CN105009431B - 用于将交变电流转换为直流电流的方法和相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将交变电流转换为直流电流的方法，所述方法由包括三相桥的转换设备来实现，其中，至少一个臂由串联安装的第一开关和第二开关组成，所述方法包括对转换设备输出的直流电压进行调解的步骤，其特征在于，该方法包括在调节步骤之前的过渡步骤，过渡步骤包括形成用于控制第一开关和第二开关的信号，信号的形成能够限制在将转换设备切换到交变网络上时的涌入电流的幅度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将交变电流转换为直流电流(更普遍地称为AC/DC转换)的方法，以及相关的转换设备。
本发明应用于例如飞行器的负载供电的配电。参与这样的配电的转换器首先将交变网络变换为直流网络。交变网络例如是当飞行器在地面上时由飞行器外部的发电机供电的电压网络。通过使用如此建立的直流网络，例如反相器之类其他的转换器对飞行器的诸如启动器之类的负载进行控制，启动器用于启动位于飞行器的尾锥体中的辅助动力单元。
背景技术
迄今为止，用于生成直流网络的能量转换模式工作在两个连续步骤中，即：
预载步骤，在该步骤期间，AC/DC转换设备通过电阻器的介入被连接到三相交变网络上，以及
调节输出电压的步骤，以便将输出电压升高到期望值。
预载电阻器对在将转换器切换到网络上时交变网络上出现的涌入电流进行限制。在预载过程中不存在调节。作为转换器一部分的半导体保持阻断状态，并且转换器则等效于三相二极管桥。
图1示出了现有技术的AC/DC转换设备的全局架构，并且图2A和图2B为图1中示出的设备的详细示意图。
AC/DC转换设备的全局架构包括预载电阻器块1，AC/DC转换块2，解耦电容器3，负载4(直流电压输出Vdc被施加于负载4的端子处)，控制电路5，分别具有电阻器r1、r2、r3的一组自感线圈L1、L2、L3，用于测量交变输入电压Va、Vb、Vc的设备MV，用于对流过各个自感线圈L1、L2、L3的输入电流IL1、IL2、IL3进行检测的设备MC，以及用于测量直流电压输出Vdc的设备MDC。设备MV、MC和MDC输出的测量值被传输到控制电路5，控制电路5输出的设定CSG被应用于AC/DC转换块2。
图2A示出了预载电阻器块1的详细示意图。块1包括与三个单独的开关K11、K21、K31串联的三个电阻器R1、R2、R3，由串联的电阻器Ri和开关Ki1(i＝1，2，3)构成的整体与开关Ki2并联安装。
图2B示出了AC/DC转换块2的详细示意图。块2包括由并联的三个臂制成的三相桥，每个臂由串联的两个开关制成，每个开关与续流二极管(free-wheeling diode)并联安装。第一臂由开关Z1、Z2和二极管D1、D2形成。第二臂由开关Z3、Z4和二极管D3、D4形成。第三臂由开关Z5、Z6和二极管D5、D6形成。每个开关Zj拥有控制端子Gj(j＝1，2，……，6)。每个臂具有位于串联的两个开关之间的中间点，并且该中间点上施加有不同的交变输入电压。以此方式，电压Va被施加到开关Z1、Z2的中间点上，电压Vb被施加到开关Z3、Z4的中间点上，并且电压Vc被施加到开关Z5、Z6的中间点上。电容器K被安装在获取输出电压Vdc的端子之间。
在预载阶段中，开关Ki1(i＝1、2、3)为导电的，并且开关Ki2处于阻断状态。各自的电流IL1、IL2、IL3则流过预载电阻器R1、R2、R3。电阻器R1、R2和R3使得可能在将AC/DC转换器块切换到交变网络上时限制交变网络上的涌入电流。在整个预载步骤期间，开关Zj处于阻断状态。输出电压Vdc上升到预载终止电压的值，预载终止电压与输入电压的有效值在理论上成正比。当输出电压Vdc达到其理论值时，电阻器Ri(i＝1，2，3)通过闭合开关Ki2(导电状态)而被短路，并且调节步骤被触发。在调节步骤的持久状态中，开关Zj根据设定CSG来控制以获得期望的输出电压。
该工作模式的缺点是涌入电流(inrush current)类型的过渡现象的存在于输出电压的调节的开始。其不利结果是使电力组件承受应力(可靠性和电感饱和度减小)并且阻止保持符合网络质量的标准和要求。
图3和4示出了这些过渡现象的表现。图3示出了转换器的输出端处的电压Vdc，并且图4示出了与这些过渡现象相关联的输入电流ILi(i＝1，2，3)。在图4中表现出，在预载步骤和调节步骤(例如在图3和4中)之间的过渡过程中，交变网络上的涌入电流例如能够达到170A。在并联的N个转换器情况下，输入网络上的涌入电流乘以N。这例如造成能够达到500A的涌入电流(具有并联的三个转换器的情况)。这是一个实际的缺点。
本发明的方法不具有此缺点。
发明内容
事实上，本发明涉及一种用于将交变电流转换为直流电流的方法，所述方法由转换设备实现，所述转换设备包括三相桥，所述三相桥能够将至少一个交变输入电压转换为直流电压，所述三相桥包括至少一个由串联安装的第一开关和第二开关组成的臂，每个开关具有能够控制所述开关的断开和闭合的控制输入端，所述方法包括调节所述直流电压的步骤，其特征在于，所述方法包括在调节步骤之前的过渡步骤，所述过渡步骤包括：使用所述交变输入电压来形成被施加到所述第一开关的控制输入端上的第一信号以及被施加到所述第二开关的控制输入端上的第二信号，其形成方式为：
a)在所述交变输入电压的负交变期间，所述第一信号是脉冲信号，所述脉冲信号的连续脉冲的宽度随时间逐步增大，所述脉冲信号断开和闭合所述第一开关，并且所述第二信号为保持所述第二开关断开的连续信号；以及
b)在所述交变输入电压的正交变期间，所述第一信号为保持所述第一开关断开的连续信号，并且所述第二信号是脉冲信号，所述脉冲信号的连续脉冲的宽度随时间逐步增大，所述脉冲信号断开和闭合所述第二开关。
根据本发明的转换方法的额外特点，使用交变输入电压来形成所述第一信号和所述第二信号包括：
生成连续脉冲，所述连续脉冲的宽度随时间逐步变宽；
使用所述交变输入电压形成用于所述交变输入电压的所述正交变的电平1逻辑信号以及用于所述交变输入电压的所述负交变的电平0；
对所述逻辑信号取反以形成取反逻辑信号；
使用第一逻辑与门(AND)电路形成所述第一信号，所述第一逻辑与门电路在第一输入端处接收所述脉冲并且在第二输入端处接收所述逻辑信号；以及
使用第二逻辑与门电路形成所述第二信号，所述第二逻辑与门电路在第一输入端处接收所述脉冲并且在第二输入端处接收取反逻辑信号。
本发明还涉及一种用于将交变电流转换为直流电流的设备，所述设备包括能够实现本发明的方法的装置。
附图说明
通过对参考附图做出的优选实施例进行阅读，本发明的其他特点和优点应当明显，在附图中：
图1示出了AC/DC转换设备的全局架构；
图2A和2B是图1中所示的设备的详细示意图；
图3和4示出了在预载步骤和电压调节步骤之间的过渡过程中出现在现有技术的AC/DC转换器中的过渡现象；
图5示出了能够实现本发明的方法的AC/DC转换器；
图6为图5中所示的AC/DC转换器的详细示意图；
图7a、7b和7c示出了用于控制本发明的AC/DC转换设备的信号的形成；
图8a和8b示出了本发明的AC/DC转换设备的电路的工作；
图9a、9b和9c示出了在图7a－7c中所示的控制信号的作用下本发明的AC/DC转换设备的工作。
具体实施方式
图5示出了能够实现本发明的转换方法的交变电流到直流电流的转换器。
除了自感线圈L1、L2、L3，相应的电阻器r1、r2、r3，转换块2和电容器3之外，AC/DC转换器包括控制电路6。
本发明的转换方法包括在预载步骤和调节步骤之间的过渡步骤。控制电路6允许实现过渡步骤。一旦预载步骤结束，控制电路6被激活。预载步骤以公知的方式结束，例如通过计时或者一旦直流电压输出达到预定阈值。
一旦控制电路6被激活，控制电路6就输出控制信号Sa、Sb、Sc、这些控制信号分别被施加到开关Z1-Z6的端子G1-G6上。信号Sa和通过使用输入电压Va来形成。同样，信号Sb和通过使用输入电压Vb来形成，并且信号Sc和通过使用输入电压Vc来形成。为了避免使图6复杂化，仅示出了通过使用输入电压Va来生成信号Sa和然而，在本发明的框架内，控制块还根据相同的原理生成信号Sb、和Sc、
图6示出了根据本发明的优选实施例的控制块6。块6包括第一比较器7和控制信号生成块8。
控制信号生成块8包括：
脉冲宽度调制器，由载波信号Vp发生器9、斜波信号VR发生器10和比较器11构成；
逻辑电路12；
反相器电路13；以及
两个逻辑AND(与)电路14和15。
逻辑电路12在其输入端处接收交变电压Va。当电压Va为正(正交变)时，电路12的输出端处的逻辑电平等于1；并且当电压Va为负(负交变)时，电路12的输出端处的逻辑电平等于0。该逻辑电平被施加到AND电路14的第一输入端上，并且在被反相器电路13转换之后被施加到AND电路15的第一输入端上，AND电路14和15中每个接收由比较器11输出的信号，比较器11在第一输入端处接收由发生器9输出的载波信号Vp并且在第二输入端上接收由发生器10输出的斜波信号VR。
图7a－7c示出了控制信号Sa、的形成，该形成由块8使用输入信号Va来操作。
图7a示出了交变输入电压Va。图7b以相同标记示出了载波信号Vp和斜波信号VR。载波信号Vp例如为锯齿电压，该锯齿电压以例如等于15kHz的频率在+1和－1之间变化。载波信号Vp的符号电平+1和－1在实际中能够对应于相应的电压电平+5V和－5V。电压斜波信号VR是初始幅度具有等于+1的符号值的递减信号。在实际中，斜波信号的初始幅度对应于锯齿信号的最大幅度，也就是说，例如为+5V。图7c以相同标记示出了由块8输出的控制信号Sa和
在图7c中表现出：
在电压Va的正交变过程中，一旦载波的幅度超过斜波电压的值，那么信号由一连串的信号Sa为零时的矩形脉冲形成，矩形脉冲的宽度逐步变宽，以及
在电压Va的负交变过程中，一旦载波的幅度超过斜波电压的值，那么信号Sa由一连串的信号为零时的矩形脉冲形成，矩形脉冲的宽度逐步变宽。
以下真值表概括了包括开关Z1、Z2的臂的控制逻辑：
图8a和8b参考电路示出了上述真值表。
图9a－9c示出了本发明的AC/DC转换设备在全部工作步骤上的工作，也就是预载步骤(I)、过渡步骤(II)和调节步骤(III)。
图9a示出了AC/DC转换器的输出电压Vdc。图9b示出了电流IL1，电流IL1在转换器的输入端处流过线圈L1，并且图9c示出了斜波信号VR。出于通用的原因，流过各自的线圈L2和L3的电流IL2和IL3并未在图9a－9c中示出，这些电流的变化类似于电流IL1的变化。
涌入电流IL1在AC/DC转换器开关在预载步骤(I)和过渡步骤(II)之间切换的时刻为零。在过渡步骤的开始，矩形脉冲的宽度很小并且涌入电流因此幅度很小。在过渡步骤的其余时间，脉冲的宽度随时间增大并且涌入电流幅度增大。同样，在转换器的输出端处测量的电压Vdc增大(参考图9a)。在过渡步骤期间，比较器7将在转换器的输出端处测量的电压Vdc与预定阈值Vf进行比较，预定阈值Vf例如等于期望的调节直流电压的90％。一旦电压Vdc达到值Vf，比较器7就输出比较信号，比较信号中断过渡步骤并且触发调节步骤。
过渡步骤的时长ΔT有利地是可调节的。时长ΔT的可调节性质的一个优点是能够在使电压Vdc增大的时长变化。在图9a－9c中，该时长例如显然等于80ms。
有利地，涌入电流ILi(i＝1，2，3)的幅度在整个过渡步骤中以及在调节步骤开始时保持较低。借助于如图9b中所示的非限定性示例，在过渡步骤的开始和调节步骤的开始之间，电流IL1的值从大体上0A变化到大体上40A。
Claims (6)
1.一种用于将交变电流转换为直流电流的方法，所述方法由转换设备实现，所述转换设备包括三相桥，所述三相桥能够将至少一个交变输入电压(Va、Vb、Vc)转换为直流电压(Vdc)，所述三相桥包括至少一个由串联安装的第一开关(Z1)和第二开关(Z2)组成的臂，每个开关具有能够控制所述开关的断开和闭合的控制输入端，所述方法包括调节所述直流电压的调节步骤，并且所述方法包括在所述调节步骤之前的过渡步骤，所述过渡步骤包括：使用所述交变输入电压(Va、Vb、Vc)来形成被施加到所述第一开关的控制输入端上的第一信号以及被施加到所述第二开关的控制输入端上的第二信号，其形成方式为：
a)在所述交变输入电压的负交变期间，所述第一信号是脉冲信号，所述脉冲信号的连续脉冲的宽度随时间逐步增大，所述脉冲信号断开和闭合所述第一开关(Z1)，并且所述第二信号为保持所述第二开关(Z2)断开的连续信号；以及
b)在所述交变输入电压的正交变期间，所述第一信号为保持所述第一开关(Z1)断开的连续信号，并且所述第二信号是脉冲信号，所述脉冲信号的连续脉冲的宽度随时间逐步增大，所述脉冲信号断开和闭合所述第二开关(Z2)；
其特征在于，使用所述交变输入电压(Va、Vb、Vc)形成所述第一信号和所述第二信号包括：
生成连续脉冲，所述连续脉冲的宽度随时间逐步变宽；
使用所述交变输入电压形成用于所述交变输入电压的所述正交变的电平1逻辑信号以及用于所述交变输入电压的所述负交变的电平0；
对所述逻辑信号取反以形成取反逻辑信号；
使用第一逻辑与门电路(14)形成所述第一信号，所述第一逻辑与门电路在第一输入端处接收所述脉冲并且在第二输入端处接收所述逻辑信号；以及
使用第二逻辑与门电路(15)形成所述第二信号，所述第二逻辑与门电路在第一输入端处接收所述脉冲并且在第二输入端处接收取反逻辑信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，一旦所述直流电压(Vdc)达到预定阈值(Vf)，则所述过渡步骤被中断并且所述调节步骤开始。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预定阈值(Vf)为所调节的直流电压值的90％。
4.一种用于将交变电流转换为直流电流的设备，包括能够将至少一个交变输入电压(Va、Vb、Vc)转换为直流电压(Vdc)的三相桥，所述三相桥包括至少一个由串联安装的第一开关(Z1)和第二开关(Z2)组成的臂，每个开关具有能够控制所述开关的断开或闭合的控制输入端，所述设备包括控制电路(6)，所述控制电路包括能够使用所述交变输入电压(Va、Vb、Vc)来输出被施加到所述第一开关的控制输入端上的第一信号以及被施加到所述第二开关的控制输入端上的第二信号的装置(9、10、11、12、13、14、15)，所述输出的方式为：
a)在所述交变输入电压的负交变期间，所述第一信号是脉冲信号，所述脉冲信号的连续脉冲的宽度随时间逐步增大，所述脉冲信号断开和闭合所述第一开关(Z1)，并且所述第二信号为保持所述第二开关(Z2)断开的连续信号；以及
b)在所述交变输入电压的正交变期间，所述第一信号为保持所述第一开关(Z1)断开的连续信号，并且所述第二信号是脉冲信号，所述脉冲信号的连续脉冲的宽度随时间逐步增大，所述脉冲信号断开和闭合所述第二开关(Z2)；
其特征在于，所述能够使用所述交变输入电压来输出第一信号和第二信号的装置(9、10、11、12、13、14、15)包括：
脉冲发生器(9、10、11)，具有输出连续脉冲的输出端，所述连续脉冲的宽度随时间逐步变宽；
逻辑电路(12)，具有输入端和输出端，所述逻辑电路在其输入端处接收所述交变输入电压，并且在其输出端处输出用于所述交变输入电压的所述正交变的电平1逻辑信号和用于所述交变输入电压的所述负交变的电平0信号；
反相器(13)，对所述逻辑电路(12)输出的所述逻辑信号取反；
第一与门逻辑电路(14)，在第一输出端处接收由所述脉冲发生器(9、10、11)输出的信号并且在第二输入端处接收由所述逻辑电路(12)输出的信号，所述第一逻辑与门电路的输出端被连接到所述第二开关的控制输入端上；以及
第二与门逻辑电路(15)，在第一输出端处接收由所述脉冲发生器(9、10、11)输出的信号并且在第二输入端处接收由所述反相器(13)输出的信号，所述第二逻辑与门电路的输出端被连接到所述第一开关的控制输入端上。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述脉冲发生器(9、10、11)为脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器包括锯齿信号发生器(9)、斜波发生器(10)和比较器(11)。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中，比较电路(7)将所述直流电压(Vdc)的测量值与预定阈值(Vf)相比较，并且输出控制信号，一旦所述直流电压的所述测量值达到所述预定阈值，那么所述控制信号中断所述能够使用所述交变输入电压来输出所述第一信号和所述第二信号的装置(9、10、11、12、13、14、15)的工作。
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