專利名稱：用于減少功率變換器中諧波的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于減少在功率變換器中生成的干擾諧波的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
電力電子設(shè)備通常通過(guò)導(dǎo)致諧波產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，電力系統(tǒng)由若干以自己的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的子系統(tǒng)組成。這些不同頻率的組合是差拍現(xiàn)象的諧波源。
差拍(beat)是由兩個(gè)相鄰的頻率的疊加產(chǎn)生的振蕩的振幅的周期變化。
通常，尋求通過(guò)使用包括電感器(L)和電容器(C)的濾波器來(lái)使這些子系統(tǒng)去耦。
就鐵路應(yīng)用中用于推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的三相逆變器來(lái)說(shuō)，例如，曾建議通過(guò)鑒相器中的調(diào)整波(set wave)校正來(lái)進(jìn)行PWM波處理(公開(kāi)號(hào)WO96/33548)。該處理使得可能消除開(kāi)關(guān)調(diào)整波中的不作用時(shí)間(deadtime)，從而顯著地減少不需要的諧波，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)電流中出現(xiàn)的5次和7次諧波以及在供電端上和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩端上出現(xiàn)的6次諧波。
然而，改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常受半導(dǎo)體的損耗或系統(tǒng)物理性質(zhì)的限制。
大量文獻(xiàn)，例如，US-A-4638417、DE-A-19651281、DE-A-3912706、GB-A-2232835以及US-A-4339697已經(jīng)提出了將可變的、在某些情形中具有隨機(jī)頻率的調(diào)整波應(yīng)用于特別是為了減小噪音而用來(lái)控制逆變器的PMW波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種用于減少，或甚至消除由多級(jí)功率變換器中不同轉(zhuǎn)換頻率的合成產(chǎn)生的諧波的簡(jiǎn)單設(shè)備。
本發(fā)明特別是為了提供能被應(yīng)用到包括至少以下兩個(gè)功能子系統(tǒng)電阻制動(dòng)斬波器(rheostatic braking chopper)、逆變器/整流器的系統(tǒng)的設(shè)備和方法。
本發(fā)明涉及用于減少多級(jí)轉(zhuǎn)換功率變換器中不想要的諧波的振幅的設(shè)備和方法，其中至少一個(gè)所述級(jí)的開(kāi)關(guān)是由具有可變的隨機(jī)頻率的脈沖控制。
根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語(yǔ)“功率變換器”是指包括若干子系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中該功能子系統(tǒng)包含一輸入濾波器、一電阻制動(dòng)斬波器以及一多級(jí)逆變器或整流器。
通常，斬波器由至少兩個(gè)最好是IGBT型的開(kāi)關(guān)串聯(lián)組成，每一個(gè)開(kāi)關(guān)與一反向偏置的二極管并聯(lián)，該開(kāi)關(guān)/反向偏置二極管組件與一電阻器串聯(lián)。
通常，多級(jí)變換器，例如三級(jí)變換器的一臂由至少四個(gè)最好是IGBT型、成對(duì)耦合的開(kāi)關(guān)組成。每一開(kāi)關(guān)與一反向偏置二極管并聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明，斬波器開(kāi)關(guān)將由可變的隨機(jī)頻率脈沖來(lái)控制。
因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括由用來(lái)控制斬波器開(kāi)關(guān)的可變隨機(jī)頻率脈沖組成的一波形發(fā)生器。
最好，該頻率遵循高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差在平均值的15％和35％之間。
有利地，該平均值與通常用來(lái)控制所討論的開(kāi)關(guān)的固定頻率相應(yīng)。
根據(jù)一特定實(shí)施例，斬波器的平均控制頻率在600和900Hz之間，且標(biāo)準(zhǔn)偏差在150和250Hz之間。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要特征，多級(jí)逆變器被直接連在斬波器上，即該斬波器經(jīng)其中點(diǎn)連接到該逆變器上。
這意味著因而可能避免出現(xiàn)用于該斬波器的一單獨(dú)的中間電容器分壓器。


圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，一兩級(jí)轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2表示根據(jù)本發(fā)明，使用用于減少諧波的設(shè)備和方法的轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖3表示施加到逆變器控制端的一波形，其具有三個(gè)開(kāi)關(guān)角α1、α2和α3；圖4表示根據(jù)本發(fā)明，施加到電阻制動(dòng)斬波器上的具有調(diào)整波信號(hào)的控制信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一兩級(jí)轉(zhuǎn)換器。它通常由幾個(gè)子系統(tǒng)輸入濾波器1、制動(dòng)斬波器2以及逆變器4組成。在當(dāng)前例子中僅示出了三級(jí)逆變器的一臂。
通常，輸入濾波器由一個(gè)電感器L和一個(gè)或多個(gè)電容器C3和C4組成。
制動(dòng)斬波器2由兩個(gè)最好是IGBT型的開(kāi)關(guān)Fr1和Fr2串聯(lián)組成，這些開(kāi)關(guān)中的每一個(gè)與一反向偏置的二極管Dr1和Dr2并聯(lián)，該開(kāi)關(guān)/反向偏置二極管組件與允許損耗不被負(fù)載M1消耗的能量的電阻器R1和R2串聯(lián)。
另外，為保證電壓強(qiáng)度，提供由兩個(gè)電容器C3和C4組成的用于斬波器的一電容器分壓器。
三級(jí)逆變器的一臂通常如圖1中所示。它由最好是IGBT型、成對(duì)耦合(T1和T2耦合、T3和T4耦合)的四個(gè)開(kāi)關(guān)組成。每一開(kāi)關(guān)與一反向偏置二級(jí)管D1至D4并聯(lián)。由兩個(gè)電容器C1和C2組成的一電容器分壓器3也與逆變器4并聯(lián)。
如圖1中所示，通常，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，斬波器X’和X的中點(diǎn)不連接。
根據(jù)本發(fā)明，如圖2中所示，提出分別連接設(shè)置在相應(yīng)的兩個(gè)電容器之間的斬波器和逆變器的中點(diǎn)(X和X’)。用一種特別有利的方式，使得可能不再需要提供每一個(gè)斬波器2/逆變器4子系統(tǒng)專用的電容器分壓器橋。
三級(jí)逆變器4的功能模式完全是常規(guī)的，且通過(guò)使IGBT開(kāi)關(guān)成對(duì)導(dǎo)通首先是上面兩個(gè)(IGBT1，IGBT2)，然后是中間兩個(gè)(IGBT2，IGBT3)，最后是底部?jī)蓚€(gè)(IGBT3，IGBT4)，使得可能在兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)上分布架空接觸線的HT直流電壓。
因此通過(guò)三個(gè)電壓電平HT、HT/2以及0，做出近似的正弦曲線。
因此第二電容器分壓器不再需要設(shè)置中間電勢(shì)以用于該逆變器的校正功能，因?yàn)橹悬c(diǎn)X、X’間的連接允許該高電壓的良好分布。
與兩級(jí)逆變器相比，三級(jí)系統(tǒng)可能通過(guò)更近似的正弦曲線來(lái)減少諧波電平。
當(dāng)通過(guò)逆變器提供給負(fù)載的電壓是相對(duì)于軸Oy對(duì)稱時(shí)，在傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中僅生成基本和奇次諧波(3次、5次、7次、9次，等等)HT(t)＝α1sin(ωt+Φ1)+α3sin(3ωt+Φ2)+α5sin(5ωt+Φ5)+…，其中t是時(shí)間，ω是基本角頻率，Φ2i-1是與頻率(2i-1)ω對(duì)應(yīng)的相位，i＝1，2，3，...
可能獲得具有n個(gè)未知數(shù)的n次線性方程的系統(tǒng)，其中系數(shù)α3、α5、α7，...均表示成開(kāi)關(guān)角α1、α2、α3，...的函數(shù)。圖2示出了與三個(gè)開(kāi)關(guān)角α1、α2、α3相對(duì)應(yīng)的波形。
通過(guò)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)方程式，開(kāi)關(guān)角α1、α2、α3，...能表示成傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中產(chǎn)生的系數(shù)α3、α5、α7，...的函數(shù)。
因此可能計(jì)算消除開(kāi)始選擇的特定諧波所需要的開(kāi)關(guān)角。換句話說(shuō)，應(yīng)用到逆變器子系統(tǒng)的波形的適當(dāng)選擇使得可能消除發(fā)動(dòng)機(jī)端的特定諧波，特別是最不需要的如5次和7次諧波。發(fā)動(dòng)機(jī)端的3次和3的倍數(shù)次諧波不是麻煩，因?yàn)樗窃诰哂胁唤拥刂悬c(diǎn)的三相系統(tǒng)中的問(wèn)題。
通常，尋求不加入電容器電橋3(C1，C2)以盡可能具有直接連接到逆變器(X＝X’)的制動(dòng)斬波器。在這種情況下，差拍是不可避免的，并且如下所述，只有在從該斬波器提供一命令才可抑制該差拍。
在正常操作中，逆變器在中點(diǎn)X、X’生成其頻率是工作頻率的3的倍數(shù)次的諧波。例如，如果逆變器在50Hz下工作，則在中點(diǎn)能發(fā)現(xiàn)頻率150、300、450Hz等等。
在圖2給出的例子中，直接連在逆變器上的制動(dòng)斬波器以其自身頻率(如800Hz)工作。該頻率容易與在中點(diǎn)處出現(xiàn)的所有諧波結(jié)合起來(lái)形成一差拍。不用說(shuō)，這些頻率越接近，該差拍就越強(qiáng)烈。
特別地，如果f1是逆變器的諧波頻率，f2是斬波器的頻率，則可獲得頻率為(f1+f2)/2以及(f1-f2)/2的兩個(gè)差拍。
為遏制該現(xiàn)象，設(shè)想使用一隨機(jī)頻率來(lái)控制該斬波器可滿足需要。該頻率的分布是例如具有等于通常工作頻率f0＝800Hz的平均值，以及具有Δf＝200Hz的標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯分布。圖3給出了用于斬波器IGBT(IGBT Fr1，IGBT Fr2)的隨機(jī)頻率控制信號(hào)6的例子。調(diào)整波5給出了施加到斬波器的調(diào)制率(modulation rate)的電平。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括生成一輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)是在有限時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)正弦函數(shù)的采樣(例如，一秒的間隔內(nèi)每10ms采樣一次)，并且該信號(hào)的頻率通過(guò)使用一隨機(jī)數(shù)發(fā)生器隨時(shí)間改變。
相對(duì)于單一頻率，電力元件中的開(kāi)關(guān)損耗是相同的。
然而，由本發(fā)明提供的解決方案具有幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)-減少差拍，該差拍越大，標(biāo)準(zhǔn)偏差就越大；-減少系統(tǒng)噪音；-可能抑制斬波器和逆變器間的電容器分壓器。
權(quán)利要求
1.電子多級(jí)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，用于降低在所述設(shè)備中生成的，特別是以差拍為形式的不需要的諧波的振幅，包括至少一輸入濾波器(1)、包括至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)(Fr1，F(xiàn)r2)的一電阻制動(dòng)斬波器(2)，以及包括至少四個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3，T4)的一多級(jí)逆變器(4)，其特征在于逆變器(4)通過(guò)提供經(jīng)由該逆變器與斬波器的中點(diǎn)(X＝X’)的一連接直接連在斬波器(2)上，并且包括控制所述斬波器(2)的開(kāi)關(guān)的一可變隨機(jī)頻率脈沖發(fā)生器。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于該隨機(jī)頻率遵循平均頻率的高斯分布，該平均頻率等于用于在固定頻率的一等效設(shè)備的頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于該隨機(jī)頻率遵循非高斯分布。
4.如以上任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于該分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差在平均頻率的15％和35％之間。
5.如以上任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于逆變器(4)的開(kāi)關(guān)由與開(kāi)關(guān)角(α1，α2，α3，…)相應(yīng)的PWM波的脈沖控制，計(jì)算該開(kāi)關(guān)角以便減小或消除由所述逆變器(4)施加到一負(fù)載(M1)的電壓波形的至少一個(gè)奇次諧波的振幅。
6.用于減少在一多級(jí)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中生成的不需要的諧波的振幅的方法，該設(shè)備包括至少一輸入濾波器(1)、包括至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)(Fr1，F(xiàn)r2)的一電阻制動(dòng)斬波器(2)，以及包括至少四個(gè)開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3，T4)的一多級(jí)逆變器(4)，該逆變器(4)經(jīng)由連接該逆變器(4)的中點(diǎn)(X)和斬波器(2)的中點(diǎn)(X’)的一連接直接連到斬波器(2)上，其特征在于斬波器(2)的開(kāi)關(guān)(Fr1，F(xiàn)r2)受可變隨機(jī)頻率脈沖的控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及多級(jí)功率轉(zhuǎn)換電子設(shè)備，用于降低在所述設(shè)備中生成的，特別是以差拍為形式的不需要的諧波的振幅，該設(shè)備包括至少一輸入濾波器(1)、包括至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)(Fr1，F(xiàn)r2)的一電阻制動(dòng)斬波器(2)，以及包括至少四個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3，T4)的多級(jí)靜態(tài)逆變器(4)。本發(fā)明的特征在于，通過(guò)在它們的中點(diǎn)提供的一連接，逆變器(4)直接連在斬波器(2)上，并且該逆變器包括用于控制所述斬波器(2)的開(kāi)關(guān)的一可變隨機(jī)頻率脈沖發(fā)生器。
文檔編號(hào)H02M1/12GK1404648SQ01805495
公開(kāi)日2003年3月19日 申請(qǐng)日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月13日
發(fā)明者約漢尼·布薩達(dá) 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆比利時(shí)股份有限公司