用于利用单相源操作三相负载的系统和方法技术方案

一种用于利用单相AC电源操作三相AC电机的功率转换器包含：ASD，其具有整流器和反相器；以及附加功率转换模块，其在所述ASD外部，所述附加功率转换模块电连接到所述电源和所述ASD中的每一个。所述功率转换模块包含一个或多个输入电感器和一对开关装置，所述一个或多个输入电感器被配置成存储并滤波从所述电源接收到的单相AC功率，所述对开关装置在所述输入电感器的输出端处连接到所述输入电感器中的每一个。以可操作方式连接到所述功率转换模块的控制器选择性地控制与所述一个或多个输入电感器中的每一个相关联的所述对开关装置的开关，以便致使从所述附加功率转换模块输出正弦单相AC功率以由所述整流器整流。

System and Method for Operating Three-Phase Load Using Single-Phase Source

A power converter for operating a three-phase AC motor using a single-phase AC power supply includes an ASD with a rectifier and a inverter, and an additional power conversion module, which is electrically connected to each of the power supply and the ASD outside the ASD. The power conversion module comprises one or more input inductors and a pair of switching devices configured to store and filter single-phase AC power received from the power supply, which are connected to each of the input inductors at the output end of the input inductor. Controllers operatively connected to the power conversion module selectively control the switches of the switching device associated with each of the one or more input inductors so that sinusoidal single-phase AC power is output from the additional power conversion module for rectification by the rectifier.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于利用单相源操作三相负载的系统和方法
技术介绍
本专利技术的实施例大体上涉及用于操作三相电动机的电机驱动系统，且更具体地说，涉及用于利用单相电源操作三相电机的设备和方法。行业中通常使用的执行功率转换的一种类型的系统是可调或变速驱动(ASD)电路，其是对例如三相AC感应电机等驱动系统提供可变频率、可变电压操作的工业控制装置。ASD具有带有大DC电容器的AC到DC整流器单元以平滑化电压纹波。在所有ASD中，将直流母线电压反向为三相可变电压、可变频率输出，以控制三相AC电机的速度和转矩。对于许多负载，习惯上且常常需要利用三相AC电源为AC到DC整流器部分通电。然而，可利用单相AC电源为输入AC到DC整流器通电，尤其在由于物流和其它原因而导致三相AC电源不可用的位置。在此等状况下，一些设施允许利用单相AC电源为三相ASD通电，其前提是流入到AC到DC整流器系统中的峰值电流在单相AC电源的额定值内。许多ASD制造商在ASD接受单相AC电源时会对ASD的额定值强制施加限制。在利用单相AC电源操作三相ASD时存在重要问题—此类问题关于与单相AC电源相关联的高峰值电流和零位电流条件，如在图1中所示出的单相AC波形中通过高峰值电流10和零位电流12可见。关于从单相AC电源提供到ASD的输入AC电流，应认识到ASD的输入二极管必须处理给定负载的较高需求电流(输入AC电流的RMS值明显高于在将三相电源用于给定负载时的RMS值)，因此常常降低反相器额定值，以解决此问题-在一些状况下额定值约降低50％。较高的输入电流会影响输入AC电源端子块，且在许多状况下，ASD的整流二极管可能能够处理较高RMS值电流，但ASD的端子块和整流二极管可能不是额定的，以持续处理峰值电流。额外问题是在将单相输入用作AC电源用于三相反相器时输入谐波失真为高。不良谐波与影响功率转换效率的较低输入功率因数相关联。单相AC电源跨DC总线产生较高纹波电压。较高纹波电压转化成穿过DC总线电容器的更多纹波电流和这些电容器的更多加热。通常降低反相器额定值以处理较高纹波电流。从对三相ASD馈电的单相AC电源汲取的电流是不连续的。在脉冲电流从AC电源流出时，会在某一程度上产生模仿脉冲电流波形的压降。所得压降会影响连接到相同AC电源的其它负载。存在用来改善电流波形且减小整体电流谐波的许多已知技术——包含无源和有源技术。一个已知无源方法跨越DC总线创建共振电路，其中能量存储于谐振组件中并在适当的时间自然地释放以支持下降的DC总线电压并由此减小跨越DC总线的大电容器的纹波。但是，虽然共振电路提供在为电周期期间扩展二极管导电时间段以减小输入谐波并增大输入功率因数以及减小DC总线电容器纹波，但是应认识到，所述共振电路也具有缺点。这些缺点包含谐振组件是大体积且昂贵的，且峰值二极管电流减小之改善并不突出，且平均DC总线电压仍较低且ASD需要降低额定值，但降低额定值的水平小于不具有DC总线共振电路的情况。单相AC到DC电源供应器中通常使用的一个有源解决方案使用在所有负载条件下将输入电压提升到期望直流母线电压电平的升压式转换器。使用升压式转换器有利地减小总体DC总线电压纹波并使输入电流连续，这减少输入电流谐波失真(由此消除输入二极管中的峰值电流压力)并引起AC系统中的更低热损耗。但是，应认识到，升压式转换器(和其操作)具有与其相关联的以下缺点：由于升压式开关必须额定为携载输入电流的峰值并处置经提升电压(即，跨越升压式转换器的开关的大应力)而价格昂贵，并需要输入EMI滤波器来限制在输入AC电压波形中观测到的开关噪声传播到AC源中。用以改善电流波形并减小总体电流谐波的一个特定有源解决方案公开于第14/672,967号美国申请中。图2说明用于与ASD16一起使用的单相前端电路14，其中前端电路14包含定位于整流器20的输入与跨越DC总线24的轨定位的中点22(由一对电容器形成)之间的双向开关18，以便形成单相部分升压式转换器。双向开关18受控制以甚至在输入AC电压低于DC总线电压的时间期间将电流注入到DC总线24的中点中，其中此电流通常是AC到DC整流器的额定电流的仅约50％。电流流动受到外部电感器26限制，外部电感器26表现得如在迫使开关在接近输入AC电压的峰值的某时关断时提升主DC总线电压的升压式电感器。但是，虽然前端电路14操作以成功地减小跨越DC总线电容器28的纹波并减少流经整流器20的二极管的峰值电流，但是前端电路14不提供用于调节单相电流波形并减小总体电流谐波的最优解决方案，包含与高峰值电流和零位电流条件相关的此类担忧。如图3中所见，图3说明从前端整流器电路14输出的产生于其操作(即，产生于双向开关18的操作)的电流波形30，由前端整流器电路14提供的电流是非正弦的——使得大量总谐波失真仍存在于波形中。此外，存在时间段/间隔，其中从前端电路14输出零位电流(在32处指示)，这对于以最优方式操作ASD16成为问题。因此需要具有一种克服前述缺点的用于利用单相电源操作三相电机的系统和方法。还将需要此系统和方法利用具有附加成套装置的标准ASD，以提供在单相应用中最小化系统的成本、重量和大小从而最小化对较大降额的需要的非侵入性解决方案。将又另外需要此系统和方法提供使得有可能满足行业监管功率质量强制性要求的输入电流谐波减小。
技术实现思路
本专利技术的实施例是针对一种用于利用单相电源向三相电机提供功率的功率转换器和其操作方法。根据本专利技术的一方面，一种用于利用单相AC电源操作三相AC电机的功率转换器包括：可调速驱动装置(ASD)，其包含：整流器，其被配置成将单相AC功率转换成DC总线上的DC功率，所述DC总线具有第一轨和第二轨以提供相对固定的DC电压、和跨越所述第一轨和所述第二轨的DC总线电容器以平滑化电压纹波。所述ASD还包含反相器，所述反相器用于从所述DC总线接收DC功率并将所述DC功率转换成三相AC功率，所述反相器包括可选择性地控制以控制所述三相AC电机中的电流流动和端电压的多个开关。所述功率转换器还包含附加功率转换模块，所述附加功率转换模块在所述ASD外部且电连接到所述单相AC电源和所述ASD中的每一个，其中所述附加功率转换模块具有：一个或多个输入电感器，其被配置成存储并滤波从所述单相AC电源接收到的单相AC功率；以及一对开关装置，其在所述一个或多个输入电感器的所述输出端处连接到所述一个或多个输入电感器中的每一个。所述附加功率转换模块还包含控制器，所述控制器以可操作方式连接到所述附加功率转换模块以选择性地控制与所述一个或多个输入电感器中的每一个相关联的所述对开关装置的开关，以便致使从所述附加功率转换模块输出正弦单相AC功率以由所述整流器整流。根据本专利技术的另一方面，一种用于利用单相电源操作三相AC电机的方法包含：向附加功率转换模块提供单相AC功率，所述附加功率转换模块包含：一个或多个输入电感器，其各自包括输入端和输出端；以及一对开关装置，其在所述一个或多个输入电感器的所述输出端处连接到所述一个或多个输入电感器中的每一个。所述方法还包含：通过以可操作方式连接的控制器选择性地开关与所述一个或多个输入电感器中的每一个相关联的所述对开关装置中的每一个，以便致使从所述附加功率转换模块输出正弦单相AC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于利用单相AC电源操作三相AC电机的功率转换器，所述功率转换器包括：可调速驱动装置(ASD)，其包含：整流器，其被配置成将单相AC功率转换成DC总线上的DC功率，所述DC总线具有第一轨和第二轨以提供相对固定的DC电压、和跨越所述第一轨和所述第二轨的DC总线电容器以平滑化电压纹波；以及反相器，其用于从所述DC总线接收DC功率并将所述DC功率转换成三相AC功率，所述反相器包括可选择性地控制以控制所述三相AC电机中的电流流动和端电压的多个开关；以及附加功率转换模块，其在所述ASD外部且电连接到所述单相AC电源和所述ASD中的每一个，所述附加功率转换模块包含：一个或多个输入电感器，其各自包括输入端和输出端，其中所述一个或多个输入电感器中的每一个被配置成存储并滤波从所述单相AC电源接收到的单相AC功率；以及一对开关装置，其在所述一个或多个输入电感器的所述输出端处连接到所述一个或多个输入电感器中的每一个；以及控制器，其以可操作方式连接到所述附加功率转换模块以选择性地控制与所述一个或多个输入电感器中的每一个相关联的所述对开关装置的开关，以便致使从所述附加功率转换模块输出正弦单相AC功率以由所述整流器整流。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.15 US 14/9698721.一种用于利用单相AC电源操作三相AC电机的功率转换器，所述功率转换器包括：可调速驱动装置(ASD)，其包含：整流器，其被配置成将单相AC功率转换成DC总线上的DC功率，所述DC总线具有第一轨和第二轨以提供相对固定的DC电压、和跨越所述第一轨和所述第二轨的DC总线电容器以平滑化电压纹波；以及反相器，其用于从所述DC总线接收DC功率并将所述DC功率转换成三相AC功率，所述反相器包括可选择性地控制以控制所述三相AC电机中的电流流动和端电压的多个开关；以及附加功率转换模块，其在所述ASD外部且电连接到所述单相AC电源和所述ASD中的每一个，所述附加功率转换模块包含：一个或多个输入电感器，其各自包括输入端和输出端，其中所述一个或多个输入电感器中的每一个被配置成存储并滤波从所述单相AC电源接收到的单相AC功率；以及一对开关装置，其在所述一个或多个输入电感器的所述输出端处连接到所述一个或多个输入电感器中的每一个；以及控制器，其以可操作方式连接到所述附加功率转换模块以选择性地控制与所述一个或多个输入电感器中的每一个相关联的所述对开关装置的开关，以便致使从所述附加功率转换模块输出正弦单相AC功率以由所述整流器整流。2.根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述整流器包括三相整流器桥接器，所述三相整流器桥接器包含各自具有位于其上的上二极管和下二极管的三个桥接器支脚。3.根据权利要求2所述的功率转换器，其中所述ASD进一步包括用于向所述整流器桥接器提供AC功率的三个输入端，其中所述输入端系结在一起并连接到所述三个桥接器支脚中的一个或多个的中点。4.根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述三相整流器桥接器的所述上二极管与所述三相整流器桥接器的所述下二极管平联以便共享由所述整流器接收到的AC功率输入，其中所述上二极管与所述下二极管的所述并联将所述AC功率输入的满负荷电流同等地划分到所述整流器。5.根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述一个或多个输入电感器包括单个输入电感器，且其中单对开关装置在所述单个输入电感器的所述输出端处连接到所述单个输入电感器。6.根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述一个或多个输入电感器包括三个输入电感器，且其中一对开关装置在所述三个输入电感器的所述输出端处连接到所述三个输入电感器中的每一个，使得六个开关装置包含于所述附加功率转换模块中。7.根据权利要求6所述的功率转换器，其中所述控制器被编程来以交错方式开关所述六个开关装置以提高所述附加功率转换模块的有效开关频率。8.根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述控制器被编程来根据脉冲宽度调制(PWM)方案而选择性地控制与所述一个或多个输入电感器中的每一个相关联的所述对开关装置的开关，以致使从所述附加功率转换模块输出所述正弦单相AC功率。9.根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述ASD进一步包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·李，姚文熙，吕征宇，
申请(专利权)人：伊顿公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：美国,US