CN102624263B - 电容桥电感桥串联谐振变流器 - Google Patents
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Abstract
电容桥电感桥串联谐振变流器，本发明将电容(C)，电感(含电阻)(LR)分别置于两个H型开关桥中，让电容(C)和电感(含电阻)(LR)都可以单独改变方向，并通过开关桥再串联起来构成LRC串联网络，LRC串联网络再与直流电源及其他相关元件组成电容桥电感桥串联谐振变流器。本发明结构简单，控制也简单，使用不同的开关元件可以应用于高频，也可以应用于低频；由于电容(C)通过开关桥可以改变方向，能量转换简单、彻底，是真正的软开关电路，而且开关只需开无需关，使得SCR可以充分发挥其长处，可以应用于25KHz以下的变频调压、变频调速、直流交流逆变、电磁感应加热，也可以应用于低频大电流电感负载控制。
Description
技术领域：本发明属变流器技术领域。
背景技术：电感(含电阻)(LR)器是储能元件，这就使得动态电感负载的剩余储能成为动态电感负载控制中难于处理的问题，例如步进电机、开关磁阻电机需要复杂的能量转换电路。利用LRC串联振荡可以将电感(含电阻)(LR)的储能转移到电容(C)器里，但是能量到了这里还得再转换出去，否则***运行将到此停步。为此，在全桥LRC串联谐振拓扑结构中设置了让振荡电容(C)所储电能向电源转移的通道，然而这使***的控制策略变得复杂同时转换的效果并不好。
发明内容：为解决电感负载无功能量的转换问题，许多研究者提出了各种解决方案，而本发明的方案是：将全桥LRC串联谐振拓扑结构中的LRC拆开，分置于两个H开关桥中，让电容(C)和电感(含电阻)(LR)都可以单独改变方向，并通过H开关桥再串联起来，构成“电容桥电感桥串联谐振”网络；电容桥电感桥串联谐振网络与电源及不同配合元件可以组成不同的变换器、逆变器。如图1所示。
在第一个半周期控制两个H开关桥的奇数桥臂同时开、偶数桥臂同时关，在回路里可以得到半个正弦波的电流，电感(含电阻)(LR)和电容(C)上可以得到相位互补的一半正弦波电压；经过四分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流达到最大值，振荡电容(C)电压为零；经过二分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流减小到零，振荡电容(C)充电至最大值。
在第二个半周期控制两个H开关桥的奇数桥臂同时关、偶数桥臂同时开，因电容(C)器的换向，电容(C)器的电压和电源的电压叠加，在前一个半周期储存在电容(C)里的能量和电源的能量一起释放，因电感器也改变了方向，在电感线圈里可以得到与前一个半周期方向相反的半个正弦波的电流；经过四分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流达到大于前一个半周期最大值，振荡电容(C)电压为零；经过二分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流减小到零，振荡电容(C)充电至大于前一个半周期最大值。
如此循环往复，使控制周期大于LRC串联谐振周期(控制频率小于LRC串联谐振频率)，经过数个控制周期，电感线圈里可以达到通过稳定的正弦波电流，理论上使控制周期等于LRC串联谐振周期，电感线圈里可以得到连续的正弦波电流和电感线圈两端连续的正弦波电压。
本发明利用开关桥使电容(C)器在下一个半周期里改变了方向，电容(C)电压的方向和电源电压的方向相同，并叠加而共同作用于电感负载，这既解决了电感负载剩余储能，又解决了电容(C)储能的二次转换问题，使转移到电容(C)的能量得到完全充分的利用。对于像步进电机、开关磁阻电机这样的动态电感负载，通常需要高低压双电源强激励驱动，故驱动***非常复杂。本发明充分利用了振荡电容(C)的储能，使其成为附加电源，并使电感负载得到需要的强激励。
本发明结构简单，控制也简单。由于利用了LRC串联振荡，从直流电源来的直流电在LRC串联电路里变成了电流能够过零的交流电，就不需要开关元件去实施关断动作，这就使开关元件的选择有了更大的余地。全控型开关元件的优点是能开能关，但缺点是通电时间有限，在高频下使用因通电时间短，在其安全工作区内还可以工作；但对于低频下因需用于长时间通电，全控型开关元件就力不能及了。由于电路里的电流能够自己过零，即自己关断而且是真正的软关断，并不需要其他更多的元件来制造软关断的环境，这就使得SCR这样半控型的开关元件有了用武之地，特别是SCR能在低频下甚至直流下工作，更是全控型开关元件所不能相比的。如果采用SCR，控制就比全控型开关元件简单得多，可以用很小的电流驱动巨大的工作电流，比全控型开关元件有更大的优势。
附图说明：
图1是标准的电容桥电感桥串联谐振变流器图；图2是解释具体实施例3的电容桥电感串联谐振变流器图；图3是解释具体实施例2的电容桥电感串联谐振调压器图；图4是解释具体实施例1的电容桥电感桥串联谐振变流器图。
具体实施方式：
1、如图4所示，将振荡电感器换为变压器(T)，就可以在变压器(T)的次级得到与前级隔离输出的接近正弦波的交流电压输出。由于LRC串联振荡槽路的品质因素很高，如果设计不当，振荡电容(C)和振荡电感(含电阻)(LR)上的振荡电压会是输入电压的若干倍，甚至超过开关元件额定耐压；若正确设计，在开关元件额定耐压范围内可以在电感器上获得高于输入电压的输出电压。
2、对于不需要和振荡回路级前级电源隔离的直流调压，可以采用如图3所示的拓扑结构，他省略掉了电感(含电阻)(LR)的开关桥，经过LRC串联槽路的直流电变成正半波的交流电并经整流电路送给滤波储能电容，最后由滤波电容输出给负载。
3、对于不需要在电感负载上获得接近正弦波电流的应用，如步进电机、开关磁阻电机的控制、电磁感应加热等，可以采用如图2所示的拓扑结构。
纯电感(含电阻)(LR)负载在直流电源驱动下，其电流按照电感(含电阻)(LR)的时间常数成指数曲线上升，电流达到预定值时需要强行关断，即所谓“硬关断”，关断后电感线圈还有剩余储能需要设置另外的装置将他转换出去，最好是送回电源。
本发明利用LRC串联振荡的性能对动态电感负载进行控制，对电感电流的上升时间略有影响(达到同样的电流的时间略有增加)，但串入电容(C)使电感(含电阻)(LR)所能达到的最大电流受到限制，当达到最大电流时即开始减小。本发明利用LRC振荡，当电感电流达到最大后就开始向振荡电容(C)充电，到电感电能全部放出时即电感电流为零时，全部电感储能转移到电容(C)中，电容(C)充电至电容(C)两端电压略高于电源电压。本发明如用于步进电机、开关磁阻电机，由于最大电流受到限制而无需闭环控制，使控制策略得到简化，为无传感器控制创造了条件。
本发明将振荡电容(C)单独置于一个H开关桥中，使得电容(C)可以单独改变方向，让与电源电压方向相反的电容(C)电压转到与电源电压方向相同的位置，使电容(C)的储能可以叠加到电源上向电感负载释放。对于时间常数很大的大电感负载，要提高大电感负载对电源激励的响应速度就要增大LR中的电阻(R)，而电阻(R)的增大就带来***能量的消耗增大、发热增大。由于电容储能可以叠加到回路中，电感线圈上可以得到远超过电源电压的激励，可以得到快速的响应。由于电容可以换向，电感的剩余储能转换到电容以后就不需要再一次向电源转移，而是直接作为附加电源作用于负载，故能量转换效率最高、损失最小、拓扑结构最为简单。
本发明利用LRC串联振荡的性能对动态电感负载进行控制，回路电流自动过零，同时电容(C)电压超前电流90度达到负的最大值，造成了最有利的“软关断”环境，给开关元件的应用创造了有利的条件。
Claims (1)
1.电容桥电感桥串联谐振变流器，将电容器、电感器分别置于两个H型开关桥中，第一个H型开关桥由开关S1、S2、S3、S4构成，第二个H型开关桥由开关S5、S6、S7、S8构成，电容器的一端连接开关S1、S4的开关连接点，另一端连接开关S2、S3的开关连接点；电感器的一端连接开关S5、S8的开关连接点，另一端连接开关S6、S7的开关连接点，由此构成电容桥和电感桥；所述电感器含有电感和电阻；将开关S4、S5对应连接、开关S3、S6对应连接，即电容桥和电感桥串联起来构成LRC串联网络，LRC串联网络再与直流电源及其他相关元件组成电容桥电感桥串联谐振变流器；开关S1、S3、S5、S7为奇数桥臂，开关S2、S4、S6、S8为偶数桥臂，其中，在第一个半周期控制两个H型开关桥的奇数桥臂同时开、偶数桥臂同时关，在回路里可以得到半个正弦波的电流，电感器和电容器上得到相位互补的一半正弦波电压；经过四分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流达到最大值；经过二分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流减小到零，振荡电容充电至最大值；在第二个半周期控制两个H型开关桥的奇数桥臂同时关、偶数桥臂同时开，因电容器的换向，电容器的电压和电源的电压叠加，在前一个半周期储存在电容器里的能量和电源的能量一起释放，在电感器的电感线圈里得到与前一个半周期方向相反的半个正弦波的电流；再经过四分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流达到大于前一个半周期的最大值；再经过二分之一的LRC串联谐振周期，振荡电路的电流减小到零，振荡电容器充电至大于前一个半周期的最大值。
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