專利名稱：內續流式恒能量斬波變頻調速電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種功率變流電路，尤其涉及一種具有低損耗、高可靠特性的通用變流電路。
背景技術：
現有的電力電子變流方法在PWM(脈沖寬度調制)技術發展方面存在兩個制約問題，一是開關損耗問題。由于功率開關器件的開關狀態轉換，即從飽和到截止或截止到飽和，必須經中間的恒流狀態才能完成，而在恒流狀態下工作時，流過開關器件的電流和開關器件承受的端電壓均不為零，因此，該電流和電壓的乘積就成為了開關器件在本次轉換過程中必須承受的損耗——開關損耗。理論分析和波形觀察表明，單個開關損耗波形的存在時間雖然很短，通常只有幾個微秒，但最大瞬時功率往往很大，可能超過開關器件標稱最大耗散功率的數倍到數十倍，這樣，傳統的PWM硬斬波變流方式在高頻率斬波、高電壓、大電流、大功率條件下工作時，開關損耗問題成為制約技術發展的主要障礙。現有技術對開關損耗問題的解決主要是在傳統的硬斬波變流主電路中引入軟開關電路。但大量的實踐表明軟開關電路的引入有多種因素限制，其中影響最大的是隨著電路變流功率的增大，流入和流出軟開關電路的瞬時功率亦隨之增大，由于軟開關電路中的慣性儲能元件參數不能改變， 這樣，慣性儲能元件的端電壓也要隨之改變，從而使開關元件承受的端電壓亦隨著變流功率的大小而發生變化，若該電壓超過功率開關器件所能承受的的最高電壓，則該器件會被擊穿損壞。由此可知，已有的軟開關技術存在適應范圍小、主電路結構復雜、可靠性低等不足，這就是至今仍然以硬開關技術為主的原因。二是功率開關器件易損壞問題。現有技術主要采用過流速斷保護來解決，即當電路發生輸出短路或控制電路出問題而導致逆變橋臂直通時，快速切斷功率主開關器件的驅動信號。這種方法能在一定程度上保護功率主開關器件的安全，但大量的實踐經驗也表明， 仍有相當部分的電路在電路功率主開關器件快速關斷時被燒毀，原因是由于線路中分布電感的存在，在功率開關器件快速關斷時，分布電感上由于通過的電流快速變化而形成的極高尖峰電壓，該尖峰電壓與電源正向串聯后，作用于功率開關器件而導致功率開關器件直接被擊穿損壞，因此，采用過流速斷的方法并不能從根本上解決功率開關器件在電路出現錯誤時的損壞問題。
發明內容為克服現有技術存在的開關損耗和功率開關器件易損壞的不足，本實用新型提供一種無開關損耗又允許輸出端采用普通方法進行保護而不會燒壞器件的高可靠、低損耗的變流新電路。該電路能實現所有主功率開關器件在自然零開關狀態下開通和關斷，并且軟開關效果不受開關頻率以及變流功率大小的影響，還能實現在變流電路的控制部分出現故障而導致逆變橋臂直通或由于外部電路的原因導致輸出端短路時，流入短路點的電功率仍等于確定的控制值，因此，采用普通熔斷方式進行保護而不會燒毀功率開關器件。[0005]本實用新型所述的內續流式恒能量斬波變頻調速電路，其特征在于由直流電源、 恒能量斬波橋、內續流式逆變橋、控制電路、續流二極管組成；直流電源的正極與恒能量斬波橋的輸入端相連，直流電源的負極與續流二極管極的陽極及內續流式逆變橋的下輸入端相連，恒能量斬波橋的輸出端與續流二極管極的陰極及內續流式逆變橋的上輸入端相連; 控制電路的輸出端分別與恒能量斬波橋和內續流式逆變橋中的各個主可控硅的觸發極相連；內續流式逆變橋的輸出端與負載相連。本實用新型所述的內續流式恒能量斬波變頻調速電路，其特征在于有兩個核心技術—是與傳統電壓型或電流型變流模式不同，該電路的變流傳輸特性為功率型特性。功率型變流模式的優點是能方便地解決無開關損耗運行和允許輸出端較長時間短路等傳統變流模式難以解決的問題，實施方式上采用恒能量脈沖的斬波方式來完成，即利用儲能電容的充放電作用以離散方式完成電路全部能量的傳遞。這樣，只要按輸出波形的能量大小對應地控制儲能電容的充放電頻率，經內續流式逆變橋和輸出平波電容作用后即可在輸出端得到所需的任意波形，且輸出短路時的短路功率不受短路阻抗的影響。二是在逆變橋橋臂上設置儲能電感，利用其內續流作用使恒能量斬波橋和內續流式逆變橋的主可控硅同時開通和關斷，使之大幅提升電路的斬波上限頻率。該電路的控制方法分為兩部分一是對恒能量斬波橋的可控硅的控制方式采用二分頻的形式，即斬波橋中的四個單向可控硅兩兩對角輪流導通，目的是將所需傳遞的電源能量以時間分割的方式分解為一個個獨立的、含有固定能量和周期性過零特性的單極性功率脈沖，并將該脈沖輸送到內續流式逆變橋的上輸入端。二是對內續流式逆變橋的六個主可控硅的控制方式是根據三相輸出波形的瞬時相位，通過計算后取整數部分為比例對逆變脈沖進行分配，分配的法則是先將逆變輸出波形在60度電角度的范圍內再次平分為k個區間1)，然后在每個區間內分配固定的η 個脈沖，再根據區間的起始時間t求得區間內的脈沖分配公式SinAt/SinBt，sinBt/sinCt, SinCt/SinAt，然后電路根據工作狀態輪流選取三個公式中對應的一對脈沖實施控制。本實用新型的有益效果是整個電路的可控硅全部在自然零開關狀態下運行，電路的開關損耗理論上為零且不受開關頻率的制約，在控制電路出錯、輸出短路等原因導致逆變橋橋臂直通時，短路功率仍等于對應時刻確定的控制值，從而允許采用普通熔斷方式進行保護而絕對不會燒毀功率開關器件，電路的安全性、可靠性以及效率等指標均大為提尚ο
圖1為電路結構框圖；圖2為恒能量斬波橋的原理圖；圖3為內續流式逆變橋的原理圖；圖4為恒能量斬波橋的輸出端的電壓波形及內續流逆變橋直流母線電流(iL)波形圖；圖5為A、B、C三相交流電壓波形圖；[0018]圖6為恒能量斬波橋和內續流逆變橋中主可控硅的觸發極驅動脈沖圖。圖中，1為恒能量斬波橋，2為內續流式逆變橋，3為控制電路，4為三相電動機負載，D為恒能量斬波橋的輸入端，P為恒能量斬波橋輸出端，F為內續流式逆變橋的下輸入端，G為內續流式逆變橋的上輸入端，iL為流入直流母線的電流，虛線框Al為A相逆變半橋全圖，圖中虛線框Nal為A相上橋臂內續流電路，Na2為A相下橋臂內續流電路，虛線框Bi、 Nbl、Nb2，虛線框Cl、Ncl、Nc2的內部結構及工作原理與A相相同，故不重復畫出，A、B、C為三相電動機負載的輸入端口。
具體實施方式
以下結合附圖，通過實施例對本實用新型做進一步詳細說明，但本實用新型的保護范圍并不限于下面的實施例。該實施例是本實用新型運用于三相電動機負載的情況。如圖1、2和3所示，本實用新型所述的內續流式恒能量斬波變頻調速電路，由直流電源E、恒能量斬波橋1、內續流式逆變橋2、控制電路3、續流二極管VD1、組成。直流電源E 的正極與恒能量斬波橋1的輸入端D相連，直流電源E的負極與續流二極管極VDl的陽極及內續流式逆變橋2的下輸入端F相連。恒能量斬波橋1的輸出端P與續流二極管極VDl 的陰極及內續流式逆變橋2的上輸入端G相連。控制電路3的輸出端分別與恒能量斬波橋 1和內續流式逆變橋2中的各個主可控硅的觸發極相連，內續流式逆變橋2的輸出與三相交流電動機負載4的輸入端A、B、C相連。如圖2所示，恒能量斬波橋1的實質是功率脈沖形成電路，由四只主可控硅V1、V2、 V3、V4及儲能電容C6共同構成，其連接方法為主可控硅V1、V3的陽極連接在一起，構成恒能量斬波橋的輸入端D，并與直流電源E的正極相連，主可控硅V2、V4的陰極連接在一起， 構成恒能量斬波橋的輸出端P，并與圖3中的內續流式逆變橋2的上輸入端G相連；主可控硅Vl的陰極和主可控硅V2的陽極與儲能電容C6的一端連接，主可控硅V3的陰極和主可控硅V4的陽極與儲能電容C6的另一端連接；四只主可控硅V1、V2、V3、V4的門極與控制電路3的輸出端相連，在控制電路3產生的控制脈沖作用下，斬波橋中兩對角線上的主可控硅兩兩輪流導通，從而將所需傳遞的電源能量以時間分割的方式分割為一個個獨立的、含有固定能量和周期性過零特性的單極性功率脈沖，并將該脈沖輸送到內續流式逆變橋2的上輸入端G。圖3所示為內續流式逆變橋2的全電路，圖中Nal、Na2、Nbl、Nb2、NCl、NC2為六個橋臂上的內續流電路，其內部電路結構完全相同，以Nal為例對內續流電路的結構進行說明。整個內續流電路由續流電抗器T1、反相限流電阻Rl、反相整流二極管VD2、同相限流電阻R2、同相整流二極管VD3、濾波電容C5、上分壓電阻R3、下分壓電阻R4以及續流可控硅V5 組成，其連接方法為續流電抗器Tl繞組L12、L13的中間抽頭、濾波電容C5的上端、下分壓電阻R4的上端、續流可控硅V5的陰極相連；反相限流電阻Rl與反相整流二極管VD2串聯后接于繞組L12的上端與續流可控硅V5的觸發極之間；同相限流電阻R2與同相整流二極管VD3串聯后接于繞組L13的下端與濾波電容C5的下端之間；濾波電容C5的下端又與上分壓電阻R3的左端、同相整流二極管VD3的陰極相連；上分壓電阻R3的右端與下分壓電阻R4的下端、續流可控硅V5的觸發極相連；續流電抗器Tl中繞組Lll的下端為內續流電路Nal的接口 J3，續流可控硅V5的陽極為內續流電路Nal的接口 J4，續流電抗器Tl中繞組Lll的上端為內續流電路Nal的接口 J1，續流可控硅V5的陰極為內續流電路Nal的接口 J2。如圖3所示，內續流式逆變橋2的全電路由三個結構相同的逆變半橋A1、B1、C1及平波電容C2、C3、C4組成，其中，逆變半橋Al由上、下橋臂的主可控硅Va 1和Va2、對應的內續流電路Nal和Na2以及平波電容C2組成。以A相電路為例，其連接方法為逆變半橋Al 的上橋臂主可控硅Val的陽極與內續流式逆變橋2的上輸入端G相連，逆變半橋Al的上橋臂主可控硅Val的陰極與內續流電路Nal的接口 Jl、J2相連；內續流電路Nal的接口 J3與內續流電路Na2的接口 Jl、平波電容C2的左端、三相交流電動機負載4的輸入端A相連；內續流電路Nal的接口 J4與內續流電路Na2的接口 J2、平波電容C2、C3、C4的一端、內續流電路Nbl的接口 J4、內續流電路Nb2的接口 J2、內續流電路Ncl的接口 J4、內續流電路Nc2 的接口 J2相連；逆變半橋Al的下橋臂主可控硅Va2的陽極與內續流電路Na2的接口 J3、 J4相連，逆變半橋Al的下橋臂主可控硅Va2的陰極與內續流逆變橋2下輸入端F相連。以下詳細闡述本實用新型所述的內續流式恒能量斬波變頻調速電路的工作過程及相關點的工作波形。一、恒能量斬波橋恒能量斬波橋1輸出端P點的電壓Up及直流母線電流k波形如圖4所示。(a) t0時刻之前電路進入穩態，儲能電容C6兩端電壓為E，u。6極性為下正上負，流過直流母線的電流I為零。(幻、 、期間t0時刻，同時觸發恒能量斬波橋的主可控硅VI、V4及內續流逆變橋2中對應橋臂上的兩個主可控硅，例如Val和Vb2，使之導通，則有電流經直流電源E正極、主可控硅VI、 儲能電容C6、主可控硅V4、Val、內續流電路Nal、三相電動機負載4的A、B兩相、內續流電路Nb2、主可控硅Vb2、直流電源E負極流通，、時刻恒能量斬波橋輸出端P的電位為2E，直流母線電流I以正弦規律從零開始上升，可看出主可控硅Vl、V4、Val、Vb2的開通損耗均為零(如圖4)。然后，儲能電容C6開始釋放能量，其電壓u。6極性仍為下正上負，內續流電路 NaUNbl內的兩個續流電抗器繞組Lll開始儲能。考慮到三相負載之間并聯了相同容量的大平波電容C2、C3、C4，因此負載端電壓Utl 在脈沖周期內設為恒定，并在忽略電路中可控硅和導線的壓降后，根據電路相關計算，得Up = U0+(2E-u0) coswt (式 1-1)到、時刻電容電壓下降為零，P點電壓Up = E，直流母線電流ij乃繼續上升。(。)、 、期間從tl開始，儲能電容C6反充電，即Uca極性轉為上正下負，但兩個續流電抗器繞組 Lll的電壓％極性仍為上正下負，說明續流電抗器繞組Lll繼續儲能。t2時刻，P點電壓Up 等于負載兩端電壓11。，直流母線電流k到達最大值，根據式(1-1)，到Wt= π/2時，P點的電壓將為U0。在tQ t2期間兩個續流電抗器繞組Lll電壓％的極性為上正下負，根據同名端的定義可知在內續流電路Nal、Nb2內的續流可控硅V5觸發極上存在一定的觸發電壓，但由
6于續流可控硅V5沒有加正向電壓所以不會導通。(d)t2 t3 期間t2以后，由于恒能量斬波橋1電路的分布電感及線路分布電感的存在，其所儲能量通過續流二極管VDl釋放，母線電流k開始按正弦規律下降，電壓％也按正弦規律繼續下降。在此期間，內續流電路Nal、Nb2內的兩個續流電抗器繞組Lll開始放能而其感應電壓的極性變為下正上負，根據同名端的定義可知，在此時刻在內續流電路Nal、Nb2內的續流可控硅V5施加了一定的觸發電壓，并且可控硅的觸發電壓短時基本不變，但由于可控硅上正向陰陽極電壓不夠其開通電壓而不會導通。t3時刻，恒能量斬波橋1電路分布電感及線路分布電感能量通過續流二極管VDl釋放完畢，直流母線電流k等于零，儲能電容C6的反充電電壓至E，其極性為上正下負，P點電壓降為零，恒能量斬波橋1電路的主可控硅V1、V4 和內續流式逆變橋2中的可控硅Val、Vl32在零電流下關斷，故其關斷損耗也為零。(e)t3 t4 期間直流母線電流k等于零，，內續流電路續流可控硅V5的觸發極電壓在上一次觸發的基礎上再一次觸發，續流可控硅V5導通，兩個續流電抗器繞組Lll所儲的能量通過續流可控硅V5續流而將其能量轉移到平波電容C2、C3、C4上。t4時刻，主可控硅V2、V3、VaU Vc2上加觸發脈沖使其同時導通，下一工作周期開始，重復、 t4過程，這時在恒能量斬波橋1的輸出端P上又會有2倍于直流電源E的電壓。當儲能電容C6放完電后便又開始反充電，但此時所充電壓為下正上負，當儲能電容C6上電壓等于電源電壓后，主可控硅V2、V3、 VaUVc2因通過的電流為零而自然關斷，同時P點電壓變為零。如此往復，使P點上不斷得到離散恒能量脈沖，該能量提供給后面的內續流式逆變橋2后送給負載。從上述工作過程的分析可看出，存儲于內續流逆變橋2中續流電抗器繞組Lll能量是通過內部的續流通道轉移到平波電容上的，這樣續流電抗器繞組Lll的作用有四個 ①為電路諧振軟開關功能電路的諧振元件；②對電路直流母線電流k起儲能平波作用，③ 保證內續流逆變橋2的六個主可控硅能與恒能量斬波橋1的四個主可控硅同時開通和關斷，從而使電路能在相當高的逆變調制頻率下穩定地工作，④在輸出端短路時，以緩沖方式存儲從儲能電容C6上轉移來的能量，這樣，一方面可有效限制流過內續流逆變橋2的主可控硅的瞬時峰值電流，另一方面為采用普通的慢熔斷器件進行器件的高可靠保護創造了條件。二、內續流式逆變橋(a)三相逆變過程的脈沖分配規律如圖5所示，首先將輸出的三相交流波形以60度電角度平均分為六個小區間，然后再次平分這6個小區間，那么在0 1時間段內就會有a、b、c、d、e、f六個時間控制點。 三相波形中0 6為一個周期，我們把0 1時間段內的B相波形看做負最大一致，把1 2時間段內的A相波形看做正最大一致，把2 3時間段內的C相波形看做負最大一致，把 3 4時間段內的B相波形看做段正最大一致，把4 5時間段內的A相波形看做負最大一致，把5 6時間內的C相波形看做正最大一致。本實施例以0 1時間段內的波形進行分析，其余時間段內波形的分析類似0 1時間段。由于斬波橋是離散恒能量斬波方式， 故每個脈沖作用于主電路時所得到的能量是相同的。為更好地使逆變輸出為正弦波，在每個小區間里用六個脈沖來觸發可控硅。在0 1時間段內，A相波形的角度是從0度到60度，C相波形的角度是從120度到180度，B相波形的角度是從240度到300度，由于我們把0 1時間段內的B相波形看做負最大一致，也就是說B相在每區間均給六個脈沖，因此只考慮A相和C相的大小關系，即A相和C相的脈沖分配關系。A相波形在0時刻的角度是0度，則其在a、b、c、d、e、f六個時刻的角度分別是10度，20度，30度，40度，50度和60 度。C相波形在0時刻的角度是120度，則其在a、b、c、d、e、f六個時刻的角度分別是130 度，140 度，150 度，160 度，170 度和 180 度。則在 a 時刻 sinA = sinlO = 0. 174，sinC = sinl30 = 0. 766，sinA sinC ^ 1 5，那么在0 a區間就應該給可控硅Vb2六個觸發脈沖，給可控硅Vcl五個觸發脈沖，而給可控硅Val —個觸發脈沖。在b時刻sinA = sin20 =0. 342，sinC = sinl40 = 0. 643，sinA sinC ^ 2 4，那么在 a b 區間就應該給可控硅Vb2六個觸發脈沖，給可控硅Vcl四個觸發脈沖，而給可控硅Val兩個觸發脈沖。具體a、b、C、d、e、f時刻的相關數據見下表
權利要求1.一種內續流式恒能量斬波變頻調速電路，其特征在于由直流電源(E)、恒能量斬波橋(1)、內續流式逆變橋O)、控制電路(3)、續流二極管(VDl)組成，其中，直流電源(E)的正極與恒能量斬波橋(1)的輸入端相連，直流電源(E)的負極與續流二極管極(VDl)的陽極及內續流式逆變橋O)的下輸入端相連，恒能量斬波橋(1)的輸出端與續流二極管極 (VDl)的陰極及內續流式逆變橋( 的上輸入端相連，控制電路C3)的輸出端分別與恒能量斬波橋(1)和內續流式逆變橋O)中的各個主可控硅的觸發極相連，內續流式逆變橋(2) 的輸出端與負載的輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的內續流式恒能量斬波變頻調速電路，其特征在于恒能量斬波橋(1)由四只主可控硅(VI、V2、V3、V4)及儲能電容(C6)構成，其連接關系為主可控硅 (VI、V3)的陽極連接在一起，構成恒能量斬波橋(1)的輸入端，并與直流電源(E)的正極相連，主可控硅(V2、V4)的陰極連接在一起，構成恒能量斬波橋(1)的輸出端，并與內續流式逆變橋O)的上輸入端相連；主可控硅(Vl)的陰極和主可控硅(M)的陽極與儲能電容 (C6)的一端連接，主可控硅(V3)的陰極和主可控硅(V4)的陽極與儲能電容(C6)的另一端連接；四只主可控硅(V1、V2、V3、V4)的門極與控制電路(3)的輸出端相連。
3.根據權利要求1所述的內續流式恒能量斬波變頻調速電路，其特征在于內續流式逆變橋O)的全電路由三個結構相同的逆變半橋(A1、B1、C1)及平波電容(C2、C3、C4)組成， 其中，逆變半橋(Al)由上、下橋臂的主可控硅(Val)和(Va2)、對應的內續流電路(Nal)和 (Na2)以及平波電容(C2)組成；逆變半橋(B1、C1)的結構與逆變半橋(Al)相同，逆變半橋 (Al)的結構關系為逆變半橋(Al)的上橋臂主可控硅(Val)的陽極與內續流式逆變橋(2) 的上輸入端相連，逆變半橋(Al)的上橋臂主可控硅(Val)的陰極與內續流電路(Nal)的接口(J1、J2)相連；內續流電路(Nal)的接口(J3)與內續流電路(Na2)的接口(Jl)、平波電容(C2)的左端、負載的輸入端相連；內續流電路(Nal)的接口(J4)與內續流電路(Na2)的接口(J2)、平波電容(C2、C3、C4)的一端、內續流電路(Nbl)的接口(J4)、內續流電路(Nb2) 的接口(J2)、內續流電路(Ncl)的接口(J4)、內續流電路(Nc2)的接口(J2)相連；逆變半橋(Al)的下橋臂主可控硅(Va2)的陽極與內續流電路(Na2)的接口(J3、J4)相連，逆變半橋(Al)的下橋臂主可控硅(Va2)的陰極與內續流逆變橋( 下輸入端相連。
4.根據權利要求3所述的內續流式恒能量斬波變頻調速電路，其特征在于(Nal、Na2、 Nbl、Nb2、Ncl、Nc2)為六個橋臂上的內續流電路，每個內續流電路由續流電抗器(Tl)、反相限流電阻(Rl)、反相整流二極管(VD2)、同相限流電阻(R2)、同相整流二極管(VD3)、濾波電容(C5)、上分壓電阻(R3)、下分壓電阻(R4)以及續流可控硅(V5)組成，其連接關系為續流電抗器(Tl)繞組(L12、L13)的中間抽頭、濾波電容(C5)的上端、下分壓電阻(R4)的上端、續流可控硅(V5)的陰極相連；反相限流電阻(Rl)與反相整流二極管(VD2)串聯后接于繞組(L12)的上端與續流可控硅(V5)的觸發極之間；同相限流電阻(R2)與同相整流二極管(VD3)串聯后接于繞組(L13)的下端與濾波電容(C5)的下端之間；濾波電容(C5)的下端又與上分壓電阻(R3)的左端、同相整流二極管(VD3)的陰極相連；上分壓電阻(R3)的右端與下分壓電阻(R4)的下端、續流可控硅(％)的觸發極相連；續流電抗器(Tl)中繞組(Lll) 的下端為內續流電路(Nal)的接口(J3)，續流可控硅(V5)的陽極為內續流電路(Nal)的接口(J4)，續流電抗器(Tl)中繞組(Lll)的上端為內續流電路(Nal)的接口(Jl)，續流可控硅(V5)的陰極為內續流電路(Nal)的接口(J2)。
專利摘要內續流式恒能量斬波變頻調速電路，由直流電源、恒能量斬波橋、內續流式逆變橋、控制電路、續流二極管組成，直流電源的正極與恒能量斬波橋的輸入端相連，負極與續流二極管極的陽極及內續流式逆變橋的下輸入端相連，恒能量斬波橋的輸出端與續流二極管極的陰極及內續流式逆變橋的上輸入端相連，控制電路的輸出端分別與恒能量斬波橋和內續流式逆變橋中的各個主可控硅的觸發極相連，內續流式逆變橋的輸出端與負載的輸入端相連。電路的可控硅全部在自然零開關狀態下運行，開關損耗理論上為零且不受開關頻率的制約，在短路等原因導致逆變橋橋臂直通時，短路功率仍等于對應時刻確定的控制值，從而允許采用普通熔斷方式進行保護而不會燒毀功率開關器件。
文檔編號H02P27/08GK201937542SQ20102065098
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月10日 優先權日2010年12月10日
發明者盧誠, 張明宇, 洪元富, 聶俊飛, 黎曙 申請人:昆明理工大學