双向频率变换器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及频率变换技术领域，具体涉及一种双向频率变换器及其控制方法，目的是提供一种输入、输出可以同频率的变换器。本发明专利技术的双向频率变换器包括：三相联接变压器、级联变流器A′、B′、C′和D′。其中，三相联接变压器采用三角形/星形连接形式，且副边绕组的星接点连接到单相交流侧的端子n；三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c分别通过级联变流器A′、B′、C′连接到单相交流侧的端子x；单相交流侧的端子x与端子n之间并联级联变流器D′；将三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输入，端子x和端子n作为输出，实现三相输入‑单相输出；或者将输入输出反过来，实现单相输入‑三相输出。本发明专利技术减少了中间环节，降低了系统损耗，并可实现输入输出同频率。

Bidirectional Frequency Converter and Its Control Method

The invention relates to the technical field of frequency conversion, in particular to a bidirectional frequency converter and its control method, with the aim of providing a converter with the same input and output frequencies. The bidirectional frequency converter of the invention includes three-phase connected transformer, cascade converter A', B', C', and D'. Among them, three-phase connection transformer is triangular/star connection, and the star connection of secondary winding is connected to terminal n of single-phase A C side; the secondary winding terminals a, B and C of three-phase connection transformer are connected to terminal X of single-phase AC side through cascade converter A', B', C', respectively; and the parallel cascade converter D', between terminal X and terminal n of single-phase AC side, connects three-phase connection. Three terminals of primary winding of transformer are used as input, and terminals X and N are used as output to realize three-phase input and single-phase output, or the input and output are reversed to realize single-phase input and three-phase output. The invention reduces the intermediate link, reduces the system loss, and achieves the same frequency of input and output.

【技术实现步骤摘要】
双向频率变换器及其控制方法
本专利技术涉及频率变换
，具体涉及一种双向频率变换器及其控制方法。
技术介绍
三相交流输入单相交流输出的电能频率变换装置在特殊场合具有多种用途，例如，将三相工频交流电变换为单相高频感应加热电源的场合、从三相50Hz公用交流电网变换为16.7Hz电力机车单相交流电的场合等。现有专利文件CN108923664A(公开日：2018.11.30)公开了一种三相输入单相输出频率变换器及控制策略，这种频率变换器实现了交流-交流变换，比起交流-直流-交流变换的方案减少了中间环节，降低了系统损耗，但是无法实现输入端和输出端同频率。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出了一种双向频率变换器及其控制方法，实现了输入输出同频率。本专利技术的一方面，提出一种双向频率变换器，所述双向频率变换器包括：三相联接变压器、级联变流器A′、级联变流器B′、级联变流器C′和级联变流器D′；所述三相联接变压器采用三角形/星形连接形式，且副边绕组的星接点连接到单相交流侧的端子n；所述三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c分别通过所述级联变流器A′、所述级联变流器B′、所述级联变流器C′连接到所述单相交流侧的端子x；所述单相交流侧的端子x与端子n之间并联所述级联变流器D′；所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输入端子，所述单相交流侧的端子x和端子n作为输出端子，进而实现三相输入-单相输出；或者，所述单相交流侧的端子x和端子n作为输入端子，所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输出端子，进而实现单相输入-三相输出。优选地，所述级联变流器A′、所述级联变流器B′和所述级联变流器C′均由M个相同的功率模块级联构成；所述级联变流器D′由N个相同的功率模块级联构成；其中，M和N均为正整数。优选地，所述级联变流器A′、所述级联变流器B′、所述级联变流器C′和所述级联变流器D′均采用功率模块电容电压外环和各自电流作为内环的双闭环控制。优选地，所述级联变流器A′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子a；所述级联变流器A′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个功率模块的端子T1，k＝1，2，…，M-1；所述级联变流器A′中的第M个功率模块的端子T2连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器B′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子b；所述级联变流器B′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个功率模块的端子T1，k＝1，2，…，M-1；所述级联变流器B′中的第M个功率模块的端子T2连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器C′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子c；所述级联变流器C′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个功率模块的端子T1，k＝1，2，…，M-1；所述级联变流器C′中的第M个功率模块的端子T2连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器D′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器D′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个功率模块的端子T1，k＝1，2，…，N-1；所述级联变流器D′中的第N个功率模块的端子T2连接到所述单相交流侧的端子n。优选地，所述三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c的电流ia、ib、ic与所述三相联接变压器原边三相电流iA、iB、iC满足下式的关系：iA＝iAB-iCA＝Ktr*(ia-ic)iB＝iBC-iAB＝Ktr*(ib-ia)iC＝iCA-iBC＝Ktr*(ic-ib)其中，Ktr为所述三相联接变压器副边与原边电压之比，且有：iAB＝Ktr*iaiBC＝Ktr*ibiCA＝Ktr*iciAB、iBC、iCA分别为所述三相联接变压器原边的三相绕组中流过的电流；所述级联变流器D′内的电流id与负载电流ix、副边绕组电流ia、ib和ic之间满足下式的关系：id＝ia+ib+ic-ix。本专利技术的另一方面，提出一种双向频率变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：控制每个功率模块的输出电压，使得所述级联变流器A′、所述级联变流器B′和所述级联变流器C′的电压均由两个频率的交流成分组成，且满足如下关系：uax＝uax1+uax2ubx＝ubx1+ubx2ucx＝ucx1+ucx2其中，uax、ubx和ucx分别为所述级联变流器A′、所述级联变流器B′和所述级联变流器C′的电压；uax1、ubx1和ucx1的频率均与所述三相联接变压器原边三相交流侧电压频率相同，uax2、ubx2和ucx2的频率均与单相交流侧端子x、端子n间的交流电压频率相同。优选地，所述控制方法还包括：控制所述级联变流器D′的电压ud只含有单相侧频率的交流成分，且近似等于单相交流侧端子x与端子n间的交流电压uxn。优选地，所述控制方法还包括：在输入侧和输出侧频率不同的情况下，分别控制所述级联变流器A′、所述级联变流器B′和所述级联变流器C′各自的两个不同频率的电压和两个不同频率的电流形成的有功功率之和为零，并且控制所述级联变流器D′的电压和电流形成的有功功率也为零。优选地，所述控制方法还包括：在输入侧和输出侧频率相同的情况下，分别控制所述级联变流器A′、所述级联变流器B′、所述级联变流器C′和所述级联变流器D′各自的电压和电流形成的有功功率之和为零。与最接近的现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术与专利文件CN108923664A一样，均实现了交流-交流变换，比起交流-直流-交流变换的方案减少了中间环节，降低了系统损耗；另外，本专利技术通过在单相交流侧增加级联变流器D′，实现了输入端和输出端同频率，这是专利CN108923664A的频率变换器所无法实现的。附图说明图1是本专利技术的双向频率变换器实施例的主要构成示意图；图2是本专利技术的双向频率变换器实施例中功率模块的一种具体实现电路原理图；图3是本专利技术的双向频率变换器的控制方法实施例的主要步骤示意图。具体实施方式下面参照附图来描述本专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅用于解释本专利技术的技术原理，并非旨在限制本专利技术的保护范围。需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“第一”、“第二”仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置、元件或参数的相对重要性，因此不能理解为对本专利技术的限制。图1是本专利技术的双向频率变换器实施例的主要构成示意图。如图1所示，本实施例中的双向频率变换器包括：三相联接变压器、级联变流器A′、级联变流器B′、级联变流器C′和级联变流器D′。其中，三相联接变压器的原边绕组采用三角形连接形式，副边绕组采用星形连接形式，且副边绕组的星接点连接到单相交流侧的端子n；三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c分别通过级联变流器A′、级联变流器B′、级联变流器C′连接到单相交流侧的端子x；单相交流侧的端子x与端子n之间并联级联变流器D′。即级联变流器A′的两端分别连接到端子a和端子x，级联变流器B′的两端分别连接到端子b和端子x；级联变流器C′的两端分别连接到端子c和端子x；级联变流器D′的两端分别连接到端子x和端子n。图1中画出了将三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输入端子，将单相交流侧的端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向频率变换器，其特征在于，所述双向频率变换器包括：三相联接变压器、级联变流器A′、级联变流器B′、级联变流器C′和级联变流器D′；所述三相联接变压器采用三角形/星形连接形式，且副边绕组的星接点连接到单相交流侧的端子n；所述三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c分别通过所述级联变流器A′、所述级联变流器B′、所述级联变流器C′连接到所述单相交流侧的端子x；所述单相交流侧的端子x与端子n之间并联所述级联变流器D′；所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输入端子，所述单相交流侧的端子x和端子n作为输出端子，进而实现三相输入‑单相输出；或者，所述单相交流侧的端子x和端子n作为输入端子，所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输出端子，进而实现单相输入‑三相输出。

【技术特征摘要】
1.一种双向频率变换器，其特征在于，所述双向频率变换器包括：三相联接变压器、级联变流器A′、级联变流器B′、级联变流器C′和级联变流器D′；所述三相联接变压器采用三角形/星形连接形式，且副边绕组的星接点连接到单相交流侧的端子n；所述三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c分别通过所述级联变流器A′、所述级联变流器B′、所述级联变流器C′连接到所述单相交流侧的端子x；所述单相交流侧的端子x与端子n之间并联所述级联变流器D′；所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输入端子，所述单相交流侧的端子x和端子n作为输出端子，进而实现三相输入-单相输出；或者，所述单相交流侧的端子x和端子n作为输入端子，所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输出端子，进而实现单相输入-三相输出。2.根据权利要求1所述的双向频率变换器，其特征在于，所述级联变流器A′、所述级联变流器B′和所述级联变流器C′均由M个相同的功率模块级联构成；所述级联变流器D′由N个相同的功率模块级联构成；其中，M和N均为正整数。3.根据权利要求2所述的双向频率变换器，其特征在于，所述级联变流器A′、所述级联变流器B′、所述级联变流器C′和所述级联变流器D′均采用功率模块电容电压外环和各自电流作为内环的双闭环控制。4.根据权利要求2所述的双向频率变换器，其特征在于，所述级联变流器A′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子a；所述级联变流器A′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个功率模块的端子T1，k＝1，2，…，M-1；所述级联变流器A′中的第M个功率模块的端子T2连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器B′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子b；所述级联变流器B′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个功率模块的端子T1，k＝1，2，…，M-1；所述级联变流器B′中的第M个功率模块的端子T2连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器C′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子c；所述级联变流器C′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个功率模块的端子T1，k＝1，2，…，M-1；所述级联变流器C′中的第M个功率模块的端子T2连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器D′中的第一个功率模块的端子T1连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器D′中的第k个功率模块的端子T2连接到第k+1个...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷鸣，李耀华，李子欣，赵聪，徐飞，高范强，王平，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11