专利名称：基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置及其控制方法
技术领域：
本发明属于电路设计技术领域，尤其涉及一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置及其控制方法。
背景技术：
对于单相供电系统内的三相负荷(如三相电动机)而言，需要采用电源裂相技术以得到三相交流电源。相比单相电机，三相电机的效率要高出10%以上，而且运行可靠、振动小、噪声低、寿命长。因此，在配电系统内推广使用三相电机能够实现电能的节约，创造显著的经济效益。目前常见的电源裂相方式是利用电力电子整流和逆变技术实现的，其电路结构如图1所示，包括一个二极管整流桥、滤波电感、稳压电容和一个三相桥式逆变电路。从图1 可以看出，常用的电源裂相装置使用电子元件较多，成本高，体积大，并且不易维护。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置及其控制方法，减少常用电源裂相装置的体积、元件，并降低制造成本。技术方案是，一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置，其特征是所述电源裂相装置包括1个三相桥式逆变电路、1个电容和3个电感值相等的电抗器；其中，所述电容与三相桥式逆变电路的直流侧并联；所述三相桥式逆变电路的三相交流输出端分别串联1个电抗器；所述串联电抗器的三相桥式逆变电路的三相交流输出端接入负载；所述串联电抗器的三相桥式逆变电路的三相交流输出端中的任意两相交流输出端与单相交流电源的输入端相连；所述三相桥式逆变电路的每一相桥臂由两个串联的全控型开关器件和分别与这两个全控型开关器件反并联的二极管组成。所述全控型开关器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT。所述全控型开关器件是门极可关断晶闸管GT0。所述负载是星形连接的三相对称阻抗或三相电机。所述负载是三角形连接的三相对称阻抗或三相电机。一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置的控制方法，其特征是所述控制方法包括步骤1 计算负载的模值和负载的阻抗角；步骤2 获取单相交流电源电压的相位并计算单相交流电源电压的幅值；步骤3 设定单相交流电源的输入功率因数；步骤4:根据负载的模值、负载的阻抗角、单相交流电源电压的相位、单相交流电源电压的幅值和设定的单相交流电源的输入功率因数，计算指令电流；
步骤5 根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲。所述根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲具体采用滞环比较控制法，其过程包括步骤501 计算电容电压参考值，并将其和电容电压的实际值的误差进行比例积分运算，得到稳压信号；步骤502 将指令电流与三相桥式逆变电路输出的实际电流的误差，以及稳压信号送入滞环比较器，生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲。所述计算电容电压参考值利用公式Mf/re/-Us/y/3=IwL，其中M是三相桥式逆变
电路的调制比，并且M彡1 ；Uref是电容电压参考值，Us是单相交流电源电压的有效值，I是电源裂相装置输出的电流有效值，L是电抗器的电感值；w是单相交流电源电压的角频率。本发明提供的电源裂相装置减少了电气元件，体积更小；单相交流电源输出功率因数可以任意调节，降低了网损。
图1是传统的电源裂相装置电路结构图；图2是本发明提供的基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置电路结构图；图3是本发明提供的基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置的控制方法示意图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。图2是本发明提供的基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置电路结构图，图2中， 本发明提供的基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置包括1个三相桥式逆变电路、1个电容和3个电感值相等的电抗器。其中，电容与三相桥式逆变电路直流侧并联。三相桥式逆变电路的三相交流输出端分别串联1个等值电抗器；三相桥式逆变电路的三相交流输出端分别串联电抗器后接入负载。接入的负载可以是星形连接的三相对称阻抗或三相电机，也可以是三角形连接的三相对称阻抗或三相电机。串联了等值电抗器的三相桥式逆变电路的三相交流输出端中的任意两相交流输出端与单相交流电源的输入端相连。三相桥式逆变电路的每一相桥臂由两个串联的全控型开关器件和分别与这两个全控型开关器件反并联的二极管组成。全控型开关器件可以是绝缘栅双极型晶体管IGBT， 也可以是门极可关断晶闸管GT0。图3是本发明提供的基于三相桥逆变电路的电源裂相装置的控制方法示意图。本实施例中，以三相桥式逆变电路的A相交流输出端和C相交流输出端与单相交流电源输入端相连为例，说明利用本发明提供的基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置，将单相交流电源转换为三相交流电源的控制方法。该控制方法的具体实现过程是步骤1 根据已知的三相负载Z，计算负载的模值|Z|和负载的阻抗角识。步骤2 通过对单相交流电源的电压波形进行锁相，得到单相交流电源电压的相位wt，并计算单相交流电源电压的幅值Us。步骤3 设定单相交流电源的输入功率因数θ。步骤4:根据负载的模值|Ζ|、负载的阻抗角识、单相交流电源电压的相位wt、单相交流电源电压的幅值Us和设定的单相交流电源的输入功率因数θ，计算指令电流iref。以三相桥式逆变电路的A相交流输出端和C相交流输出端与单相交流电源输入端相连为例，三相桥式逆变电路的三相输出端输出的电流参考值分别为
iA =+ 30°-φ)-^-cosiwt-θ)]( 1 )
\Z\ y/3cosO
h =督[；^ cos(- - 90° -妁](2 )
ic = ^L^cosiWt +150° -φ) +-θ)](3)
\Z\ V3cos^上述电流参考值即为指令电流iMf。步骤5 根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲。根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲的方法可以采用滞环比较控制法或是三角载波控制法。本实施例中，以滞环比较控制法为例说明根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲的过程。该过程具体是步骤501 计算电容电压参考值，并将其和电容电压的实际值的误差进行比例积分运算，得到稳压信号。电容电压参考值利用公式MUref-Us/yi3= 计算。其中，M是三相桥式逆变电路的调制比，并且M < 1 ；Uref是电容电压参考值，Us是单相交流电源电压的有效值，I是电源裂相装置输出的电流有效值，L是等值电抗器的电感值；w是单相交流电源电压的角频率。步骤502 将指令电流与三相桥式逆变电路输出的实际电流的误差，以及稳压信号送入滞环比较器，生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲。上述生成的控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲，应用于三相桥式逆变电路的全控型开关器件，即可使本发明提供的电源裂相装置输出对称的三相电压和三相电流。本发明提供的电源裂相装置及其控制方法，只需一个三相桥式逆变电路即可完成电源转换，相比整流加逆变的传统裂相方式，省去了整流桥及直流滤波电感，体积更小，成本更低，转换效率更高。另外，本发明提供的装置的单相交流电源输出功率因数可以任意调节，在实际应用中能够提高电网的功率因数，减小网损。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置，其特征是所述电源裂相装置包括1个三相桥式逆变电路、1个电容和3个电感值相等的电抗器；其中，所述电容与三相桥式逆变电路的直流侧并联； 所述三相桥式逆变电路的三相交流输出端分别串联1个电抗器； 所述串联电抗器的三相桥式逆变电路的三相交流输出端接入负载； 所述串联电抗器的三相桥式逆变电路的三相交流输出端中的任意两相交流输出端与单相交流电源的输入端相连；所述三相桥式逆变电路的每一相桥臂由两个串联的全控型开关器件和分别与这两个全控型开关器件反并联的二极管组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置，其特征是所述全控型开关器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT。
3.根据权利要求1所述的一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置，其特征是所述全控型开关器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT。
4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置，其特征是所述负载是星形连接的三相对称阻抗或三相电机。
5.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置，所述负载是三角形连接的三相对称阻抗或三相电机。
6.一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置的控制方法，其特征是所述控制方法包括步骤1 计算负载的模值和负载的阻抗角；步骤2 获取单相交流电源电压的相位并计算单相交流电源电压的幅值； 步骤3 设定单相交流电源的输入功率因数；步骤4 根据负载的模值、负载的阻抗角、单相交流电源电压的相位、单相交流电源电压的幅值和设定的单相交流电源的输入功率因数，计算指令电流；步骤5 根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征是所述根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲具体采用滞环比较控制法，其过程包括步骤501 计算电容电压参考值，并将其和电容电压的实际值的误差进行比例积分运算，得到稳压信号；步骤502 将指令电流与三相桥式逆变电路输出的实际电流的误差，以及稳压信号送入滞环比较器，生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征是所述计算电容电压参考值利用公式 MUref-Uj^ = IwL，其中M是三相桥式逆变电路的调制比，并且MS 1 ；Uref是电容电压参考值，Us是单相交流电源电压的有效值，I是电源裂相装置输出的电流有效值，L是电抗器的电感值；w是单相交流电源电压的角频率。
全文摘要
本发明公开了电路设计技术领域中的一种基于三相桥式逆变电路的电源裂相装置及其控制方法。所述装置包括1个三相桥式逆变电路、1个电容和3个电感值相等的电抗器；电容与三相桥式逆变电路的直流侧并联，三相桥式逆变电路的三相交流输出端分别串联1个电抗器，之后接入负载，其中的任意两相交流输出端与单相交流电源的输入端相连；所述方法是根据负载的模值、负载的阻抗角、单相交流电源电压的相位、单相交流电源电压的幅值和设定的单相交流电源的输入功率因数，计算指令电流，再根据指令电流生成控制全控型开关器件开断的PWM触发脉冲。本发明减少了电气元件、体积更小、降低了网损。
文档编号H02M7/5387GK102255550SQ20111018567
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年7月4日
发明者刘聪, 朱永强, 王腾飞 申请人:华北电力大学