三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法

1.本发明属于电能变换技术领域，具体涉及三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法。


背景技术：

2.随着半导体技术和控制技术的不断发展，电力电子变换器得到广泛的应用。电力电子变换器的应用，会带来较大的无功功率与电流谐波，从而影响电能质量。为了解决无功功率以及电流谐波对系统带来的影响，国内外学者对pwm整流器的关注度越来越高，pwm整流器已经成为电力电子领域不可缺少的一部分。
3.整流器的发展经历了不控整流、相控整流和pwm整流三个阶段。在整流设备中，目前采用最多的是二极管整流或晶闸管相控整流。二级管整流电路有着经济、实现方式简单、系统可靠性高等优点，但同时也存在功率因数低、电流波形畸变严重和输出电压不可控等缺点。和二极管不控整流相比，传统晶闸管相控整流技术功率因数更高，但存在输出电压纹波大、输入电流波形畸变严重等缺点。pwm整流技术拥有更高的可控性，但是依然存在输入电流谐波含量大的短板。寻找一种优越的交直变换技术成为一个急需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法，利用三相交流输入电压和脉宽调制进行斩波合成，可获得幅值和极性可控的直流电压。
5.本发明所采用的技术方案是，三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法，通过直接式交交斩波器对三相交流输入电压进行脉宽调制斩波，并对斩波后的电压进行串联合成和低通滤波，获得直流输出电压。
6.本发明的特点还在于：
7.三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法，具体按照以下步骤实施：
8.步骤1、三相交流输入电压，分别表示为a相电压、b相电压、c相电压；
9.步骤2、设计调制波，利用直接式交交斩波器和调制波分别对a相电压、b相电压、c相电压进行脉宽调制斩波，得到三相调制电压，表示为：a相的调制电压v
da
、b相的调制电压v
db
、w相的调制电压v
dc
；
10.步骤3、将三相调制电压进行串联相加合成和低通滤波，得到直流输出电压vo。
11.步骤2具体过程为：
12.a相交流输入电压采用调制波da，得到电压v
da
；b相交流输电压入采用调制波db，得到电压v
db
；c相交流输入电压采用调制波dc，得到电压v
dc
；
13.a相交流输入电压u
ia
、b相交流输电压u
ib
、c相交流输入电压u
ic
表达式为：
[0014][0015]
其中v
in
表示输入电压幅值，ω1表示输入三相电压的角频率；
[0016]
调制电压v
da
、v
db
、v
dc
表达式为：
[0017][0018]
其中，da表示a相调制波，db表示b相调制波，dc表示c相调制波。
[0019]
步骤2设计调制波过程为：
[0020]
根据想要的输出电压的幅值和极性，确定计算式d1、d2：
[0021][0022]
其中，vd为计算式d1和d2的幅值，ω1为输入三相电压的角频率，为计算式对于输入电压a相的初相差；
[0023]
将计算式d1和d2进行克拉克逆变换的过程如式(4)所示：
[0024][0025]
直接式交交斩波器为双极性直接式ac/ac斩波器时，根据公式(3)-(4)获得调制波表达为：
[0026][0027]
步骤3直流输出电压vo表达为：
[0028]
将三个v
da
、v
db
、v
dc
进行串联相加，可得直流输出电压vo，则
[0029]vo
＝v
da
+v
db
+v
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0030]
将公式(1)-(5)代入公式(6)可得直流输出电压vo表达为：
[0031]
[0032]
步骤2直接式交交斩波器为单极性直接式ac/ac斩波器时，将da、db、dc进行单极性化，单极性化后三个调制波的瞬时值都将大于零，且输出电压系数为原来的一半，根据公式(4)获得调制波表达为：
[0033][0034]
步骤3中直流输出电压vo表达为：
[0035]
将三个v
da
、v
db
、v
dc
进行串联相加和低通滤波，可得直流输出电压vo，则
[0036]vo
＝v
da
+v
db
+v
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0037]
结合公式(1)-(4)以及公式(8)可得直流输出电压vo，
[0038][0039]
本发明益效果是：
[0040]
(1)本发明输出电压为直流，但是不含整流环节，不会对输入侧电流注入大量谐波。
[0041]
(2)本发明的输出直流电压全参数可控。幅值和极性均可实现独立控制。
[0042]
(3)采用本发明而产生的电流谐波能够相互抵消，避免对输入节点造成电流谐波污染。
[0043]
(4)通过将三相输入电压进行多次合成和调制，可输出多个任意直流电压，并且产生的电流谐波依然能够相互抵消。
[0044]
(5)采用本发明后，输入电流的相位是可调的，因此输入功率因数能够被控制。
附图说明
[0045]
图1是三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法流程图；
[0046]
图2是实施本发明三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法时采用的一种拓扑结构图；
[0047]
图3是当输入电压为50hz，vd取0.7，取0时计算式d1和d2的波形；
[0048]
图4是当输入电压为50hz，vd取0.7，取0时单极性化后的调制波da，db和dc的波形；
[0049]
图5是基于所提脉宽调制方法和图2所示拓扑，输出正极性直流电压和反极性直流电压的波形图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0051]
本发明三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法，通过直接式交交斩波器对三相交流输入电压进行脉宽调制斩波，并对斩波后的电压进行串联合成和低通滤波，获得直流输出电压，具体按照以下步骤实施：
[0052]
三相交流输入电压，分别表示为a相电压、b相电压、c相电压；设计调制波，利用直
接式交交斩波器和调制波分别对a相电压、b相电压、c相电压进行脉宽调制斩波，得到三相调制电压，表示为：a相的调制电压v
da
、b相的调制电压v
db
、w相的调制电压v
dc
；将三相调制电压进行串联相加合成，得到直流输出电压vo。
[0053]
其中，a相交流输入电压u
ia
、b相交流输电压u
ib
、c相交流输入电压u
ic
表达式为：
[0054][0055]
其中v
in
表示输入电压幅值，ω1表示输入三相电压的角频率；
[0056]
调制电压v
da
、v
db
、v
dc
表达式为：
[0057][0058]
其中，da表示a相调制波，db表示b相调制波，dc表示c相调制波。
[0059]
设计调制波过程为：
[0060]
根据想要的输出电压的幅值和极性，确定计算式d1、d2：
[0061][0062]
其中，vd为计算式d1和d2的幅值，取值为0到1，ω1为输入三相电压的角频率，为计算式对于输入电压a相的初相差；
[0063]
将计算式d1和d2进行克拉克逆变换的过程如式(4)所示：
[0064][0065]
本发明中直接式交交斩波器根据调制波对输入电压进行斩波，直接式交交斩波器可以采用双极性直接式ac/ac斩波器，也可以采用单极性直接式ac/ac斩波器。当直接式交交斩波器为双极性直接式ac/ac斩波器时：
[0066]
根据公式(1)-(4)获得调制波表达为：
[0067]
[0068]
将三个v
da
、v
db
、v
dc
进行串联相加和低通滤波，可得直流输出电压vo，则
[0069]vo
＝v
da
+v
db
+v
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0070]
将公式(1)-(5)代入公式(6)可得直流输出电压vo表达为：
[0071][0072]
从式(7)可以看出，通过本发明可以输出幅值和极性可控的直流电压，通过调节vd或角即可实现对直流电压的幅值和极性控制。当角大于90
°
小于270
°
时，输出负电压，当角大于-90
°
小于90
°
时，输出正电压。
[0073]
直接式交交斩波器为双极性直接式ac/ac斩波器时：可将da、db、dc进行单极性化，单极性化后三个调制波的瞬时值都将大于零，且输出电压系数为原来的一半。公式(7)展示了一种单极性化方法，公式(8)为采用单极性化调制波后的输出电压表达式。
[0074][0075]
将三个v
da
、v
db
、v
dc
进行串联相加和低通滤波，可得直流输出电压vo，则
[0076]vo
＝v
da
+v
db
+v
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0077][0078]
实施例
[0079]
以输出两个直流为例进行说明，图2所示为运行本发明的拓扑结构，本发明脉宽调制方法采用的拓扑结构不限于图2所示的拓扑上运行。
[0080]
如图2所示，三相心式多绕组变压器由铁轭把三个铁心柱连在一起，每个铁心柱上有三个绕组，分别为t
a1
、t
a2
、t
a3
，t
b1
、t
b2
、t
b3
，t
c1
、t
c2
、t
c3
。所有绕组的绕组比均相同；各个次级绕组均有两根线引出，带有黑色实心圆点的为正极性线，另一根为负极性线。绕组t
a1
，t
b1
，t
c1
为一次侧绕组，连接于某三相电压。其余绕组为二次侧绕组，连接于各个单极性直接式ac/ac斩波器。绕组t
a2
给单极性直接式ac/ac斩波器za供电；绕组t
a3
给单极性直接式ac/ac斩波器fa供电；绕组t
b2
给单极性直接式ac/ac斩波器zb供电；绕组t
b3
给单极性直接式ac/ac斩波器fb供电；绕组t
c2
给单极性直接式ac/ac斩波器zc供电；绕组t
c3
给单极性直接式ac/ac斩波器fc供电；各个单极性直接式ac/ac斩波器的正极输入端口连接于其对应绕组的正极性线，负极输入端口连接于其对应绕组的负极性线。斩波器za输出端口的负极和斩波器zb输出端口的正极连接，斩波器zb输出端口的负极和斩波器zc输出端口的正极连接，斩波器za输出端口的正极和斩波器zc输出端口的负极连接于正极性直流的lc滤波器的输入二端口，该lc滤波器的输出二端口构成正极性直流输出电压。斩波器fa端口的负极和斩波器fb输出端口的正极连接，斩波器fb出端口的负极和斩波器fc出端口的正极连接，斩波器fa输出端口的正极和斩波器fc输出端口的负极连接于负极性直流lc滤波器的输入二端口，该lc滤波器的输出二端口构成负极性直流输出电压。两个lc滤波器输出二端口的负极连接于一点n，两个lc滤波器输出二端口的正极构成两个直流电压u
oz
和u
of
。
[0081]
设变压器一次侧绕组的输入电压表达式为(10)：
[0082][0083]
由于各个绕组的绕组比相同，则各个单极性ac/ac斩波器的输入电压与一次侧绕组的输入电压相同，以输出正极性电压为例进行推导，输出负极性电压与之对称相同。
[0084]
计算式d1和d2如公式(10)所示
[0085][0086]
式(11)中vd为计算式d1和d2的幅值，取值为0到1。ω1为输入三相电压的角频率。为计算式对于输入电压a相的初相差。将计算式d1和d2进行克拉克逆变换即可得到调制波da、db、dc，并对调制波进行单极性化，最终调制波如式(12)所示
[0087][0088]
斩波器za采用调制波da，斩波器zb采用调制波db，斩波器zc采用调制波dc。由于斩波器za、zb、zc的输出端口为串联连接，则输出电压u
oz
的表达式为(13)：
[0089][0090]uof
的合成和调制方法与u
oz
对称相同，区别在于角相差180
°
。两相直流电压的结果如(13)所示
[0091][0092]
以变压器a相铁芯柱为例，分析谐波电流，输出电流设为公式(15)。单极性直接式ac/ac斩波器za，fa和变压器输入侧通过a相铁芯柱磁路进行耦合，耦合电流可由式(16)表示。
[0093]
[0094][0095]iia
为a相输入电流表达式。可以看出耦合后的电流频率为ω1，与输入电压电流同频，因此由本发明产生的电流谐波能够相互抵消，避免对输入节点造成电流谐波污染。此外，可以看出i
ia
的相位是可调的，因此本发明还可以调节输入功率因数。
[0096]
图3是当输入电压为50hz，vd取0.7，取0时计算式d1和d2的波形。
[0097]
图4是当输入电压为50hz，vd取0.7，取0时单极性化后的调制波da，db和dc的波形。
[0098]
图5是基于所提脉宽调制方法和图2所示拓扑，输出正极性直流电压和反极性直流电压的波形图。此时输入电压为50hz，vd取0.7，分别取0
°
和180
°
，从图中可以看出两个直流电压分别为正负150v，符合设定值。
[0099]
由图5可知，利用本发明调制方法进行三相交流输入电压和脉宽调制进行斩波合成，可获得幅值和极性可控的直流电压。
[0100]
通过上述方式，本发明公开了三相交流斩波合成直流电压的脉宽调制方法，通过对输入三相交流电压通过直接式交交斩波器进行脉宽调制斩波与电压合成，可以获得幅值和极性可控的直流电压。本发明不含整流环节，不会对输入电流注入大量谐波。通过多次调制和电压合成还可输出多个直流电压。此外采用本发明而产生的电流谐波能够相互抵消，避免对输入节点造成电流谐波污染。本发明还具备调节输入功率因数的能力。