基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于交流變頻器控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 變頻器問世30多年來，其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，目前已大量應(yīng)用于各行各業(yè)，在 某些領(lǐng)域已取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。變頻器的廣泛應(yīng)用得益于電力電子器件制造技術(shù)、變流 技術(shù)、控制技術(shù)、微型計算機技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，同樣，變頻器的廣泛應(yīng) 用也有力地促進了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。在這種技術(shù)相互促進下，變頻器不斷地在小型化、功率 大、功能強、便于操作等方面得到了發(fā)展和完善。
[0003] 另一方面，變頻器又是諧波污染源，隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，諧波污染的問題也變 得日益嚴重，解決諧波污染的問題就成為我們面臨的一個重要課題。
[0004] 解決變頻裝置的諧波污染可從兩個途徑獲得，一個是附加濾波裝置和無功補償裝 置，另一個途徑是研發(fā)低諧波和高功率因數(shù)的變頻裝置。顯然前者是被動的補救方式，后者 是積極的主動方法。研究開發(fā)高質(zhì)量的有源前端變流器就是后一個途徑的具體體現(xiàn)。
[0005] 目前，高等級的低壓變頻器抑制諧波、提高功率因數(shù)的方法是采用有源前端變流 器附加有源濾波器的方法，有源前端變流器進行高功率因數(shù)控制和電能回饋控制，有源濾 波器進行諧波濾波，將諧波消除或抑制在允許的范圍內(nèi)。高等級中壓變頻器抑制諧波、提高 功率因數(shù)的方法是采用多重有源整流的方法，即由多重移相變壓器和多脈波整流及脈寬調(diào) 制（PWM)技術(shù)消除或抑制諧波、提高功率因數(shù)、進行電能回饋控制。而低等級的普通低壓和 中壓變頻器都普遍存在諧波、功率因數(shù)和電能回饋問題。
[0006] 縱觀目前的變頻器整流系統(tǒng)，高等級變頻器技術(shù)上可以實現(xiàn)功率因數(shù)接近" 1"、諧 波含量低于國家標準的要求數(shù)值及可電能回饋控制，但仍然存在系統(tǒng)價格昂貴、系統(tǒng)實現(xiàn) 復(fù)雜等弱點，這些弱點嚴重地制約了高端變頻器的實際應(yīng)用，目前市場上應(yīng)用的變頻器絕 大多數(shù)是低等級的普通的變頻器，這就使得變頻器廣泛應(yīng)用與治理諧波污染的矛盾日益突 出，同自然界的空氣和水的環(huán)境污染一樣，治理和解決電力電子裝置的諧波污染也是迫在 眉睫的問題。若能找到一種具有簡潔拓撲結(jié)構(gòu)、簡單易行、運行可靠、價格低廉的系統(tǒng)來替 代目前的各種變頻器整流系統(tǒng)，則能收到治理諧波污染和節(jié)能增效的綜合效果，將會大大 促進變頻器技術(shù)的發(fā)展。
[0007] 由于晶閘管具有耐受電壓高、額定導(dǎo)通電流大、效率高、可靠性好等優(yōu)點，自其問 世以來就一直獲得了廣泛的應(yīng)用，即使存在半控的特性，因而在某些領(lǐng)域被GT0、IGBT、IGCT 等全控型開關(guān)元件代替外，其在直流調(diào)速領(lǐng)域以及大功率應(yīng)用領(lǐng)域仍占據(jù)重要位置。實際 應(yīng)用表明，晶閘管仍是具有吸引力的電力電子器件之一，對其進行更深入的研究仍具有重 要的現(xiàn)實意義。
[0008] 有關(guān)基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器的研究目前還未見到公開發(fā)表的文獻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是深入研究變頻器的整流系統(tǒng)變換機理、拓撲結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)，研 發(fā)一種低諧波、高功率因數(shù)、可電能回饋、基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器。
[0010] 本發(fā)明的研究對象是晶閘管12脈波整流器，這是整流器的典型結(jié)構(gòu)，這樣結(jié)構(gòu)的 整流器其換流變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡單，出線容易，而且繞組利用率高，適合各種功率應(yīng)用場 合。
[0011] 本發(fā)明基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器實現(xiàn)方法的要點是在諧波抑制、晶閘 管應(yīng)用、系統(tǒng)綜合效率和四象限運行方面取得了突破性的進展。
[0012] 本發(fā)明基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器實現(xiàn)方法的特征是變頻器的有源前 端變流系統(tǒng)由一個一次側(cè)Y繞組[2]和二個互差30度的Y和A二次側(cè)繞組[3]和[4]的 移相變壓器、一個由兩個完全相同的晶閘管6脈波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋 以及一套多電平直流電流控制及合成單元[7]組成，采用非對稱電流的控制策略，通過多 電平直流電流控制及合成單元[7]，按（1)式和（2)式的特定變換規(guī)律實施對兩個三相變流 橋的電流波形進行控制，[34]是采用等增量臺階形三角波電流波形的多電平合成的Y三相 變流橋輸出電流波形，[35]是A三相變流橋輸出的電流波形，[36]是Y三相變流橋輸出和 A三相變流橋輸出合成的直流側(cè)電流波形，[32]是變壓器二次側(cè)Y繞組電流波形，[33]是 變壓器二次側(cè)A繞組電流波形，[31]是變壓器一次側(cè)得到的合成電流波形，為低諧波正弦 波波形，通過對Y三相變流橋和A三相變流橋電流幅值的直接控制和對等增量臺階形三角 波電流的相位控制，實現(xiàn)了功率因數(shù)任意可調(diào)、電能回饋制動，直流電壓和電流在〇?額定 值范圍自由調(diào)控的功能。
【主權(quán)項】
1. 本發(fā)明基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器實現(xiàn)方法的特征是變頻器的有源前端 變流系統(tǒng)由一個一次側(cè)Y繞組[2]和二個互差30度的Y和A二次側(cè)繞組[3]和[4]的移 相變壓器、一個由兩個完全相同的晶閘管6脈波變流橋[5]和[6]構(gòu)成的12脈波變流橋以 及一套多電平直流電流控制及合成單元[7]組成，采用非對稱電流的控制策略，通過多電 平直流電流控制及合成單元[7]，按（1)式和（2)式的特定變換規(guī)律實施對兩個三相變流橋 的電流波形進行控制，[34]是采用等增量臺階形三角波電流波形的多電平合成的Y三相變 流橋輸出電流波形，[35]是A三相變流橋輸出的電流波形，[36]是Y三相變流橋輸出和A 三相變流橋輸出合成的直流側(cè)電流波形，[32]是變壓器二次側(cè)Y繞組電流波形，[33]是變 壓器二次側(cè)A繞組電流波形，[31]是變壓器一次側(cè)得到的合成電流波形，為低諧波正弦波 波形，通過對Y三相變流橋和A三相變流橋電流幅值的直接控制和對等增量臺階形三角波 電流的相位控制，實現(xiàn)了功率因數(shù)任意可調(diào)、電能回饋制動，直流電壓和電流在0?額定值 范圍自由調(diào)控的功能。
式中： IBY :Y橋直流電流 IBA :A橋直流電流 Id。：直流側(cè)逆變器負載電流
2. 按照權(quán)利要求1所述的多電平直流電流控制及分配單元[2]采用下述原理實現(xiàn)： (1) 將直流電流均等分配到m個支路，每個支路連接到兩個可控開關(guān)，這兩個開關(guān)互補 動作，構(gòu)成互補開關(guān)對，分別連接到Y(jié)三相變流橋和A三相變流橋，m個支路可形成m+1個 電平的等增量臺階形三角波； (2) 每隔30° /m切換一個互補開關(guān)對，使流入Y三相變流橋的電流增加一個支路量， 同時也使流入A三相變流橋的電流減少一個支路量，經(jīng)過m個30° /m區(qū)間，當(dāng)所有支路電 流都流入Y三相變流橋后，再使流入Y三相變流橋的電流每隔30° /m減少一個支路量， 同時也使流入A三相變流橋的電流增加一個支路量，直到流入Y三相變流橋的電流減少到 零，重復(fù)以上過程，就可以將直流電流按等增量臺階形三角波的規(guī)律分配給Y三相變流橋 和A三相變流橋。
3. 按照權(quán)利要求1所述的基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器實現(xiàn)方法具有下述特 性： >低諧波高變換質(zhì)量，移相變壓器電源側(cè)電流諧波含量隨m增大而減小，其電流的THD與m的關(guān)系不于表1 ; 表1.THD與m的關(guān)系表
根據(jù)表1，當(dāng)m彡6時，移相變壓器電源側(cè)的諧波值被限制在3%以內(nèi)； >晶閘管全控化，按等增量臺階形三角波電流施加給Y三相變流橋和A三相變流橋，導(dǎo) 致了Y三相變流橋和A三相變流橋內(nèi)開關(guān)器件的電流按設(shè)定的等增量臺階形三角波電流 規(guī)律變化；當(dāng)構(gòu)成Y三相變流橋和A三相變流橋的開關(guān)器件為晶閘管時，施加等增量臺階 形三角波電流開始時給晶閘管門極觸發(fā)信號，晶閘管開通，在等增量臺階形三角波電流為 零期間，晶閘管電流為零被強迫關(guān)斷，即晶閘管開通受門極控制，電流為零關(guān)斷控制由等增 量臺階形三角波電流提供，兩者的結(jié)合使晶閘管實現(xiàn)了全控開關(guān)的作用；晶閘管的全控化 使觸發(fā)角移相范圍變?yōu)?180°?180°，這樣很容易的就可實現(xiàn)以往使用全控型開關(guān)器件 才能實現(xiàn)的功率因數(shù)可超前或滯后連續(xù)調(diào)節(jié)、功率因數(shù)為"1"的控制、電能回饋控制的高端 功能； >高效率，晶閘管在電流為零時關(guān)斷，在電壓為零時開通，實現(xiàn)了軟開關(guān)控制方式，無 開關(guān)損耗，其工作頻率為50Hz，開關(guān)頻率低，因而總效率高； >通過對施加給Y三相變流橋和A三相變流橋的等增量臺階形三角波幅值的控制，實 現(xiàn)了直流側(cè)電壓電流大范圍可控，直流側(cè)不再需要大的儲能元件。
【專利摘要】本發(fā)明基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器實現(xiàn)方法屬于交流變頻器控制技術(shù)，目的是深入研究變頻器的整流系統(tǒng)變換機理、拓撲結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)，研發(fā)一種低諧波、高功率因數(shù)、可電能回饋、基于晶閘管的高質(zhì)量有源前端變流器，其特征是變頻器的有源前端變流系統(tǒng)由一個移相變壓器、一個由兩個完全相同的晶閘管6脈波變流橋構(gòu)成的12脈波變流橋及一套多電平直流電流控制及合成單元組成，采用非對稱電流的控制策略，按特定變換規(guī)律對兩個三相變流橋進行控制，使移相變壓器網(wǎng)側(cè)電流為正弦波電流，實現(xiàn)了低諧波、功率因數(shù)任意可調(diào)、電能回饋制動，直流電壓電流大范圍可調(diào)的功能，適用于各種電壓等級和各種功率范圍的綠色節(jié)能型有源前端變流器。
【IPC分類】H02M7-155
【公開號】CN104578833
【申請?zhí)枴緾N201310479789
【發(fā)明人】高毅夫, 陳琳琳, 劉昆
【申請人】高毅夫
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月15日