一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統的製作方法
2023-09-23 12:45:05
一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：由交流電源，N個全波斬控整流電路以及一個或多個直流負載構成；交流電源為全波斬控整流電路提供N個相互隔離的單相電源，全波斬控整流電路的直流側依次串聯連接，然後接到直流母線上，為一個或多個直流負載供電；全波斬控整流電路的交流側電流畸變很小，其直流側輸出電壓穩定，且能夠在0到最大值之間任意可調；因此，可以用普通的工頻變壓器代替整流變壓器，且不需要交流側的無功補償和濾波設備，當直流側發生短路故障時，可以迅速切斷故障電流。
【專利說明】一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種直流供電系統，更具體的說，涉及一種基於全波斬控整流電路的 直流供電系統。
【背景技術】
[0002] 電力電子設備是一種典型的非線性設備，在運行過程中產生大量的諧波，對供電 系統造成了很大的諧波汙染，增加了系統損耗，並且會對臨近的電氣設備造成影響，使濾波 電容過流。
[0003] 目前，中大功率的UPS，變頻器，大型數據中心等都採用二極體整流，經過大電容濾 波後，提供一個穩定的直流電源，其交流側電流畸變非常大，需要使用整流變壓器，交流側 需要增加無功補償和濾波設備，這增大了設備投資，運行和維護成本。並且當直流側發生極 間短路故障時，由於二極體整流的作用，交流側會源源不斷的給直流側饋入故障電流，從而 導致直流側故障電流非常大。此外，由於直流電流沒有過零點，因此很不容易切斷故障線 路，一般需要交流斷路器進行故障清除，從而對同一直流母線的其它直流負載造成影響。
[0004] 在船舶供電系統中，常常需要直流供電，也需要三相交流供電，如果採用三相全橋 二極體整流電路來提供直流電源，會造成交流側諧波非常大，對增加發電機的鐵損和銅損。 有文獻採用12相發電機，內部嵌入二極體不控整流來獲得24脈波整流電源，這雖然解決了 交流側的諧波問題，但是當直流側發生故障時，故障電流很大，且不容易切斷的問題仍然存 在，且會對發電機的穩定運行造成重大影響。此外，12相發電機結構複雜，增加了設備的設 計與製造難度。
【發明內容】
[0005] 基於現有技術的不足，本發明提供了一種基於全波斬控整流電路的直流供電系 統，其中全波斬控整流電路的交流側電流畸變很小，功率因數很高，其直流側輸出是一個穩 定的直流電壓，且在〇到最大值之間任意可調。
[0006] 本發明採用以下方法來實現本發明的目的。
[0007] -種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：由交流電源，N個全波 斬控整流電路以及一個或多個直流負載構成。
[0008] 其中交流電源由N個單相交流電源組成，N個單相交流電源之間相互隔離；每個單 相交流電源為一個全波斬控整流電路供電，接入全波斬控整流電路的交流側。
[0009] N個全波斬控整流電路的直流側依次串聯連接，全波斬控整流器1的正極輸出與 全波斬控整流器N的負極輸出分別連接到直流母線的正極和負極。
[0010] 直流負載的直流側輸入的正極和負極分別連接到直流母線的正極和負極。
[0011] 全波斬控整流電路包含單相全橋二極體整流電路，濾波電容，補償電路，多重斬波 電路。
[0012] 單相全橋二極體整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極體整 流電路的直流側接濾波電容（C)，多重斬波電路的輸入接濾波電容（C)的兩端，多重斬波電 路的輸出作為全波斬控整流電路的輸出；其中補償電路的作用為補償電容的充放電電流。
[0013] 其中多重斬波電路由多個單重降壓斬波電路構成，其中單重降壓斬波電路由IGBT (T)，二極體（D)和電感（L)構成，IGBT的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發射極， 二極體（D)的陰極和電感（L)的一端相連，二極體（D)的陽極作為斬波電路的輸入的負極和 輸出的負極，電感（L)的另一端作為斬波電路輸出的正極。
[0014] 多個單重斬波電路的正極輸入相連作為多重斬波電路的正極輸入，多個單重斬波 電路的負極輸入相連作為多重斬波電路的負極輸入，多個單重斬波電路的正極輸出相連作 為多重斬波電路的正極輸出，多個單重斬波電路的負極輸出相連作為多重斬波電路的負極 輸出。
[0015] 交流電源由三相交流電源和變壓器組成，其中變壓器的一次側接三相交流電源， 二次側有N個線圈，且N個線圈相互隔離，每個線圈接全波斬控整流電路的交流側輸入。
[0016] 所述的交流電源為交流發電機，該發電機有N個繞組，繞組之間相互隔離，每個繞 組接一個全波斬控整流電路的交流側輸入。
[0017] 如權利要求1所述的一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於： 所述的多重斬波電路中的IGBT的佔空比為：
[0018] ? = 2- (1)。 h
[0019] 其中D為所述的直流斬波電路中IGBT的佔空比，Vdc為所述的二極體整流電路直 流側電壓瞬時值，L為直流斬波電路輸出側電流，G為等效電導；通過控制等效電導（G)的 大小，便可以控制整流電路輸出電壓的大小。
[0020] 其中濾波電容（C)和斬波電路可以等效為一個電導為G的電導，連接在二極體整 流電路的直流側，從而使二極體整流電路的交流側電流為正弦波。
[0021] 全波斬控整流電路的輸出電壓為：
[0022] ?% =丄『〇 =心 i V = ( 2 )。 Γ:扣 1 L
[0023] 設二極體整流電路交流側電壓的數學表達式為：
[0024] (3)。
[0025] 則二極體整流電路直流側電壓表達式為：
[0026] = (4)〇
[0027] 將式（4)帶入式（2)可以得到全波斬控整流電路的輸出電壓為：
[0028] I-% [1.... COSdef)】（5 )。 2la
[0029] 由式（5)可以看到，全波斬控整流電路的輸出電壓中含有直流分量和倍頻分量；
[0030] 所述的變壓器的二次側由一組或多組三相交流電源構成，假設其中一組三相交流 電源的電壓為： rr2 = f； sim； at)
[0031] px; Sill(戰-ILt / 3) (6)。 = Ι.?&?ιι{-<ar + 2d)
[0032] 根據式（5)可以得到則每個全波斬控整流電路的輸出電壓為： -cos(2m)] ! 21, r Λ I ..-I F: xG .
[0033] {^ -{1-cos(2<sf + 2.T··'3)] (7)〇 'i 八 ? V- f~j j rfc-二^fl - cos(2?r - 2,7 / 3)] I -4
[0034] 由於全波斬控整流電路的直流側串聯連接，則其直流側輸出電壓為：
[0035] V€,Jr = FS::^F^ + FS￡ (8)〇
[0036] 將式（7)代入式（8)可以得到：
[0037] F,(9)。 -:2/,
[0038] 由式（9)可以看出，三相全波斬控整流電路的直流側輸出電壓是一個穩定的直流 電壓，單個全波斬控整流電路的直流側串聯後，其輸出電壓中的倍頻波動分量相互抵消了， 而三相交流電源輸入的電流為正弦波，可以通過改變等效電導（G)的大小來改變三相半控 整流電路的輸出電壓。
[0039] 所述的補償電路由主Η橋子模塊（SM)，一個或多個輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)和 電感（U)構成，其中主Η橋子模塊（SM)的直流側接權利要求1所述的全波斬控整流電路中 的二極體整流電路直流側濾波電容（C)，輔助Η橋子模塊的交流側，電感（LJ和主Η橋子模 塊（SM)的交流側依次串聯連接，形成一個迴路；輔助Η橋子模塊（SM^SM n)的直流側接電容 (q')，用於穩定輔助Η橋子模塊的直流側電壓。
[0040] 主Η橋子模塊（SM)的控制方法為：二極體整流電路交流側電壓（Va。）為正時，主 Η橋子模塊的交流側輸出正電壓（?\和T4導通)，二極體整流電路交流側電壓（Va。）為負時， 主Η橋子模塊的交流側輸出負電壓（T 2和T3導通)，此時，主Η橋子模塊的交流側輸出電壓 與二極體整流電路交流側電壓（V a。）的瞬時值相等；主Η橋子模塊（SM)，輔助Η橋子模塊 (SM廣SMn)和電感構成一個單相STATC0M系統。
[0041] 通過控制輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)的交流側輸出電壓可以控制該單相STATC0M 系統輸出的無功功率，通過調整該無功功率的大小，可以使單相STATC0M系統的感性無功 與二極體直流側濾波電容（C)的容性無功相互抵消，從而補償濾波電容（C)的容性無功對 全波斬控整流電路交流側波形的影響。
[0042] 採用本發明所提供的解決方案可以實現如下益處。
[0043] 全波斬控整流電路的交流側電流畸變率很小，且功率因數很高，不需要增加無功 補償和濾波設備。
[0044] 採用普通的工頻變壓器代替整流變壓器，節約了設備投資和運行成本。
[0045] 全波斬控整流電路的直流側電壓恆定，並且可以在0到最大值之間任意可調，當 直流側發生故障時，直流電壓自動降低，限制了故障電流的增長，並且可以快速切斷直流電 流，從而可以快速切除故障線路，在短時間內恢復對非故障直流線路供電。
[0046] 全波斬控整流電路的可擴展性強，可以擴展到高壓大電流的應用場合。
[0047] 採用中低壓IGBT，其成本低，損耗小。
[0048] 多重斬波電路和全波斬控整流電路採用模塊化設計，易於維護。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0049] 圖1是基於全波斬控整流電路的直流供電系統。
[0050] 圖2是全波斬控整流電路的結構圖。
[0051] 圖3是補償電路的結構圖。
【具體實施方式】
[0052] -種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：由交流電源，N個全波 斬控整流電路以及一個或多個直流負載構成。
[0053] 其中交流電源由N個單相交流電源組成，N個單相交流電源之間相互隔離；每個單 相交流電源為一個全波斬控整流電路供電，接入全波斬控整流電路的交流側。
[0054] N個全波斬控整流電路的直流側依次串聯連接，全波斬控整流器1的正極輸出與 全波斬控整流器N的負極輸出分別連接到直流母線的正極和負極。
[0055] 直流負載的直流側輸入的正極和負極分別連接到直流母線的正極和負極。
[0056] 全波斬控整流電路包含單相全橋二極體整流電路，濾波電容，補償電路，多重斬波 電路。
[0057] 單相全橋二極體整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極體整 流電路的直流側接濾波電容（C)，多重斬波電路的輸入接濾波電容（C)的兩端，多重斬波電 路的輸出作為全波斬控整流電路的輸出；其中補償電路的作用為補償電容的充放電電流。
[0058] 其中多重斬波電路由多個單重降壓斬波電路構成，其中單重降壓斬波電路由IGBT (T)，二極體（D)和電感（L)構成，IGBT的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發射極， 二極體（D)的陰極和電感（L)的一端相連，二極體（D)的陽極作為斬波電路的輸入的負極和 輸出的負極，電感（L)的另一端作為斬波電路輸出的正極。
[0059] 多個單重斬波電路的正極輸入相連作為多重斬波電路的正極輸入，多個單重斬波 電路的負極輸入相連作為多重斬波電路的負極輸入，多個單重斬波電路的正極輸出相連作 為多重斬波電路的正極輸出，多個單重斬波電路的負極輸出相連作為多重斬波電路的負極 輸出。
[0060] 交流電源由三相交流電源和變壓器組成，其中變壓器的一次側接三相交流電源， 二次側有N個線圈，且N個線圈相互隔離，每個線圈接全波斬控整流電路的交流側輸入。
[0061] 所述的交流電源為交流發電機，該發電機有N個繞組，繞組之間相互隔離，每個繞 組接一個全波斬控整流電路的交流側輸入。
[0062] 如權利要求1所述的一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於： 所述的多重斬波電路中的IGBT的佔空比為： |/ K Q
[0063] D .= --2-^ (1)。 Λ
[0064] 其中D為所述的直流斬波電路中IGBT的佔空比，Vdc為所述的二極體整流電路直 流側電壓瞬時值，L為直流斬波電路輸出側電流，G為等效電導；通過控制等效電導（G)的 大小，便可以控制整流電路輸出電壓的大小。
[0065] 其中濾波電容（C)和斬波電路可以等效為一個電導為G的電導，連接在二極體整 流電路的直流側，從而使二極體整流電路的交流側電流為正弦波。
[0066] 全波斬控整流電路的輸出電壓為：
[0067] = - f ' V di = d χ lr = -JiL- (2)。 j- h v -/l i
[0068] 設二極體整流電路交流側電壓的數學表達式為：
[0069] 匕=〇!!(?) (3)。
[0070] 則二極體整流電路直流側電壓表達式為：
[0071] I-:-(4)。
[0072] 將式（4)帶入式（2)可以得到全波斬控整流電路的輸出電壓為：
[0073] ?Λ, -: .爹..空[1.... cosaef)] (5 )。
[0074] 由式（5)可以看到，全波斬控整流電路的輸出電壓中含有直流分量和倍頻分量；
[0075] 所述的變壓器的二次側由一組或多組三相交流電源構成，假設其中一組三相交流 電源的電壓為： fl-； = Fm sm(f：3f)
[0076] I-: = ?二如(故-，3) (6)。 |F fc C MR 、 *
[0077] 根據式（5)可以得到則每個全波斬控整流電路的輸出電壓為： V: x G ;= -2---[1 -cos(2ri3f)J ： ^ .. 卜 V: xG
[0078] { ^ ...................[l-C0S(2€tf 4- 2,t/ 3)] (7)〇 ；= [I cos( 2ca - 2t / 3)] l K
[0079] 由於全波斬控整流電路的直流側串聯連接，則其直流側輸出電壓為：
[0080] f = + h-- + (8)。
[0081] 將式（7)代入式（8)可以得到： ? 1Γ'2 χ--
[0082] V, = ' ^ (9)〇 -. ·) /
[0083] 由式（9)可以看出，三相全波斬控整流電路的直流側輸出電壓是一個穩定的直流 電壓，單個全波斬控整流電路的直流側串聯後，其輸出電壓中的倍頻波動分量相互抵消了， 而三相交流電源輸入的電流為正弦波，可以通過改變等效電導（G)的大小來改變三相半控 整流電路的輸出電壓。
[0084] 所述的補償電路由主Η橋子模塊（SM)，一個或多個輔助Η橋子模塊（SM^Sl)和 電感（LP構成，其中主Η橋子模塊（SM)的直流側接權利要求1所述的全波斬控整流電路中 的二極體整流電路直流側濾波電容（C)，輔助Η橋子模塊的交流側，電感（LJ和主Η橋子模 塊（SM)的交流側依次串聯連接，形成一個迴路；輔助Η橋子模塊（SM^Sl)的直流側接電容 (C^C n)，用於穩定輔助Η橋子模塊的直流側電壓。
[0085] 主Η橋子模塊（SM)的控制方法為：二極體整流電路交流側電壓（Va。）為正時，主 Η橋子模塊的交流側輸出正電壓（?\和T4導通)，二極體整流電路交流側電壓（Va。）為負時， 主Η橋子模塊的交流側輸出負電壓（T 2和T3導通)，此時，主Η橋子模塊的交流側輸出電壓 與二極體整流電路交流側電壓（V a。）的瞬時值相等；主Η橋子模塊（SM)，輔助Η橋子模塊 (SM廣SMn)和電感構成一個單相STATC0M系統。
[0086] 通過控制輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)的交流側輸出電壓可以控制該單相STATC0M 系統輸出的無功功率，通過調整該無功功率的大小，可以使單相STATC0M系統的感性無功 與二極體直流側濾波電容（C)的容性無功相互抵消，從而補償濾波電容（C)的容性無功對 全波斬控整流電路交流側波形的影響。
【權利要求】
1. 一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：由交流電源，N個全波斬 控整流電路以及一個或多個直流負載構成； 其中交流電源由N個單相交流電源組成，N個單相交流電源之間相互隔離；每個單相交 流電源為一個全波斬控整流電路供電，接入全波斬控整流電路的交流側； N個全波斬控整流電路的直流側依次串聯連接，全波斬控整流器1的正極輸出與全波 斬控整流器N的負極輸出分別連接到直流母線的正極和負極； 直流負載的直流側輸入的正極和負極分別連接到直流母線的正極和負極； 全波斬控整流電路包含單相全橋二極體整流電路，濾波電容，補償電路，多重斬波電 路； 單相全橋二極體整流電路作為全波斬控整流電路的交流輸入，單相全橋二極體整流電 路的直流側接濾波電容（C)，多重斬波電路的輸入接濾波電容（C)的兩端，多重斬波電路的 輸出作為全波斬控整流電路的輸出；其中補償電路的作用為補償電容的充放電電流； 其中多重斬波電路由多個單重降壓斬波電路構成，其中單重降壓斬波電路由IGBT( T )， 二極體（D)和電感（L)構成，IGBT的集電極作為斬波電路的正極輸入，IGBT的發射極，二極 管（D)的陰極和電感（L)的一端相連，二極體（D)的陽極作為斬波電路的輸入的負極和輸出 的負極，電感（L)的另一端作為斬波電路輸出的正極； 多個單重斬波電路的正極輸入相連作為多重斬波電路的正極輸入，多個單重斬波電 路的負極輸入相連作為多重斬波電路的負極輸入，多個單重斬波電路的正極輸出相連作為 多重斬波電路的正極輸出，多個單重斬波電路的負極輸出相連作為多重斬波電路的負極輸 出。 如權利要求1所述的基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：權利要求 1所述的交流電源由三相交流電源和變壓器組成，其中變壓器的一次側接三相交流電源，二 次側有N個線圈，且N個線圈相互隔離，每個線圈接全波斬控整流電路的交流側輸入。
2. 如權利要求1所述的基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：權利要 求1所述的交流電源為交流發電機，該發電機有N個繞組，繞組之間相互隔離，每個繞組接 一個全波斬控整流電路的交流側輸入。 如權利要求1所述的一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：所述 的多重斬波電路中的IGBT的佔空比為： D = kG (i) 其中D為所述的直流斬波電路中IGBT的佔空比，Vdc為所述的二極體整流電路直流側 電壓瞬時值，Ii為直流斬波電路輸出側電流，G為等效電導；通過控制等效電導（G)的大小， 便可以控制整流電路輸出電壓的大小； 其中濾波電容（C)和斬波電路可以等效為一個電導為G的電導，連接在二極體整流電 路的直流側，從而使二極體整流電路的交流側電流為正弦波； 全波斬控整流電路的輸出電壓為： 設二極體整流電路交流側電壓的數學表達式為： l>-；f = lysineitf) (3) 則二極體整流電路直流側電壓表達式為： 匕=匕M!K_)U4) 將式（4)帶入式（2)可以得到全波斬控整流電路的輸出電壓為： --=.土殳[1.... cosGef)】（5) 2/-) + 由式（5)可以看到，全波斬控整流電路的輸出電壓中含有直流分量和倍頻分量； 所述的變壓器的二次側由一組或多組三相交流電源構成，假設其中一組三相交流電源 的電壓為： Ksin ⑷ ]F, ：SF siii(&f-2fT/5) (6) \Κ=νΛ$Μ{--^2π'Ι) 根據式（5)可以得到則每個全波斬控整流電路的輸出電壓為： ! V~ XG Γ. ^ ? =-- ^--[1-cq^2m)J ? Τι Γ . ' J i ^J〇 j s [1 - eos(.2放 + m)] (7) I 24 - i --?14. jT'* I. J 由於全波斬控整流電路的直流側串聯連接，則其直流側輸出電壓為： = (8) 將式（7)代入式（8)可以得到： F, ：，, -· -1 / 由式（9)可以看出，三相全波斬控整流電路的直流側輸出電壓是一個穩定的直流電壓， 單個全波斬控整流電路的直流側串聯後，其輸出電壓中的倍頻波動分量相互抵消了，而三 相交流電源輸入的電流為正弦波，可以通過改變等效電導（G)的大小來改變三相半控整流 電路的輸出電壓。
3.如權利要求1所述的一種基於全波斬控整流電路的直流供電系統，其特徵在於：所 述的補償電路由主Η橋子模塊（SM)，一個或多個輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)和電感（LJ構 成，其中主Η橋子模塊（SM)的直流側接權利要求1所述的全波斬控整流電路中的二極體整 流電路直流側濾波電容（C)，輔助Η橋子模塊的交流側，電感（Q)和主Η橋子模塊（SM)的交 流側依次串聯連接，形成一個迴路；輔助Η橋子模塊（SM^SM n)的直流側接電容（(:廣匕)，用 於穩定輔助Η橋子模塊的直流側電壓； 主Η橋子模塊（SM)的控制方法為：二極體整流電路交流側電壓（Va。）為正時，主Η橋子 模塊中的IGBT1 (?\)和IGBT4 (Τ4)導通，二極體整流電路交流側電壓（Va。）為負時，主Η橋 子模塊的IGBT2 (Τ2)和IGBT3 (Τ3)導通，此時，主Η橋子模塊的交流側輸出電壓與二極體 整流電路交流側電壓（Va。）的瞬時值相等；主Η橋子模塊（SM)，輔助Η橋子模塊（SM^SM n_ 電感構成一個單相STATCOM系統； 通過控制輔助Η橋子模塊（SM廣SMn)的交流側輸出電壓可以控制該單相STATCOM系統 輸出的無功功率，通過調整該無功功率的大小，可以使單相STATCOM系統的感性無功與二 極管直流側濾波電容（C)的容性無功相互抵消，從而補償濾波電容（C)的容性無功對全波 斬控整流電路交流側波形的影響。
【文檔編號】H02M1/12GK203911792SQ201420246939
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】郭高朋 申請人:郭高朋