专利名称：可控整流调压的他励直流电动机励磁电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可控整流调压的他励直流电动机励磁电路，尤其涉及一种适用于各种他励直流电动机传动的直流励磁电路，配套矩阵整流器一起使用可以满足较大功率的直流传动与直流发电的应用场合。
背景技术：
长期以来，他励直流电动机传动中供电和励磁电源一般采用可控硅整流器方案，造成电网电流波形畸变严重，功率因数降低，电源利用率下降。由于可控硅属于半控器件，整流器只能采用相控方案。随着功率开关制造技术的日益提高，许多大功率全控器件不断出现，如IGBT(绝缘门双极晶体管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等，全控器件的应用范围越来越广，在许多领域已经有取代半控器件的趋势。另外随着电力部门不断地强化电力环保，消除电力电子变换器向电网的谐波电流污染已经势在必行，为此以前采用的可控硅整流器方案已经不再受到欢迎，采用新型全控器件的可控整流器方案日益受到青睐。其中采用一种高性能的四象限矩阵整流器的直流电源方案比较引人注目(Vladimir Blasko.DC motor matrix converter with field and armature circuits.United States Patent，Patent Number6636693B2，Date of PatentOct.21，2003.)，利用两组矩阵整流器系统分别为他励直流电动机供电和励磁，不仅可以实现整流器功能，而且具有再生发电能力，不仅可以连续调节输出直流电压水平和改变输出电压极性，而且本质上输入电流波形为正弦波形，能够消除对电网的谐波电流污染。但是这种配置的必然结果是虽然电网功率因数非常高，但是系统结构复杂，安全换流策略和控制算法比较复杂，成本比较高，没有考虑到供电电路传输功率非常大和励磁电路消耗功率非常低的实际情况，因此这种方案需要进一步简化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种可控整流调压的他励直流电动机励磁电路，具有结构简单、控制容易、成本低廉和支持较大功率等优点。
为实现上述目的，本发明设计的可控整流调压的他励直流电动机励磁电路包括由三只整流二极管、三只逆导型功率开关和一只续流二极管组成的三相可控整流桥，还包括由滤波电感、滤波电容构成的滤波器。三只整流二极管分别与三只逆导型开关一一对应串联构成三个桥臂，三只整流二极管的阴极与各自对应的逆导型开关的漏极相连，形成的三个中点分别外接三相电压。三个桥臂中逆导型开关作为上管共阴极并与续流二极管的阴极相连，三个桥臂中整流二极管作为下管共阳极并与续流二极管的阳极相连。滤波电感与滤波电容相连构成输出滤波器，滤波电感的另一端与续流二极管的阴极相连，滤波电容的另一端与续流二极管的阳极相连，滤波电容的两端与励磁线圈的两个端子相连。
三相交流电压施加到三相可控整流桥的三个中点时，在三个中点处形成三相线电压，三只逆导型开关在PWM(脉冲宽度调制)驱动信号作用下，各按120电角度间隔一次进行开关，在续流二极管的阴极与阳极两端产生一个PWM电压脉冲，该电压脉冲在滤波电感与滤波电容构成的LC滤波器作用后产生一个幅值可调的高精度电压输出，施加到他励直流电动机励磁线圈的两端，同时三相输入电流呈现120电角度分布的等脉宽高频PWM波形，便于网侧输入滤波器的滤波。
本发明设计了一种新型三相可控整流桥并在整流桥的两个输出端连接一个续流二极管，整流桥后接一个LC低通滤波器，在输出电压闭环调节和输入线电压检测的基础上，适当调节三个逆导型开关的瞬时占空比能够稳定连续调节最终输出的直流电压水平，同时使得三相输入电流为对称的120电角度导电的高频PWM波形，有利于输入滤波器的滤波，降低谐波电流水平，具有反应快速可靠、通用性强等特征，同时具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点。尤其适用于采用矩阵整流器供电的他励直流电动机传动系统中作为励磁电源使用。
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明与矩阵整流器一起应用于他励直流电动机传动系统中的实施例电路原理图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例是对本发明的进一步说明，而不构成对本发明的限定。
本发明设计的可控整流的他励直流电动机励磁电路如图1所示，包括由三只整流二极管D1～D3、三只逆导型功率开关S1～S3和一只续流二极管D4组成的三相可控整流桥1，以及由滤波电感L1、滤波电容C1构成的滤波器2。
三只整流二极管D1～D3分别与三只逆导型开关S1～S3一一对应串联构成三个桥臂，三只整流二极管D1～D3的阴极与各自对应的逆导型开关S1～S3的漏极相连形成的三个中点分别外接三相电压。三个桥臂中逆导型开关S1～S3作为上管共阴极并与续流二极管D4的阴极相连，三个桥臂中整流二极管D1～D3作为下管共阳极并与续流二极管D4的阳极相连。滤波电感L1与滤波电容C1相连构成输出滤波器，滤波电感L1的另一端与续流二极管D4的阴极相连，滤波电容C1的另一端与续流二极管D4的阳极相连，滤波电容C1的两端与励磁线圈电路3中的两个端子相连。
三相可控整流桥1中，逆导型功率开关S1与整流二极管D1串联，其中D1的阴极和S1的漏极形成中点与输入相电压Ua相连，逆导型功率开关S2与整流二极管D2串联，其中D2的阴极和S2的漏极形成中点与输入相电压Ub相连，逆导型功率开关S3与整流二极管D3串联，其中D3的阴极和S3的漏极形成中点与输入相电压Uc相连，续流二极管D4的阴极与S1～S3的阴极相连，形成正极，D4的阳极与S1～S3的阳极相连，形成负极。
LC滤波器2中，滤波电感L1的一端与三相可控整流桥1的正极相连，另一端与滤波电容C1的一端相连，滤波电容C1的另一端与三相可控整流桥1的负极相连。
励磁线圈电路3中，电阻R1与电感L2串联后，再与LC滤波电路2中滤波电容C2并联。
本发明的工作原理为(1)三相可控整流桥1中，D1～D3、S1～S3构成三相可控整流器，在S1～S3的开关斩波作用下，将三相输入交流线电压整形PWM电压，通过续流二极管D4为后级LC滤波器2供电；(2)LC滤波器2中，L1与C1构成滤波电路，能够对输入直流电压进行滤波，得到比较平直的直流电压输出，供励磁线圈电路3使用。D4的作用是为L1提供电流续流的路径，防止生成高幅值感应电压，危害功率开关和励磁绕组绝缘等的安全。
(3)S1～S3的PWM信号产生方式是增加输入线电压检测和输出直流电压的反馈环节，使得产生的PWM信号能够抵抗输入直流电压的脉动和励磁线圈负载产生的扰动，获得高性能的直流输出电压，S1～S3各自依次按照Uab、Ubc与Uca为最大次序斩波120电角度，周而复始。同时在三相输入Ua、Ub与Uc线路上形成120电角度导电的高频PWM电流波形，非常有利于输入滤波器的滤波。
本发明由于在三相可控整流桥中只有三只上管为可控开关，通过调节三只可控开关的实时占空比就可以调节输出的直流平均电压的幅值，由于高频斩波作用，后级滤波电感与滤波电容的容量可以很小，降低了成本。
本发明由于在三相可控整流桥的输出部分采用了续流二极管D4，成为一种新型的可控整流器，使得其后可以增加任何滤波器。
上述器件中整流二极管D1～D3、滤波电感L1、滤波电容C1的精度不作要求。D1～D3的耐压为1200V，载流量按照实际励磁功率计算。D4为反向快速恢复功率二极管，反向恢复时间越小越好，一般为小于40nS。S1～S3选择逆导型开关，开关频率不低于60kHz，耐压1200V，额定电流按照实际励磁功率计算。滤波电感L1取值为1mH～25mH，载流量按照实际励磁功率计算。滤波电容C1取值为4.7μF～470μF，耐压1000V。
图2为本发明可控整流调压的他励直流电动机励磁电路应用在他励直流电动机传动系统中的实施例。
按图2所示，他励直流电动机传动系统需要直流电压供电和直流电压励磁。其中直流电压源由矩阵整流器提供，矩阵整流器由三相交流电压源供电，利用开关函数算法或输入电流空间矢量算法可以连续调节输出电压，同时能够确保输入电流为正弦波形分布。
本发明可控整流调压的他励直流电动机励磁电路能够连续调节直流励磁电压的大小，同时该励磁电路的输入电流为高频PWM波形，再考虑到励磁功率非常小，PWM电流的幅值较低。这样矩阵整流器与本发明的输入电流经过输入LC滤波器后，在网侧就得到了正弦度非常高的电流波形，满足有关谐波电流的限值标准。在他励直流电动机传动系统中，三相交流输入为Ua、Ub和Uc，滤波后三相交流为Ua’、Ub’和Uc’。
权利要求
1.一种可控整流调压的他励直流电动机励磁电路，其特征在于包括由三只整流二极管(D1～D3)、三只逆导型功率开关(S1～S3)和一只续流二极管(D4)组成的三相可控整流桥，以及由滤波电感(L1)、滤波电容(C1)构成的滤波器，三只整流二极管(D1～D3)分别与三只逆导型开关(S1～S3)一一对应串联构成三个桥臂，三只整流二极管(D1～D3)的阴极与各自对应的逆导型开关(S1～S3)的漏极相连形成的三个中点分别外接三相电压；三个桥臂中逆导型开关(S1～S3)作为上管共阴极并与续流二极管(D4)的阴极相连，三个桥臂中整流二极管(D1～D3)作为下管共阳极并与续流二极管(D4)的阳极相连，滤波电感(L1)与滤波电容(C1)相连构成输出滤波器，滤波电感(L1)的另一端与续流二极管(D4)的阴极相连，滤波电容(C1)的另一端与续流二极管(D4)的阳极相连，滤波电容(C1)的两端与励磁线圈的两个端子相连。
2.根据权利要求1的可控整流调压的他励直流电动机励磁电路，其特征在于所述整流二极管(D1～D3)的耐压为1200V；逆导型功率开关(S1～S3)选择逆导型开关，开关频率不低于60kHz，耐压1200V；续流二极管(D4)为反向快速恢复功率二极管，反向恢复时间小于40nS；滤波电感(L1)取值为1mH～25mH；滤波电容(C1)取值为4.7μF～470μF，耐压1000V。
3.根据权利要求1的可控整流调压的他励直流电动机励磁电路，其特征在于所述滤波器为低通滤波器，其中滤波电容(C1)为交流电容。
全文摘要
本发明涉及一种可控整流调压的他励直流电动机励磁电路，包括由三只整流二极管、三只逆导型功率开关和一只续流二极管组成的三相可控整流桥和滤波电路，三相可控整流桥中，三只整流二极管分别与三只逆导型开关一一对应串联构成三个桥臂，三只整流二极管的阴极与各自对应的逆导型开关的漏极相连形成的三个中点分别外接三相电压；三个桥臂中逆导型开关作为上管共阴极并与续流二极管的阴极相连，三个桥臂中整流二极管作为下管共阳极并与续流二极管的阳极相连，滤波电感与滤波电容相连构成输出滤波器。本发明可将输入交流线电压整形、滤波，得到较平直的直流电压输出，供励磁线圈电路，具有结构简单、反应快速可靠、通用性强等优点。
文档编号H02M1/12GK1808884SQ20051011220
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者杨喜军 申请人:上海交通大学