用于交流-交流变换器的整流技术制造技术

本发明专利技术提供了一种用于控制负载电流的整流的系统。该系统包括：包括多个开关元件（１０８）的交流－交流变换器（１０６）；与变换器（１０６）连接并提供振荡电压的能量源（１０２）；与变换器（１０６）连接的电力负载（１０４）；以及控制变换器（１０６）的控制器（１１２），所述控制器（１１２）对施加在电力负载（１０４）上的振荡电压和负载电流进行监测。该控制器（１１２）测定变换器的多个机器状态，每个机器状态代表了多个开关元件（１０８）的相应的导通组；并且，基于电力负载（１０４）中的负载电流的极性整流和振荡电压的极性整流，该控制器（１１２）控制多个机器状态之间的切换。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于交流-交流变换器的整流技术
总体上说，本专利技术涉及变换器。更进一步地说，本专利技术涉及基于状态机 控制的用于交流-交流变换器的整流技术。
技术介绍
交流-交流变换器，例如循环变换器和矩阵变换器，用于将一个频率的 交流电压转换为另一个频率的交流电压，而不使用中间直流环节。自从20世纪20年代，循环变换器就已经被投入使用，当时，在大型工 业环境中，汞弧变换器用于变速电动机驱动应用。 一般来说，这些早期应用 涉及将某个频率上的交流电压变换成较低频率上的电压。其最近的应用出现 在替代能源系统和不间断电源。有大量的文献涉及这些循环变换器的操作和 控制。在常见的应用中，比如工业电动机系统，实体电感负载(substantial inductive load )(电动机)将输出负载电流修正(过滤)为带有波紋的正弦波 形，其轨迹是相应的带有相位滞后的基准正弦电压。对循环变换器开关之间 的负载电流进行整流成为非常重大的挑战。实体电感负载需要连续的电流通 路，这需要先通后断的开关技术。然而，输入电压源要求不能有短路电流通 路存在，这需要先断后通的开关技术。这样，这些早期的循环变换器无法最 佳地处理这个矛盾，结果只能忍受低效和极低的输入功率因数以及谐波噪声。20世纪60年代，半导体晶闸管的商用引起了循环变换器开始普及和对 其进行新研究。相比于汞弧整流装置，晶闸管提供了更低的功率损耗，从而 实现了更高效的能量转换。然而，开关控制技术还是没有发生变化。在20世纪70年代早期，循环变换器重新引起了兴趣，得到了 B. R. Pelly 和L. Gungyi的支持。Pdly和Gungyi对循环变换器的操作进行了详细分析， 并进行了谐波分析。一 份广受关注的出版物是B. R. Pelly, Thyristorphase-controlled converters and cycloconverters; operatrion， control, and performance (晶闸管相控变换器和循环变换器；操作、控制和性能)，New York: Wiley- Interscience, 1971 。商业上可获得的晶闸管继续得到改进，导致 更高的转换速度和更低的损耗。然而，负载电流整流的问题仍然未得到解决。 电流整流中可能存在问题的一个例子是，在反向偏压条件(续流 (freewheeling))下，晶闸管中的电流何时衰减为零。如果没有足够的反向恢 复时间(半导体物理性质的函数)，晶闸管就无法彻底反转方向，并且当电 压在正向偏压方向上升高时导通电流。在上述文献中描述了其他整流失败的 例子。通过应用循环电流模式和非循环电流模式两种设计方法之一来实际上 解决负载电流的整流问题。循环电流模式涉及输入变换器(outgoing converter)和l俞入变才奐器(incoming converter)的重叠。输出变4奐器包4舌当 前导通电流的开关元件，输入变换器包括整流发生后才导通电流的开关元 件。在一些设备中，这两种变换器总是开启的。平均来说，变换器之间的电 压差为零，但是瞬时电压差是非零的。组间反应器(inter group reactor) (IGR) -陂用来限制产生的短路电流。瞬时地，无功功率(reactive power)从正向变 换器(导通平均正向负载电流的变换器)流出，通过IGR，通过负向变换器 (导通平均负向电流的变换器)，然后回到了电源。该循环电流确保负载电流 不会变得不连续，且负载电流能够精确地在如由负载电路的特点所确定的正 确时刻自然地整流。然而，循环电流模式导致了低效和差的电源功率因数。 这些缺点加上实现相位角度调制的困难，使得循环变换器仍未得到普遍应 用。非循环电流模式涉及同 一时间最多操作一个变换器，无论该变换器是正 向还是负向的。使用死区时间(deadtime)的目的是保证在开启输入变换器 之前输出变换器已被完全关闭，这样可以减少对组间反应器的需求并提高效 率。然而，当负载电流变成零的持续有限时间时，该死区时间引起了过零失 真。该失真还引起了输入电源的谐波污染。虽然存在这些问题，该技术仍成 为操作循环变换器的非常常用的方法。这个技术的广为人知的局限性就是其 需要对电流过零有精确的把握。波紋或其他噪声会在对负载电流的检测造成 不确定性，这种不确定性能够使控制行为变得复杂。Pelly描述了不同的整流方法，例如"基本电流"和"首次电流迫零技术 (first current zero technique )"。理论上说，基本电流技术实现了精确地在正 确时间点整流。实际上，因为低通滤波引起了难以补偿的相位偏移，所以基 本电流波形难以获得。通过在实际负载电流首次为零的时刻关闭输出变换 器，其他技术，例如首次电流迫零技术，特意引入了死区时间。对于含有大 波紋分量(ripple component)的负载电流，在其基本分量过零之前，关闭输 出变换器达较长时间。该电流整流问题仍然是一个大的障碍，且仅仅借助有 才能的工程师的熟练技艺才能操作市售循环变换器。检测器灵敏度要覆盖从满负载电流到晶闸管维持电流的整个操作范围， 这导致负载电流检测复杂化。为了克服这一固有的不确定性，使用了窗式检 测器(windowdetector),其在过零电流附近具有死区。可选的间接检测负载 电流极性的方法包括对晶闸管正向压降进行检测，或者，当二极管从正向导 通变为反向阻断时对二极管上的电压尖峰进行检测。在20世纪80年代，再次研究循环变换器，并且通过使用高频谐振环节 (resonant link )对其进行了改进。高频谐振环节使得循环变换器的桥电压(输 入电压)在一段时间内归零。这样，就能够避开输入电源短路的危险来完成 负载电流整流。许多讨论这种方法的论文着眼于谐振环节的控制和操作。被称为"矩阵变换器"的电路拓朴结构(circuitry topology )也出现了。该 矩阵变换器得到了更广泛的应用，因为其应用包括交流-交流变换和直流-交 流变换。同循环变换器一样，矩阵变换器无需内部能量存储和通过开关矩阵 把负载和电源直接连接起来的直流环节。原则上，任意的输入到输出电压 (input to output voltage )以及频率变换都是可能的。然而，和循环变换器不 同的是，矩阵变换器是被迫整流的，并且不包含续流电流通路。矩阵开关配 置需要在操作中提供电流通路。这样，同步控制及整流就成为重大挑战。在20世纪90年代， 一种被称为脉宽调制(PWM)循环变换器的直流-交 流变换方法出现了。为了用于替代能量系统以及不间断电源，这一新的变换 方法把交流-交流变换技术用于逆变器的难题。在描述PWM循环变换器的操 作的文献中提出了两种技术，这两种技术都把来自直流电源(例如燃料电池 或者光电板)的方波作为振荡输入电压源使用，所述振荡输入电压源常被称 为交流环节。在第一种技术中，由独立的开关电源在循环变换器上游产生方9波。在第二种技术中，产生方波，使得边缘计时(edge-timing)有助于门控 过程(gating process),该门控过程产生该负载上的输出波形，所述输出波形 匹配于来自传统的脉宽调制逆变器的波形。在任一技术中，交流环节的相对 高的频率需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制负载电流的整流的系统，所述系统包括：交流－交流变换器，所述变换器包括多个开关元件；能量源，所述能量源提供振荡电压并与所述变换器连接；电力负载，所述电力负载与所述变换器连接；以及控制器，所述控制器控制所述变换器，并且对施加在所述电力负载上的振荡电压和负载电流进行监测，其中所述控制器确定所述变换器的多个机器状态，每个机器状态代表了多个开关元件的相应的导通组；并且，基于所述电力负载中的负载电流的极性整流和振荡电压的极性整流，所述控制器控制多个机器状态之间的切换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特SJr巴洛格，菲利普T克赖因，
申请(专利权)人：伊利诺斯大学理事会，
类型：发明
国别省市：US[]