CN104578833B - 基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法属于交流变频器控制技术，目的是深入研究变频器的整流***变换机理、拓扑结构及控制技术，研发一种低谐波、高功率因数、可电能回馈、基于晶闸管的高质量有源前端变流器，其特征是变频器的有源前端变流***由一个移相变压器、一个由两个完全相同的晶闸管6脉波变流桥构成的12脉波变流桥及一套多电平直流电流控制及合成单元组成，采用非对称电流的控制策略，按特定变换规律对两个三相变流桥进行控制，使移相变压器网侧电流为正弦波电流，实现了低谐波、功率因数任意可调、电能回馈制动，直流电压电流大范围可调的功能，适用于各种电压等级和各种功率范围的绿色节能型有源前端变流器。

Description

基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法

技术领域

本发明属于交流变频器控制技术。

背景技术

变频器问世30多年来，其应用得到了迅速发展，目前已大量应用于各行各业，在某些领域已取代了直流调速***。变频器的广泛应用得益于电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术、微型计算机技术、大规模集成电路技术的迅速发展，同样，变频器的广泛应用也有力地促进了相关技术的发展。在这种技术相互促进下，变频器不断地在小型化、功率大、功能强、便于操作等方面得到了发展和完善。

另一方面，变频器又是谐波污染源，随着变频器的广泛应用，谐波污染的问题也变得日益严重，解决谐波污染的问题就成为我们面临的一个重要课题。

解决变频装置的谐波污染可从两个途径获得，一个是附加滤波装置和无功补偿装置，另一个途径是研发低谐波和高功率因数的变频装置。显然前者是被动的补救方式，后者是积极的主动方法。研究开发高质量的有源前端变流器就是后一个途径的具体体现。

目前，高等级的低压变频器抑制谐波、提高功率因数的方法是采用有源前端变流器附加有源滤波器的方法，有源前端变流器进行高功率因数控制和电能回馈控制，有源滤波器进行谐波滤波，将谐波消除或抑制在允许的范围内。高等级中压变频器抑制谐波、提高功率因数的方法是采用多重有源整流的方法，即由多重移相变压器和多脉波整流及脉宽调制(PWM)技术消除或抑制谐波、提高功率因数、进行电能回馈控制。而低等级的普通低压和中压变频器都普遍存在谐波、功率因数和电能回馈问题。

纵观目前的变频器整流***，高等级变频器技术上可以实现功率因数接近“1”、谐波含量低于国家标准的要求数值及可电能回馈控制，但仍然存在***价格昂贵、***实现复杂等弱点，这些弱点严重地制约了高端变频器的实际应用，目前市场上应用的变频器绝大多数是低等级的普通的变频器，这就使得变频器广泛应用与治理谐波污染的矛盾日益突出，同自然界的空气和水的环境污染一样，治理和解决电力电子装置的谐波污染也是迫在眉睫的问题。若能找到一种具有简洁拓扑结构、简单易行、运行可靠、价格低廉的***来替代目前的各种变频器整流***，则能收到治理谐波污染和节能增效的综合效果，将会大大促进变频器技术的发展。

由于晶闸管具有耐受电压高、额定导通电流大、效率高、可靠性好等优点，自其问世以来就一直获得了广泛的应用，即使存在半控的特性，因而在某些领域被GTO、IGBT、IGCT等全控型开关元件代替外，其在直流调速领域以及大功率应用领域仍占据重要位置。实际应用表明，晶闸管仍是具有吸引力的电力电子器件之一，对其进行更深入的研究仍具有重要的现实意义。

有关基于晶闸管的高质量有源前端变流器的研究目前还未见到公开发表的文献。

发明内容

本发明的目的是深入研究变频器的整流***变换机理、拓扑结构及控制技术，研发一种低谐波、高功率因数、可电能回馈、基于晶闸管的高质量有源前端变流器。

本发明的研究对象是晶闸管12脉波整流器，这是整流器的典型结构，这样结构的整流器其换流变压器绕组结构简单，出线容易，而且绕组利用率高，适合各种功率应用场合。

本发明基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法的要点是在谐波抑制、晶闸管应用、***综合效率和四象限运行方面取得了突破性的进展。

本发明基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法的特征是变频器的有源前端变流***由一个一次侧Y绕组[2]和二个互差30度的Y和△二次侧绕组[3]和[4]的移相变压器、一个由两个完全相同的晶闸管6脉波变流桥[5]和[6]构成的12脉波变流桥以及一套多电平直流电流控制及合成单元[7]组成，采用非对称电流的控制策略，通过多电平直流电流控制及合成单元[7]，按(1)式和(2)式的特定变换规律实施对两个三相变流桥的电流波形进行控制，[34]是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Y三相变流桥输出电流波形，[35]是△三相变流桥输出的电流波形，[36]是Y三相变流桥输出和△三相变流桥输出合成的直流侧电流波形，[32]是变压器二次侧Y绕组电流波形，[33]是变压器二次侧△绕组电流波形，[31]是变压器一次侧得到的合成电流波形，为低谐波正弦波波形，通过对Y三相变流桥和△三相变流桥电流幅值的直接控制和对等增量台阶形三角波电流的相位控制，实现了功率因数任意可调、电能回馈制动，直流电压和电流在0～额定值范围自由调控的功能。

式中：

I_BY：Y桥直流电流

I_BΔ：Δ桥直流电流

I_dc：直流侧逆变器负载电流

k=1，2，…

附图说明

附图1是基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法拓扑结构图，图1中1是三相交流进线电源，通常为标准电压等级的电源，特殊情况下也可以是非标准电压的电源；2是移相变压器一次侧绕组，Y形接法；3是移相变压器二次侧Y形绕组；4是移相变压器二次侧△形绕组，与Y形绕组相差30°，线电压相等；5是Y绕组晶闸管三相变流桥；6是△绕组晶闸管三相变流桥；7是多电平直流电流控制及合成单元，作用是将Y三相变流桥和△三相变流桥的直流电流以多电平的方式进行控制及合成；8是变频器逆变单元。

附图2是基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法在理想变换下的波形图，图2中21是三相交流进线电源侧A相I_A电流波形，B相I_B电流波形和C相I_C电流波形与A相I_A电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；22是12脉波变流变压器二次侧Y形绕组A相Ia_Y电流波形，B相I_bY电流波形和C相I_CY电流波形与A相Ia_Y电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；23是12脉波变流变压器二次侧△形绕组A相Ia_Δ电流波形，B相I_bΔ电流波形和C相I_C△电流波形与A相Ia_Δ电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；24是Y绕组三相变流桥输出电流IBY波形，为三角波电流；25是△绕组三相变流桥输出电流I_BΔ波形，亦为三角波电流，但在相位上与Y三相变流桥相差30°；26是Y三相变流桥输出和△三相变流桥输出合成的直流侧逆变器负载电流I_dC波形。

附图3是基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法在采用等增量台阶形三角波时的波形图，图3中31是三相交流进线电源侧A相I_A电流波形，B相I_B电流波形和C相I_C电流波形与A相I_A电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；32是12脉波变流变压器二次侧Y形绕组A相Ia_Y电流波形，B相I_bY电流波形和C相I_CY电流波形与A相Ia_Y电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；33是12脉波变流变压器二次侧△形绕组A相Ia_△电流波形，B相I_bΔ电流波形和C相I_C△电流波形与A相Ia_△电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；34是Y绕组三相变流桥输出电流I_BY波形；35是△绕组三相变流桥输出电流I_B△波形；36是直流侧逆变器负载电流I_dC波形。

具体实施方式

为实现低谐波、高功率因数、可电能回馈的功能，基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法采取移相变压器的拓扑结构，***由一个具有一次侧绕组和二个互差30度的Y和△二次侧绕组的移相变压器、一个12脉波晶闸管变流器以及一套多电平直流电流控制及分配单元组成，控制策略采取基于(1)式和(2)式的非对称控制三相变流桥电流的方法。

分析谐波情况，传统的12脉波整流是将直流量平均分配给两个三相变流桥进行变换，平均分配直流量给两个三相变流桥时，12脉波变流器的两个三相变流桥的交流输出含有6k±1(k=1，2，…)次谐波，其中两个三相变流桥6(2k-1)±1(k=1，2，…)次谐波大小相等，相位相反，6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波大小相等，相位相同。因此，两个三相变流桥的交流输出合成后，6(2k-1)±1(k=1，2，…)次谐波互相抵消，而两个三相变流桥6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波的和为变流器交流输出的谐波分量，交流输出的总谐波畸变率THD>8％，这样的变换质量显然会对三相交流电源造成谐波污染。

如何分配直流量给两个三相变流桥，才可以抑制谐波，实现交流电源侧得到正弦波波形的高质量变换?如果不平均分配直流电流给两个三相变流桥，而是按(1)式和(2)式的特定变换规律将直流电流分配给两个三相变流桥，使两个三相变流桥交流输出不包含6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波，就可以使变流器交流输出为正弦波。

按(1)式和(2)式的变换规律将直流电流分配给两个三相变流桥，并且I_BY(ωt)和I_BΔ(ωt)与Y三相变流桥、△三相变流桥的交流输出电流同步，则两个三相变流桥的合成交流输出为正弦电流。[24]是按(1)式分配给Y绕组三相变流桥的波形，[25]是按(2)式分配给△绕组三相变流桥的波形，[22]是Y绕组三相变流桥交流侧电流波形，[23]是△绕组三相变流桥交流侧电流波形，[21]是Y绕组三相变流桥和△绕组三相变流桥合成的电流波形，即网侧电流波形，为不含谐波的正弦波电流波形，这是理想情况下的波形。

实际实现这样的电流，是将施加给两个三相变流桥的三角波电流用等增量台阶形三角波电流近似，即形成多电平构成方式。等增量台阶形三角波电流波形采用下述原理用多电平直流电流控制及合成单元[7]实现：

(1)将直流电流均等分配到m个支路，每个支路连接到两个可控开关，这两个开关互补动作，构成互补开关对，分别连接到Y三相变流桥和△三相变流桥，m个支路可形成m+1个电平的等增量台阶形三角波。

(2)每隔30°/m切换一个互补开关对，使流入Y三相变流桥的电流增加一个支路量，同时也使流入△三相变流桥的电流减少一个支路量，经过m个30°/m区间，当所有支路电流都流入Y三相变流桥后，再使流入Y三相变流桥的电流每隔30°/m减少一个支路量，同时也使流入△三相变流桥的电流增加一个支路量，直到流入Y三相变流桥的电流减少到零，重复以上过程，就可以将直流电流按等增量台阶形三角波的规律分配给Y三相变流桥和△三相变流桥。

用等增量台阶形三角波近似后，[34]是按(1)式分配给Y绕组三相变流桥的波形，[35]是按(2)式分配给△绕组三相变流桥的波形，[32]是Y绕组三相变流桥交流侧电流波形，[33]是△绕组三相变流桥交流侧电流波形，[31]是Y绕组三相变流桥和△绕组三相变流桥合成的电流波形，即网侧电流波形，为含有一定谐波的接近正弦波的电流波形，这是采用本发明控制方法后获得的波形。

采用上述原理和直流电流控制和合成方法的基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法具有下述特性：

低谐波高变换质量，移相变压器电源侧电流谐波含量随m增大而减小，其电流的THD与m的关系示于表1。

表1.THD与m的关系表

m	2	3	4	5	6	7	8	9
									THD	7.77％	5.25％	3.99％	3.28％	2.77％	2.45％	2.20％	2.02％

根据表1，当m≥6时，移相变压器电源侧的谐波值被限制在3％以内。

晶闸管全控化，按等增量台阶形三角波电流施加给Y三相变流桥和△三相变流桥，导致了Y三相变流桥和△三相变流桥内开关器件的电流按设定的等增量台阶形三角波电流规律变化。当构成Y三相变流桥和△三相变流桥的开关器件为晶闸管时，施加等增量台阶形三角波电流开始时给晶闸管门极触发信号，晶闸管开通，在等增量台阶形三角波电流为零期间，晶闸管电流为零被强迫关断，即晶闸管开通受门极控制，电流为零关断控制由等增量台阶形三角波电流提供，两者的结合使晶闸管实现了全控开关的作用。晶闸管的全控化使触发角移相范围变为-180°～180°，这样很容易的就可实现以往使用全控型开关器件才能实现的功率因数可超前或滞后连续调节、功率因数为“1”的控制、电能回馈控制的高端功能。

高效率，晶闸管在电流为零时关断，在电压为零时开通，实现了软开关控制方式，无开关损耗，其工作频率为50Hz，开关频率低，因而总效率高。

通过对施加给Y三相变流桥和△三相变流桥的等增量台阶形三角波幅值的控制，实现了直流侧电压电流大范围可控，直流侧不再需要大的储能元件。

同现有技术相比，用基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法构建的新型有源前端变流器不再需要交流侧和直流侧的大的储能元件，避免了谐振和***响应慢的问题，有效的抑制了谐波，具有低谐波、高效率、直流电压电流大范围可控、功率因数为“1”、可电能回馈、拓扑结构及控制***简洁等优点，特别是实现了晶闸管的全控化，可以发挥晶闸管耐压高、电流容量大、器件性能稳定、***实现简单、价格低廉等优点来构建适用于各种电压等级和各种功率范围的绿色、节能型有源前端变流器，尤其在大功率有源前端变流器应用上更具优势，具有十分广阔的应用前景。

基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法同样适用于直流调速***的高质量整流电源。

Claims (1)

1.基于晶闸管的高质量有源前端变流器实现方法，其特征在于：变频器的有源前端变流***由一个一次侧Y绕组(2)和两个互差30度的Y二次侧绕组(3)和△二次侧绕组(4)组成的移相变压器、一个由两个完全相同的晶闸管6脉波变流桥构成的12脉波变流桥以及一套多电平直流电流控制及合成单元(7)组成，采用非对称电流的控制策略，通过多电平直流电流控制及合成单元(7)，按(1)式和(2)式的特定变换规律实施对两个三相变流桥的电流波形进行控制，在变压器一次侧得到低谐波正弦波波形的合成电流，通过对Y三相变流桥和△三相变流桥电流幅值的直接控制和对三相变流桥输出的等增量台阶形三角波电流的相位控制，实现了功率因数任意可调、电能回馈制动，直流电压和电流在0～额定值范围自由调控的功能，

式中：

I_BY：Y桥直流电流

I_BΔ：Δ桥直流电流

I_dc：直流侧逆变器负载电流

k＝1，2，…。