专利名称：混合式电力滤波器的电能转换器的制作方法
技术领域：
本发明有关于混合式电力滤波器的电能转换器，其特别有关应用于滤除单相、三相三线式、三相四线式电源系统谐波电流的混合式电力滤波器的电能转换器。
背景技术：
近年来由于半导体技术突飞猛进，因而发展出许多电力电子组件，这些电力电子组件具有良好的可控性，耐高压及耐大电流的特性。目前这些组件广泛的应用在电力设备中，如马达驱动器、电弧炉、电车、充电器及照明器具等。由于这些电力设备的非线性输入特性，因此产生大量谐波电流，该谐波电流导致一些严重的电源系统问题，如变压器过热现象、旋转电机的扰动、电压失真、破坏电力组件及机器故障等。
为了有效限制谐波污染问题，许多国际研究机构制定谐波管制标准，如IEEE519-1992、IECI000-3-5及IEC1000-3-4等。至于台湾的台电公司亦制定“电力系统谐波管制暂行标准”，所以解决谐波问题已成为目前电源系统的重要课题。
传统上解决谐波问题的方法采用被动式电力滤波器，该被动式电力滤波器由电感器及交流电容器组成，然而被动式电力滤波器会造成谐振问题，且会引起邻近谐波电流注入问题，而造成被动式电力滤波器的破坏。另外，其滤波特性易受系统电抗影响，而难以获得良好的滤波效果其它解决谐波问题的方法如美国专利US55,977,660及US5,321,598等采用主动式电力滤波器，请参照图1所示，其揭示现有主动式电力滤波器的电路示意图。该电源1供应三相电力给负载3，该主动式电力滤波器8与该负载3并联，该主动式电力滤波器8包含至少一滤波电感80、一桥式电能转换器81及一直流电容器82。该主动式电力滤波器8将产生一补偿电流注入电力馈线，以滤除负载3所产生的谐波电流。虽然该主动式电力滤波器具有良好的滤波特性，然而，该主动式电力滤波器8的电能转换器81容量必须不小于负载谐波电流与电源电压的乘积，因此该主动式电力滤波器8的电能转换器81的容量很大，因价格昂贵而限制其实用性。
为了解决被动式电力滤波器谐振及邻近谐波电流注入所造成过载问题，及主动式电力滤波器的电能转换器容量大所造成的价格昂贵问题，而有混合式电力滤波器被发展出来，如美国专利US5,567,994及US5,731,965等，请参照图2所示，其揭示该混合式电力滤波器9由一被动式电力滤波器90结合一电能转换器91而成。该被动式电力滤波器90用以降低该电能转换器91的容量，而该电能转换器91则用以改善被动式电力滤波器90的滤波效果，并避免谐振及邻近谐波电流注入等问题，因此，该混合式电力滤波器可应用于与较大电力容量的非线性负载并联以作为谐波滤除。
有鉴于混合式电力滤波具有被动式电力滤波器及主动式电力滤波器的优点，在专利US5,567,994及US5,731,965等混合式电力滤波器应用在三相三线式电源系统时，该电能转换器均采用三相桥式架构，该三相桥式架构使用三臂架构，每一臂含有两个电力电子开关组件，总共使用到六个电力电子开关组件，而本发明将提出一种适用于混合式电力滤波器的新型电能转换器，其无论应用在单相、三相三线式及三相四线式电源系统均能较传统架构减少一臂亦即减少两个电力电子开关组件，并有别于传统利用两个相同大小的直流电容器串联以取代一臂电力电子开关组的半桥式架构，而直接将电源系统其中的一电力馈线未经该电力电子开关组的控制而直接连接到该电能转换器的直流侧的一端，因此可降低整体混合式电力滤波器的成本。
发明内容
本发明主要目的提供一种混合式滤波器的电能转换器，该电能转换器可使电源系统其中的一电力馈线可未经电力电子开关控制而直接连接到该电能转换器的直流侧的正端或负端，其应用在单相电源系统只须单臂架构的电力电子开关组(两个电力电子开关组件)，应用在三相三线式电源系统只需要二臂架构的电力电子开关组(四个电力电子开关组件)，应用在三相四线式电源系统只需要三臂架构的电力电子开关组(六个电力电子开关元件)，使该电能转换器具有减少电力电子开关组件数目的功效。
图1为现有主动式电力滤波器的电路示意图。
图2为现有混合式电力滤波器的电路示意图。
图3为本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相三线式电源系统的第一较佳实施例。
图4为本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相三线式电源系统的第二较佳实施例。
图5为本发明混合式电力滤波器的电能转换器应用于单相电源系统的第一较佳实施例。
图6为本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于单相电源系统的第二较佳实施例。
图7为本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相四线式电源系统的第一较佳实施例。
图8为本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相四线式电源系统的第二较佳实施例。
图号说明1电源 2混合式电力滤波器 20被动式电力滤波器21电能转换器210电力电子开关组 211直流电容器
3负载 4混合式电力滤波器 40被动式电力滤波器41电能转换器 410电力电子开关组 411直流电容器51电能转换器 5混合式电力滤波器 50被动式电力滤波器511直流电容器 510电力电子开关组 8主动式电力滤波器80滤波电感81电能转换器 82直流电容器91电能转换器 9混合式电力滤波器 90被动式电力滤波器具体实施方式
请参考图3所示，其揭示本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相三线式电源系统的第一较佳实施例，该电源1供应一三相三线式的电力给负载3，该混合式电力滤波器2与该负载3并联，用以滤除该负载3所产生的谐波电流。
请再参考图3所示，本发明应用于三相三线式电源系统的混合式电力滤波器2，该混合式电力滤波器2由一被动式电力滤波器20及一电能转换器21串联连接而成，该被动式电力滤波器20由一组或多组三相单调谐式滤波器组成，该单调谐滤波器由电感器及交流电容器串联组成，其可选择调谐在负载主要谐波频率，该被动式滤波器20用以减少该电能转换器21的电力容量。该电能转换器包含一电力电子开关组210及一直流电容器211，该电能转换器21用以提升该被动式电力滤波器20的滤波效果，并保护该被动式电力滤波器20免于谐振及邻近谐波电流注入的破坏；该电力电子开关组210由一双臂桥式架构组成，该双臂桥式架构中每一臂包含两个电力电子开关，每一个电力电子开关由一功率晶体与一二极管组成，该双臂桥式架构包含两直流端点及两交流端点，每一臂桥式架构中两个电力电子开关连接处为交流端点，该桥式架构另外两端为直流端点，直流电容器211连接到直流端点作为能量缓冲器，并建立一直流电压供给该电能转换器21正常操作。由于该被动式电力滤波器20在每一相均包含一交流电容器，而交流电容器可有效阻隔直流电压，所以该电能转换器21应用于三相三线式电源系统时仅需使用两臂桥式架构的电力电子开关组210；该三相三线式电源系统中电源1包含三条电力馈线，该三条电力馈线中的任两条电力馈线分别经该被动式电力滤波器20后，再分别连接到该电能转换器21的两臂桥式架构电力电子开关组210的该两交流端点，而电源1的另一条电力馈线则经被动式电力滤波器20后直接连接到该电能转换器21的直流电容器211的负端，由两臂桥式架构电力电子开关组210的切换可控制该两相的补偿电流，由于三相三线系统中三相电流和为零，因此若连接到两臂桥式架构的电力电子开关组210的两相电流能控制得到正确的补偿电流量，则该混合式电力滤波器的第三相亦能得到正确的补偿电流，该三相补偿电流注入三相电力馈线后可使得该电源1所提供的三相电流均趋于正弦波。
请参考图4所示，其揭示本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相三线式电源系统的第二较佳实施例，由于该被动式电力滤波器20的电容器可阻隔正值的直流电压，亦可阻隔负值的直流电压，该三相三线系统的第二较佳实施例与第一较佳实施例的差别仅在于将三相三线式电源系统电源1其中的一电力馈线经由该被动式电力滤波器20后直接连接到该电能转换器21的直流电容器211的负端改为经由该被动式电力滤波器20后直接连接到该电能转换器21的直流电容器211的正端，其动作原理与三相三线系统的第一较佳实施例完全相同。因此本发明所提应用于混合式电力滤波器的电能转换器在应用于三相三线式电源系统时能按传统应用于混合式电力滤波器的电能转换器节省一臂(两个)电力电子开关。
请参考图5所示，其揭示本发明混合式电力滤波器的电能转换器应用于单相电源系统的第一较佳实施例，该电源1供应一单相电力给负载3，该混合式电力滤波器4与该负载3并联，用以滤除该负载3所产生的谐波电流。
请再参考图5所示应用于单相电源系统的混合式电力滤波器4，该混合式电力滤波器4由一被动式电力滤波器40及一电能转换器41串联连接而成，该被动式电力滤波器40由一组或多组单相单调谐式滤波器组成，该单调谐滤波器由电感器及交流电容器串联组成，其可选择调谐在负载主要谐波频率，该被动式滤波器40用以减少该电能转换器41的电力容量。该电能转换器41包含一电力电子开关组410及一直流电容器411组成；该电能转换器41用以提升该被动式电力滤波器40的滤波效果，并保护该被动式电力滤波器40免于谐振及邻近谐波电流注入的破坏；该电力电子开关组410由一单臂桥式架构组成，该单臂桥式架构电力电子开关组410包含两个电力电子开关串联连接而成，每一个电力电子开关由一功率晶体与一二极体组成，该单臂桥式架构包含两直流端点及一交流端点，该单臂桥式架构中两个电力电子开关连接处为交流端点，该单臂桥式架构另外两端为直流端点，该直流电容器411连接到该两直流端点作为能量缓冲器，并建立一直流电压供给该电能转换器41正常操作。由于该被动式电力滤波器40包含一交流电容器，而交流电容器可有效阻隔直流电压，所以该电能转换器41应用于单相电源系统时仅需使用单臂桥式架构的电力电子开关组410；单相电源系统中电源1包含两电力馈线，该两电力馈线中的任一电力馈线经该单相被动式电力滤波器40后，再连接到该电能转换器41的单臂桥式架构电力电子开关组410的交流接点，而该电源1的另一电力馈线则直接连接到该电能转换器41的直流电容器411的负端，由该单臂桥式架子考电力电子开关组410的切换可控制该单相的补偿电流，该补偿电流注入单相电力馈线后可使得该电源1所提供的单相电流趋于正弦波。
请参考图6所示，其揭示本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于单相电源系统的第二较佳实施例，由于该被动式电力滤波器40的交流电容器可阻隔正值的直流电压，亦可阻隔负值的直流电压，该单相系统的第二较佳实施例与该单相系统的第一较佳实施例的差别仅在于将单相电源系统中电源1其中的一电力馈线由直接接到该电能转换器41的直流电容器411的负踹改为直接接到该电能转换器41的直流电容器411的正端，其动作原理与单相系统的第一较佳实施例完全相同。因此本发明所提供用于混合式电力滤波器的电能转换器在应用于单相电源系统时，能较传统应用于混合式电力滤波器的电能转换器节省一臂(两个)的电力电子开关。
请参考图7所示，其揭示本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相四线式电源系统的第一较佳实施例，该电源1供应一三相四线式电力供给负载3，该三相四线式电源系统包含R、S、T三相电力馈线及一中性电力馈线N，该混合式电力滤波器5与该负载3并联，用以滤除该负载3所产生的谐波电流。
请再参考图7所示，应用于三相四线式电源系统的混合式电力滤波器5，该混合式电力滤波器5由一被动式电力滤波器50及一电能转换器51串联连接而成，该被动式电力滤波器50由一组或多组三相单调谐式滤波器组成，该单调谐滤波器由电感器及交流电容器串联组成，其可选择调谐在负载主要谐波频率，该被动式滤波器50用以减少该电能转换器51的电力容量。该电能转换器51包含一电力电子开关组510及一直流电容器511，该电能转换器51用以提升该被动式电力滤波器50的滤波效果，并保护该被动式电力滤波器50免于谐振及邻近谐波电流注入的破坏；该电力电子开关组510由一三臂的桥式架构组成，该三臂桥式架构中每一臂包含两个电力电子开关，每一个电力电子开关由一功率晶体与一二极管组成，该三臂桥式架构电力电子开关组510包含两直流端点及三个交流端点，每一臂桥式架构中两个电力电子开关连接处为交流端点，该桥式架构另外两端为直流端点，该直流电容器511连接到直流端点作为能量缓冲器，并建立一直流电压供给该电能转换器51正常操作。由于该被动式电力滤波器50在每一相均包含一交流电容器，而交流电容器可有效阻隔直流电压，所以该电能转换器51应用于三相四线式电源系统时，仅需使用三臂桥式架构的电力电子开关组510；三相四线式电源系统中电源1包含四条电力馈线包含R、S、T三相电力馈线及一中性电力馈线N，该R、S、T三相电力馈线分别经三相被动式电力滤波器50后，再分别连接到三臂桥式架构电力电子开关组510的该三交流端点，而电源1的中性电力馈线N则直接连接到该电能转换器的直流电容器511的负端，由三臂桥式架构电力电子开关组510的切换可控制核三相的补偿电流，由于三相四线系统中三相电流和为中性线电流，因此若该连接到三臂桥式架构的电力电子开关组510的三相电流能控制得到正确的补偿电流量，则说混合式电力滤波器的中性线N电流亦能得到正确的电流，该三相补偿电流注入三相四线电源系统后可使得该电源1所提供的三相电流均趋于正弦波。
请参考图8所示，其揭示本发明的混合式电力滤波器的电能转换器应用于三相四线式电源系统的一第二较佳实施例，由于该被动式电力滤波器50的交流电容器可阻隔正值的直流电压，亦可阻隔负值的直流电压，说三相四线系统的第二较佳实施例与第一较佳实施例的差别，仅在于将三相四线式电源系统中电源1的中性电力馈线直接连接到该电能转换器51的直流电容器511的负端改为直接连接到该电能转换器51的直流电容器511的正端，其动作原理与三相四线系统的第一较佳实施例完全相同。因此本发明所提供用于混合式电力滤波器的电能转换器在应用于三相四线式电源系统时，能较传统应用于混合式电力滤波器的电能转换器节省一臂〔两个〕的电力电子开关。
虽然本发明已以较佳实施例褐示，然其并非用以限定本发明，任何熟当此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种混合式电力滤波器，其与一电源系统并联连接，该混合式电力滤波器由一被动式电力滤波器与一电能转换器串联组成；其中该电能转换器包含一电力电子开关组，其为桥式架构，该桥式架构视应用的电源系统由一到三臂组成；一直流电容器，做为能量缓冲器，并用以提供一稳定直流电压，供应该桥式架构电力电子开关组的直流电压；该电源系统其中之一电力馈线路可不经该电力电子开关组而直接连接到该直流电容器的一端，因此可节省桥式架构的电力电子开关组中一臂的电力电子开关；由该电力电子开关组切换该直流电容所提供的直流电压以使该混合式电力滤波器产生一补偿电流注入电力馈线以抵销负载谐波电流，使电源电流趋于正弦波。
2.如权利要求1所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该电能转换的电力电子开关组中每一臂由两个电力电子开关组件串接而成，该两个电力电子开关组件串联处为交流端点。
3.如权利要求1所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该混合式电力滤波器应用于三相三一线式电源系统时，该电能转换器使用两臂的桥式架构。
4.如权利要求3所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该三相三线式电源系统的任两相电力馈线分别经该被动式电力滤波器后，再分别接到该两臂桥式架构的电力电子开关组的交流端点，另一相电力馈线经该被动式电力滤波器后直接接到该直流电容器的负端。
5.如权利要求3所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该三相三线式电源系统的任两相电力馈线分别经该被动式电力滤波器后再分别接到两臂的桥式架构的电力电子开关组的交流端点，另一相电力馈线经该被动式电力滤波器后直接连接到该直流电容器的正端。
6.如权利要求1所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该混合式电力滤波器应用于单相电源系统时，该电能转换器使用单臂桥式架构。
7.如权利要求6所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该单相电源系统其中的任一电力馈线经该被动式电力滤波器后，接到该单臂桥式架构的电力电子开关组的交流端点，另一电力馈线直接连接到该直流电容器的负端。
8.如权利要求6所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该单相电源系统其中的任一电力馈线经该被动式电力滤波器后，接到该单臂桥式架构电力电子开关组的交流端点，另一电力馈线直接连接到该直流电容器的正端。
9.如权利要求1所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该混合式电力滤波器应用于三相四线式电源系统时，该三相四线式电源系统包含三相电力馈线一及一中性电力馈线，该电能转换器使用三臂的桥式架构。
10.如权利要求9所述的混合式电力滤波器，其特征在于，该三相四线式电源系统的该三相电力馈线分别经该被动式电力滤波器后，再分别接到三臂的桥式架构的电力电子开关组的交流端点，而该中性电力馈线直接连接到该直流电容器的负端。
11.如权利要求9所述的混合式式电力滤波器，其特征在于，该三相四线式电源系统的该三相电力馈线分别经该被动式电力滤波器后，再分别接到该三臂桥式架构的电力电子开关组的交流端点，而该中性电力馈线直接连接到该直流电容器的正端。
全文摘要
本发明有关于一种混合式电力滤波器的电能转换器，该电能转换器包含一桥式架构的电力电子开关组及一直流电容器，其主要使电源系统其中的一电力馈线可未经该电力电子开关组的控制而直接连接到该电能转换器的直流侧的一端，使该电能转换器具有使用较少电力电子开关组件数目的功效。
文档编号H02M1/12GK1677811SQ200410030980
公开日2005年10月5日 申请日期2004年4月1日 优先权日2004年4月1日
发明者周宏亮, 吴晋昌, 徐文彬, 张耀仁 申请人:盈正豫顺电子股份有限公司