[实用新型]带直流有源滤波的单相四象限变流器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种单相四象限变流器，尤其涉及一种带直流有源滤波的单相四象限变流器。

背景技术

单相四象限变流器因其结构简单、可靠性强、效率高等特点广泛应用于不间断电源(uninterrupted power supply，UPS)、光伏并网、级联多电平变换器、机车牵引、多相交流传动、航空航天等系统。但其交流侧正弦变化的电压、电流会产生二次脉动功率，导致直流母线电压出现二次脉动，给系统造成危害。例如，二次脉动电压经PWM调制向交流侧引入三次谐波。对于UPS和光伏并网等直流环节带有低阻抗特性的电池系统，脉动电压引入的低频纹波电流导致电池严重发热、寿命缩短。对于牵引变频系统，脉动电压在电机定子绕组上产生低频谐波电流，导致电磁损耗增加，温升超过允许范围，并引起转矩低频脉动和机械噪声。

一般在直流母线两端并联大电容或LC谐振电路来抑制电压的二次脉动。目前，国内以及法国某些型号的电力机车牵引变频系统采用上述措施一定程度上减小了直流母线电压二次脉动对电机的影响。由于LC谐振电路对参数偏移敏感，参数严重失配时会在直流支撑电容和LC谐振电路之间产生很大的二次谐波环流。为保证脉动电压抑制效果，需选取大容值的电解电容对脉动功率进行缓冲，但会增大系统体积，降低功率密度，增加成本。

利用有源变换电路将脉动能量导入电容或电感等储能元件，可以有效地抑制直流纹波、增强直流电压稳定性，并且有效减小直流母线滤波电容。有源滤波方案，一般会增加原系统开关管个数、驱动以及散热等装置。因此，设计一种结构简单，带有直流有源滤波功能的单相四象限变流器，具有至关重要的意义。

实用新型内容

所要解决的技术问题：针对以上问题本实用新型提供了一种高效率、高功率密度的带直流有源滤波的单相四象限变流器。带直流有源滤波的单相四象限变流器，使其具有四象限变流功能的同时可以有效地抑制直流母线电压脉动、显著减小直流母线滤波电容、提高电源系统功率密度，减小电网电流三次谐波。当其应用于牵引变频系统或不间断电源系统(UPS)时，克服了直流纹波电流对储能蓄电池的影响，大大延长电池寿命，提高电能变换系统的可靠性。

技术方案：针对以上不足本实用新型提供了一种带直流有源滤波的单相四象限变流器,其特征在于：包括单相四象限变流单元、有源滤波单元、采样及微处理器控制单元、驱动电路；交流电网和直流负载经由单相四象限变流器进行能量交换将交流电转换为直流电后，经过有源滤波单元进行直流母线二次脉动电压的滤波，经过采样及微处理器控制单元进行交流电网电压、输入滤波电感电流、直流母线电压、负载电流和储能电容电压的变量的监控、采样以及运算处理，并产生开关管的开通和关断指令信号，再经驱动电路将由采样及微处理器控制单元产生的开关管开通和关断指令信号进行功率放大最终驱动开关管进行对应的开通和关断动作。

所述的单相四象限变流器包括功率开关管T1、T2、T3、T4、输入滤波电感Ls、直流母线电容C1、C2,功率开关管T1、T2串联构成变流器的一个桥臂，功率开关管T3、T4串联构成另一个桥臂，定义两桥臂中点为a和b,a点通过输入滤波电感Ls与交流电网一端相连，b点与交流电网中性点n相连,直流母线电容C1、C2串联后与两个桥臂一起并联在直流母线上。

通过控制开关管T1、T2、T3、T4，将有效值为220V50Hz的单相交流电转换为500V的直流电，同时使输入滤波电感电流is成为与交流电网电压vs同相或反相的正弦波；

所述的有源滤波单元包括开关管T3、T4、辅助电感Lc、储能电容Cs；有源滤波单元是在交流电网中性点n和直流母线支撑电容中点o串接辅助电感Lc和储能电容Cs，与单相四象限电流器共用开关管T3、T4；

控制开关管T3、T4将单相四象限变流器交流侧产生的二次脉动功率导入到储能电容Cs中，直流母线电容C1、C2只对开关纹波进行滤除，辅助电感Lc用来限制储能电容Cs电流纹波大小。

所述的采样与微处理器控制单元对交流电网电压vs、输入滤波电感电流is、直流母线电容电压Vdc、储能电容电压Vcs进行采样和监控，判断各采样变量是否正常，当发生欠、过压和过流、过温故障时，关断功率开关管T1、T2、T3、T4，进行停机保护动作；