CN102055354B - 一种交流直流转换器以及一种变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流直流转换器，包括：基于三相晶闸管的转换器、基于简化后的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的全桥转换器，以及连接于两者之间的电感；在驱动模式下，基于三相晶闸管的转换器按照交流-直流整流器的方式进行工作，基于简化后的IGBT的全桥转换器按照升压斩波电路的方式进行工作，并控制电感对供电电网的电流谐波进行抑制，以提高功率因数；在再生制动模式下，基于三相晶闸管的转换器将再生能量反馈给供电***，以实现能量回收。本发明同时公开了一种变频器。应用本发明所述的方案，既能提高功率因数，又能实现能量回收，且实现成本较低。

Description

一种交流直流转换器以及一种变频器
技术领域
本发明涉及电子电路技术，特别涉及一种交流直流转换器以及包含该交流直流转换器的变频器。
背景技术
目前，变频调速电机驱动(变频器)已经在各不同的工业领域内得到了广泛应用，主要用于进行精确的速率控制或节省能量等。由于结构简单且成本较低，在大多数的变频器中，均采用二极管桥式整流器来进行交流(AC，Alternating Current)到直流(DC，Direct current)的转换。图1为现有常用的变频器的结构示意图。如图1所示，二极管桥式整流器用于处理交流到直流的转换，基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated GateBipolar Transisitor)的变频器用于处理直流到交流的转换。
但是，二极管桥式整流器有其自身的局限性。首先，它是一个不可控设备，而且其输入电流(供电电网电流)中包括显著的谐波(低功率因数)，从而给供电***带来了额外的无功功率和电压应力；另外，二极管桥式整流器为一单向设备，因此，无法在再生制动过程中进行能量回收。
为提高功率因数，现有技术中常用的处理方式是使用电抗器。图2为现有具有电抗器的变频器的结构示意图。如图2所示，可将电抗器连接在直流侧，利用电抗器本身固有的滤除谐波的功能来提高功率因数。这种方式实现起来比较简单，但由于电抗器的体积通常较大，所以也使得变频器变重变大，并使得成本显著增加。现有技术中还提出利用有源滤波器来提高功率因数(连接在图1所示R、S、T端)，具体实现时可采用多个有源电力滤波器串联或并联的方式。这种方式能够实现单位功率因数，但也带来了成本的增加，因为有源滤波器的成本和变频器本身相差无几。
对于在再生制动过程中产生的再生能量，通常可利用制动电阻来消耗掉该再生能量。图3为现有具有制动电阻的变频器的结构示意图。但是，制动电阻的体积通常较大，所以使得变频器变重变大，而且这种处理方式还会带来发热问题。另外，出于节省能量的考虑，还可利用辅助设备将再生能量返回给供电***，但同样成本较高。
当前，又将研究的重点放在了基于IGBT的整流器上，其工作方式为脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)整流。图4为现有具有基于IGBT的整流器的变频器的结构示意图。PWM整流方式本身的特点，即能量双向流动以及能起到高频开关的作用等特点保证了图4所示结构既能达到提高功率因数的目的，又能实现能量回收。但是，该整流器由三相IGBT桥以及三相电感组成，而且，需要利用复杂的控制算法来产生IGBT的驱动信号，因此，成本非常高。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种交流直流转换器，既能达到提高功率因数的目的，又能实现能量回收，且实现成本较低。
本发明的另一目的在于提供一种变频器，既能达到提高功率因数的目的，又能实现能量回收，且实现成本较低。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种交流直流转换器，包括：基于三相晶闸管的转换器、基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器，以及连接在所述基于三相晶闸管的转换器和基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器之间的电感；其中：
所述基于三相晶闸管的转换器，用于在驱动模式下，按照交流-直流整流器的方式进行工作，在再生制动模式下，将再生能量反馈给供电***；
所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器，用于在驱动模式下，按照升压斩波电路的方式进行工作，在再生制动模式下，按照降压斩波电路的方式进行工作；
所述电感，用于在所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器的控制下对供电电网的电流谐波进行抑制。
一种变频器，包括：交流直流转换器、电容以及基于绝缘栅双极型晶体管的变频器；所述交流直流转换器包括：基于三相晶闸管的转换器、基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器，以及连接在所述基于三相晶闸管的转换器和基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器之间的电感；其中：
所述基于三相晶闸管的转换器，用于在驱动模式下，按照交流-直流整流器的方式进行工作，在再生制动模式下，将再生能量反馈给供电***；
所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器，用于在驱动模式下，按照升压斩波电路的方式进行工作，在再生制动模式下，按照降压斩波电路的方式进行工作；
所述电感，用于在所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器的控制下对供电电网的电流谐波进行抑制。
可见，采用本发明的技术方案，在驱动模式下，基于三相晶闸管的转换器按照交流-直流整流器的方式进行工作，基于简化后的IGBT的全桥转换器按照升压斩波电路的方式进行工作，以控制电感对供电电网的电流谐波进行抑制，提高功率因数；在再生制动模式下，控制基于三相晶闸管的转换器将再生能量反馈给供电***，以实现能量的回收，同时，控制基于简化后的IGBT的全桥转换器按照降压斩波电路的方式进行工作，以控制电感对供电电网的电流谐波进行抑制，从而使得在能量回收过程中的功率因数得以保证。另外，相比于现有技术，本发明所述方案中的交流直流转换器只需要由两个IGBT以及一个晶闸管转换器等组成，成本较低。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为现有常用的变频器的结构示意图；
图2为现有具有电抗器的变频器的结构示意图；
图3为现有具有制动电阻的变频器的结构示意图；
图4为现有具有基于IGBT的整流器的变频器的结构示意图；
图5为具有本发明所述AC-DC转换器的变频器的结构示意图；
图6为图5所示AC-DC转换器在驱动模式下的工作方式示意图；
图7为图5所示AC-DC转换器在再生制动模式下的工作方式示意图；
图8为采用现有具有二极管桥式整流器的变频器后供电电网的电流波形及频谱示意图；其中，图8(A)为电流波形示意图，图8(B)为频谱示意图；
图9为采用现有具有电抗器的变频器后供电电网的电流波形及频谱示意图；其中，图9(A)为电流波形示意图，图9(B)为频谱示意图；
图10为采用具有本发明所述AC-DC转换器的变频器后供电电网的电流波形和频谱示意图；其中，图10(A)为电流波形示意图，图10(B)为频谱示意图；
图11为在再生制动模式下采用本发明所述AC-DC转换器后的仿真结果示意图；其中，图11(A)为供电电网电压波形示意图，图11(B)为供电电网电流波形示意图。
具体实施方式
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种全新的AC-DC转换器结构，不但能够提高功率因数，而且具备能量回收功能，且成本较低。
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图5为具有本发明所述AC-DC转换器的变频器的结构示意图。如图5所示，该变频器主要由AC-DC转换器、电容以及基于IGBT的变频器三部分组成，其中，电容以及基于IGBT的变频器两部分的功能与现有技术中相同，不再赘述。
AC-DC转换器主要包括：基于三相晶闸管的转换器51、基于简化后的IGBT的全桥转换器52，以及连接在基于三相晶闸管的转换器51和基于简化后的IGBT的全桥转换器52之间的电感53。
由于全桥转换器由4个IGBT组成，而本实施例中只需要2个IGBT，即IGBT 522和IGBT 524，故将图5所示全桥转换器称为基于简化后的IGBT的全桥转换器。可以看出，简化后的IGBT的全桥转换器同样包括两个桥臂，但较之传统的全桥转换器，每个桥臂上均有一个IGBT被整流二极管521或523所代替。基于三相晶闸管的转换器51的两个输出端分别与两个桥臂相连。另外，需要说明的是，图5所示仅为举例说明，在实际应用中，电感53既可连接在基于三相晶闸管的转换器51的如图5所示的输出端上，也可连接在另一输出端上，还可同时连接在两个输出端上。
基于三相晶闸管的转换器51在驱动模式下，按照交流-直流整流器的方式进行工作，在再生制动模式下，将再生能量反馈给供电***。
基于简化后的IGBT的全桥转换器52在驱动模式下，按照升压斩波电路的方式进行工作，在再生制动模式下，按照降压斩波电路的方式进行工作。
电感53在基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器52的控制下对供电电网的电流谐波进行抑制。
为了表述方便，以下将基于三相晶闸管的转换器51和基于简化后的IGBT的全桥转换器52分别简称为晶闸管转换器51和全桥转换器52。
下面结合具体的附图，对本发明所述方案作进一步地详细说明：
图6为图5所示AC-DC转换器在驱动模式下的工作方式示意图。为简化附图，图6中省略了各组成部分的附图编号，后续图7所示情况相同。
在驱动模式下，能量从供电***传送到电机，通过控制晶闸管转换器51的导通角，使晶闸管转换器51按照AC-DC整流器的方式进行工作。
此时，全桥转换器52按照升压斩波电路的方式进行工作，即起到DC-DC斩波转换器的作用。具体来说，控制IGBT 524处于截止状态，并通过控制IGBT 522处于导通或截止状态来使电流流向按照图6所示路径1和路径2进行切换，即截止时对应路径1，导通时对应路径2，进而对电感53上的电流波形进行控制。
电感53对应的电流波形具有一个最优值，即最优波形。在该最优波形下，输入电流的谐波(即供电电网的电流谐波)能够被最大地削弱，即输入电流的谐波最小，从而使功率因数得以提高。在实际应用中，通过控制IGBT 522来改变电感53上的电流波形，使其达到最优值。
上述对晶闸管转换器51、IGBT 524以及IGBT 522等的控制方式均为本领域公知，不再赘述。
图7为图5所示AC-DC转换器在再生制动模式下的工作方式示意图。
在再生制动模式下，利用晶闸管转换器51本身的特性，通过控制晶闸管转换器51的导通角，将再生能量反馈给供电***。只有当晶闸管转换器51处于逆导状态时，才能将再生能量反馈给供电***，而要使晶闸管转换器51处于逆导状态，其导通角必须要控制在一定范围内。
此时，全桥转换器52按照降压斩波电路的方式进行工作。具体来说，控制IGBT522处于导通状态，并通过控制IGBT 524处于导通或截止状态来使电流流向按照图7所示路径1和路径2进行切换，即截止时对应路径1，导通时对应路径2，进而对电感53上的电流波形进行控制，使电感53上的电流波形处于最优波形，从而使得能量回收过程中的功率因数得以保证。
同样，上述对晶闸管转换器51、IGBT 524以及IGBT 522等的控制方式均为本领域公知，不再赘述。
可见，采用本发明所述方案后，不但提高了功率因数，而且实现了能量回收。
下面结合仿真结果，来说明本发明所述方案相比于现有技术的优势：
1)提高功率因数
图8为采用现有具有二极管桥式整流器的变频器后供电电网的电流波形及频谱示意图。其中，图8(A)为电流波形示意图，图8(B)为频谱示意图。可以看出，电流的峰值为35A左右，电流中具有显著的谐波成分。
图9为采用现有具有电抗器(2mH直流电抗器)的变频器后供电电网的电流波形及频谱示意图。其中，图9(A)为电流波形示意图，图9(B)为频谱示意图。可以看出，与图8所示相比，第11和第13次(550Hz和650Hz)谐波已经被明显降低，但第5和第7次(250Hz和350Hz)谐波仍然很明显；另外，电流峰值被降低到了9A左右。可以预见，如果采用更大电感量的电抗器，谐波将会被进一步降低，但是变频器将会变得更重、变大，成本也会更高。
图10为采用具有本发明所述AC-DC转换器的变频器后供电电网的电流波形和频谱示意图。其中，图10(A)为电流波形示意图，图10(B)为频谱示意图。可以看出，效果已经明显改善，即基本上所有的谐波均已被降低。
2)实现能量回收
图11为在再生制动模式下采用本发明所述AC-DC转换器后的仿真结果示意图。其中，图11(A)为供电电网电压波形示意图，图11(B)为供电电网电流波形示意图。可以看出，能量是从电机向电网流动的(因为电压和电流相位相反)，即实现了能量回收；而且，基于之前的介绍可知，能量回收过程中的功率因数能够得到保证。
3)成本较低
如图4所示，基于IGBT的整流器(工作于PWM整流方式)由三相IGBT桥以及三相电感组成，而图5所示的本发明所述方案中，AC-DC转换器主要由两个IGBT、一个电感以及一个晶闸管转换器组成。由于晶闸管的成本明显低于IGBT，因此本发明所述方案的整体成本要低于基于IGBT的整流器。
4)实现对直流电压的完全控制
对于传统的具有二极管桥式整流器的变频器来说，直流电压是不可控的，因此在供电电网电压出现波动的情况下变频器很容易出现故障。对于基于IGBT的整流器，其本质上起到升压斩波电路的作用，因此直流母线电压比较高，这一特点使得在供电电网电压比较高时会对IGBT造成损害。而对于本发明所述AC-DC转换器，由于存在两个直流电压控制阶段，即当全桥转换器工作于升压斩波电路方式，增大直流电压时，晶闸管转换器能够通过控制导通角来降低直流电压，反之亦然，从而使直流电压完全得到了控制，降低了由于供电电网电压波动所引起的故障机率。
需要说明的是，上述实施例仅用于举例说明，并不用于限制本发明的技术方案。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种交流直流转换器，其特征在于，包括：基于三相晶闸管的转换器(51)、基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)，以及连接于所述基于三相晶闸管的转换器(51)和基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)之间的电感(53)；其中：
所述基于三相晶闸管的转换器(51)，用于在驱动模式下，按照交流-直流整流器的方式进行工作，在再生制动模式下，将再生能量反馈给供电***；
所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)，用于在驱动模式下，按照升压斩波电路的方式进行工作，在再生制动模式下，按照降压斩波电路的方式进行工作；
所述电感(53)，用于在所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)的控制下对供电电网的电流谐波进行抑制；
并且其中所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)包括两个桥臂；
每个桥臂上包括一个整流二极管(521、523)以及一个与所述整流二极管(521、523)相串联的绝缘栅双极型晶体管(522、524)。
2.根据权利要求1所述的交流直流转换器，其特征在于，所述基于三相晶闸管的转换器(51)的两个输出端分别与所述两个桥臂相连；所述电感(53)连接在一个输出端上，或者，在两个输出端上均连接有所述电感(53)。
3.一种变频器，包括：交流直流转换器、电容以及基于绝缘栅双极型晶体管的变频器；其特征在于，所述交流直流转换器包括：基于三相晶闸管的转换器(51)、基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)，以及连接于所述基于三相晶闸管的转换器(51)和基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)之间的电感(53)；其中：
所述基于三相晶闸管的转换器(51)，用于在驱动模式下，按照交流-直流整流器的方式进行工作，在再生制动模式下，将再生能量反馈给供电***；
所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)，用于在驱动模式下，按照升压斩波电路的方式进行工作，在再生制动模式下，按照降压斩波电路的方式进行工作；
所述电感(53)，用于在所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)的控制下对供电电网的电流谐波进行抑制；
并且其中所述基于简化后的绝缘栅双极型晶体管的全桥转换器(52)包括两个桥臂；
每个桥臂上包括一个整流二极管(521、523)以及一个与所述整流二极管(521、523)相串联的绝缘栅双极型晶体管(522、524)。
4.根据权利要求3所述的变频器，其特征在于，所述基于三相晶闸管的转换器(51)的两个输出端分别与所述两个桥臂相连；所述电感(53)连接在一个输出端上，或者，在两个输出端上均连接有所述电感(53)。
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