性的阻抗元件18，19和20兩端的電壓。電壓傳感器21，22和23的輸出電壓加到過零檢測器24，25和26。對過零檢測器24，25和26的輸入通常是基本上為正弦形式的波形。過零檢測器24，25和26根據(jù)這些輸入電壓產生方波輸出。當從電壓傳感器21，22和23來的電壓為正時，過零檢測器24，25和26的輸出是邏輯高電平，當電壓為負時，輸出為邏輯低電平。
差分放大器27比較結點S處的電壓和結點N處的電壓。結點S處的電壓加到差分放大器27的正向端。而結點N處的電壓加到差分放大器27的反向端。并分放大器27的輸出端28是代表結點S處的電壓減去結點N處的電壓所得的差壓的正向輸出電壓。輸出端29是反向端，代表結點N處的電壓減去結點S處的電壓所得的差壓。
正向輸出28和反向輸出29都加到同步開關30，31和32。同步開關30，31和32根據(jù)過零檢測器24，25和26的輸出信號切換它位于正向輸出28和反向輸出29之間的輸出33，34和35。當過零檢測器24的輸出為高時，同步開關30切換到正向輸出28，從而它的輸出33就是正向輸出端28的輸出。當過零檢測器24的輸出為低時，同步開關30切換到線路29的輸出，從而同步開關33的輸出就是反向輸出端29的輸出。
同樣，當接收到來自過零檢測器25和26的邏輯高信號時，同步開關31和32的輸出端34和35連到正向輸出端28，當接收到來自過零檢測器25和26的邏輯低信號時，同步開關31和32的輸出端34和35連到反向輸出端29。
此裝置保證了線路33，34和35上的輸出分別相應于轉換器13，14和15的結點S和N之間的電壓更替。這將通過參考圖3的例子來說明。圖3d和3e示出當轉換器13兩端的電壓低于元件18兩端的電壓時差分放大器27的各個輸出28和29。從時刻T0到T1，過零檢測器24產生邏輯高輸出，從而同步開關30的輸出端33連到正向輸出線28。從時刻T1到T2，過零檢測器24具有邏輯低輸出，從而同步開關30的輸出端33連到差分放大器27的反向端29。于是如圖3f所示可看出，T0至T5之間的輸出電壓是連續(xù)的正向波動電壓。如果轉換器13兩端的電壓大于元件18兩端的電壓，也能示出負向波動電壓的結果。
對轉換器模塊13，14，15提供適當?shù)闹绷骺刂菩盘栃枰M行調節(jié)。同步開關30，31和32的輸出33，34和35加到低通濾波器和放大器36，37和38，以產生大幅度減少了波動的直流控制信號。輸出傳感器39把測量的直流輸出與一期望值相比較，并在線路40上輸出同測量值與期望值之差相關的需求信號。輸出的需求信號40反饋給轉換器模塊13，14和15以調節(jié)它們的輸出，從而達到期望的組合直流輸出。低通濾波器和放大器36，37和38的輸出代表了每個轉換器模塊達到平衡工作的反饋信號。需求信號40和低通濾波器和放大器36，37和38的輸出在加法器41，42和43中組合。對每個相的輸出加到每個轉換器13d，14d，15d各自的控制輸入端。
于是，對每個轉換器模塊的控制信號包含兩個分量。第一個分量同測得的轉換器的直流輸出相關，且指出轉換器作為一個整體是否必須增加或減少其輸出。第二個分量代表每個轉換器模塊的輸出是否應增加或減少，使結點S處的電壓接近于結點N處的電壓以達到平衡的工作。
如果一個相丟失了，例如轉換器模塊13不工作，那么當把向不工作或停用的轉換器供電的電源線與電路隔離時，仍可獲得大于原來60％的功率。使用位于轉換器模塊13和元件18及電源線10之間的開關可實現(xiàn)此隔離。同樣地，利用位于轉換器14，15和元件19、20及其各自的電源線之間的開關能實現(xiàn)兩相工作。
在兩相工作狀態(tài)中，輸入端11和12處相間的電壓現(xiàn)在大體上將由電阻性的阻抗元件20和19之間均分。利用三相平衡所描述的同樣的方法，平衡電路將起到使結點S和結點N處的電壓相等的作用，從而在電源轉換器14和15之間得到電壓均分。
參考圖5和2，電路波形示出通過轉換器14的功率大于轉換器15的情況。如果未經(jīng)調整，14兩端的電壓將趨向下降而15兩端的電壓增高。在時段TW中，開關32將29連到35。這就產生如V35所示的負向波沖。
此信號V35在38中濾波及在43中組合后，將被用于減少通過14的功率。相同的一系列事件引起V34所示的正向波動。
當使通過轉換器14和15的功率相互接近時，V34和V35的幅值將減小，直至在平衡時達到零。
現(xiàn)在參考圖4示出的本發(fā)明變化的實施例。本實施例以同樣方式組成，從而產生直流輸出。如先前的實施例，轉換器模塊53，54和55在交流輸入端50，51和52(沒有中線的三相電源)以星形結構連接。由元件56，57和58組成的星形網(wǎng)絡還是在由轉換器模塊53，54和55形成的星形網(wǎng)絡的兩端并聯(lián)連接。轉換器模塊53，54和55的直流輸出再由組合器59組合，以在直流輸出端60產生所需的直流輸出。輸出傳感器61傳感輸出直流端處的電壓，并將此電壓與期望值比較并通過線路62把需求信號加到加法器63，64和65。低通濾波器和放大器66，67和68像圖2的低通濾波器和放大器36，37和38那樣提供反饋相位分量。這些信號由加法器63、64和65組合，而這些加法器能對轉換器模塊53，54和55提供所需控制信號。應注意，由低通濾波器和放大器模塊提供的控制信號應相對于直流輸出傳感裝置61的輸出62作適當標定，以保證穩(wěn)定的工作。至此描述的轉換器的工作原理同圖2的轉換器相同?，F(xiàn)在將描述本實施例中使用的對每個相提供反饋信號的不同技術。
每個差分放大器69，70和71的反向端連到轉換器模塊的結點S。差分放大器69，70和71的正向輸入端連到交流輸入端50，51和52。每個差分放大器69，70和71產生的輸出電壓正比例于各轉換器模塊53、54和55兩端的電壓幅值，此輸出由全波整流器72，73和74進行全波整流。
交流輸入端50，51和52也連到差分放大器75，76和77各自的正向輸入端。然而在此情況下，差分放大器75，76和77的反向輸入端連到實際為電阻性的阻抗網(wǎng)絡56，57和58的結點N上。差分放大器75，76和77的輸出代表每個相理想的電壓幅值，這里正被耗用的功率與所加電壓成正比。差分放大器75，76和77的輸出由全波整流器78，79和80進行全波整流。
差分放大器81比較全波整流器72的輸出幅值和全波整流器78的輸出。差分放大器81的輸出代表轉換器53兩端的實際電壓與轉換器53兩端的理想電壓之差壓(即電阻器56兩端的電壓代表給出所需功率均分的53兩端的所需電壓)。差分放大器81的輸出于是代表模塊53的誤差信號而且反饋給轉換器53的控制輸入端，以保證轉換器耗用功率正比于理想的施加電壓。差分放大器82和83同樣對另外兩個轉換器模塊54和55(即，另兩個相)產生誤差信號。
差分放大器81，82和83送出的誤差信號由低通濾波器和隔離放大器66，67和68濾波和標定。從低通濾波器和隔離放大器66，67和68送出的每個相的誤差信號與直流輸出傳感裝置61送出的需求信號由加法器63，64和65組合并加到每個轉換器模塊的控制輸入端。
實際使用時，差分放大器81，82和83將配用低通濾波器66，67和68。為容易與圖2比較，它們分別在圖4中示出。
于是可知，如果轉換器模塊53兩端的電壓低于實際為電阻性的阻抗56兩端的電壓(即模塊53比理想平衡工作耗用更多的功率)，那么差分放大器81的輸出為負，從而對轉換器模塊53的控制輸入將減少，以降低由此模塊驅動的負載。另一方面，如果模塊53兩端的電壓高于實際為電阻性的阻抗56兩端的電壓，那么比較器81的輸出為正并將加到需求信號62中，與本發(fā)明沒有反饋控制而耗用的功率相比較，這樣就增大了轉換器模塊53所耗用的功率。
于是可知，直流輸出傳感器61產生的需求信號62代表了轉換器53，54和55產生所需直流電源而要求的輸出電平。此需求信號由本發(fā)明的反饋方法對每個相調整，以保證獲得的功率由每個轉換器平均耗用。這在沒有中線連接時提供了轉換器穩(wěn)定的工作。
也要注意，需要時可以方便地更改圖2和4示出的兩個電路，以產生交流輸出。
工業(yè)應用性雖然本發(fā)明的電源轉換器在許多電源裝置中具有廣泛的應用，但還可看到該電源轉換器特別適用于電信機架電源系統(tǒng)。本發(fā)明的電源轉換器還可特別應用于無中線連接的地方。
權利要求
1.一種電源轉換器，其特征在于包括用于交流電源每個相的交流輸入端；輸出端；多個轉換器模塊，每個轉換器模塊的交流輸入端以星形結構連接在所述交流端之間，每個轉換器模塊的輸出端對每個所述輸出端提供輸出電源；實際為電阻性阻抗的星形網(wǎng)絡，它在交流輸入端兩端并聯(lián)于星形連接的轉換器模塊；輸出傳感裝置，用于監(jiān)視所述輸出端兩端的輸出電壓，并將此電壓與所需的值比較，產生與其相關的需求信號；反饋裝置，用于監(jiān)視所述星形連接轉換器模塊的結點和所述星形網(wǎng)絡的結點之間的電壓差，并對每個相產生代表監(jiān)測到的每個相電壓差的輸出信號；控制裝置，用于把所述反饋裝置的輸出組合在一起以對每個相提供加到每個轉換器控制輸入端的控制信號。
2.如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于星形網(wǎng)絡由實際上等值的電阻性阻抗網(wǎng)絡構成。
3.如權利要求1或2所述的電源轉換器，其特征在于組合器組合各所述轉換器模塊的輸出并把組合輸出加到所述輸出端。
4.如上述權利要求中任一所述的電源轉換器，其中所述反饋裝置對每個相都包括一差分放大器，一低通濾波器，一同步開關，一過零檢測器和一電壓傳感器，其特征在于一代表所述星形連接轉換器模塊的所述結點處電壓與所述星形網(wǎng)線絡的所述結點處電壓之間的差壓的信號與一代表此信號反向值的電壓都加到響應于從相應的過零檢測器的信號的所述同步開關，所述過零檢測器依次響應于傳感一個構成星形網(wǎng)絡的元件兩端的電壓極性的所述電壓傳感器，從而同步開關產生相應于每個相的切換信號，所述同步開關的每個輸出提供給低通濾波器以減少波動，從而產生期望的反饋信號。
5.如權利要求1至3中任一所述的電源轉換器，其中所述反饋裝置相應于每個相包括一低通濾波器，一第一差分放大器，三個第二差分放大器及三個全波整流器，其特征在于所述第二差分放大器傳感每個轉換器模塊和每個構成星形網(wǎng)絡的元件兩端的電壓，所述第二差分放大器的輸出進行全波整流，從而由第一差分放大器將每個全波整流過的轉換器模塊電壓與相應的全波整流過的星形網(wǎng)絡元件電壓相比較，這里輸出代表每個轉換器兩端的實際電壓與每個轉換器兩端的理想電壓之差壓，每個差分放大器的輸出提供到低通濾波器以減少波動，產生相應于所需的反饋信號的輸出。
6.如權利要求5所述的電源轉換器，其特征在于響應于全波整流器的第一差分放大器裝有低通濾波器。
7.如上述權利要求中任一所述的電源轉換器，其特征在于所述電源轉換器包括用來選擇性地使交流輸入端與相應的電源轉換器和實際的電阻性阻抗元件隔離的裝置。
8.如上述權利要求中任一所述的電源轉換器，其特征在于所述電源轉換器包括用來選擇性地使任意單個交流輸入端與其相應的電源轉換器和實際的電阻性阻抗元件隔離的裝置。
9.如上述權利要求中任一所述的電源轉換器，其特征在于提供了兩相交流電源。
全文摘要
一種由轉換器模塊(13，14，15)構成的電源轉換器以星形結構連接。轉換器模塊的輸入端連到交流輸入端(10，11，12)，輸出端連到直流輸出端(17)。第二星形網(wǎng)絡(18，19，20)并聯(lián)到星形連接轉換器模塊。直流輸出傳感裝置(39)監(jiān)視直流輸出端(17)兩端的輸出電壓，并根據(jù)它與所需值的比較結果產生需求信號。反饋網(wǎng)絡(27-35)監(jiān)視電壓差?？刂凭W(wǎng)絡(36-43)把反饋裝置的輸出與需求信號相加，并對每個相產生用于控制每個相應轉換器的控制信號。
文檔編號H02M7/23GK1123069SQ94192073
公開日1996年5月22日 申請日期1994年5月11日 優(yōu)先權日1993年5月11日
發(fā)明者克林·約翰·塔克, 戴維·阿倫·詹姆斯, 丹尼斯·阿倫·查普曼 申請人:施威希動力體系有限公司