全橋高頻鏈單相電力電子變壓器的製作方法
2024-03-07 20:53:15
專利名稱：全橋高頻鏈單相電力電子變壓器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種整流變壓技術領域的裝置，具體是一種全橋高頻鏈單相 電力電子變壓器。
背景技術：
電力變壓器是電力系統的主要設備，傳統的電力變壓器具有製作工藝簡單、可靠 性高等優點，在電網中得到廣泛的應用。但是它也有一些顯著的缺點如體積、重量、空載損 耗大；過載時易導致輸出電壓下降，從而導致故障擴大；帶非線性負荷時，畸變電流通過變 壓器耦合進入電網，造成對電網的汙染；電源側電壓收到幹擾時，又會傳遞到負載側，導致 對敏感負荷的影響；使用絕緣油造成環境汙染；需要配套的保護設備對其進行保護。經過對電力電子變壓器技術的檢索發現，中國專利申請號02139030. 4，
公開日
2003. 03. 12.，記載了一種「電力電子變壓器」，採用了結構和控制原理複雜的矩陣變換器結 構，理論複雜，技術難度複雜。進一步檢索發現，中國專利申請號200910025824. 3，
公開日=2009. 11. 04.，記載
了一種「多功能電力電子變壓器」，同樣採用了結構和控制原理複雜的變換器結構，理論復 雜，技術難度複雜，網側功率因數難以控制。WANG JUN 等，在「智能電網技術」 IEEE Trans, on Industry Electronics Magzine. 2009年6月，公開了一種電力電子變壓器結構和控制原理，採用了可控整流器、高 頻鏈變壓器、高頻整流器和逆變器結構，控制複雜，效率難以控制。
實用新型內容本實用新型針對現有技術存在的上述不足，提供一種全橋高頻鏈單相電力電子變 壓器，可取代傳統電力變壓器。它通過高頻變壓器實現磁耦合，通過電力電子變換技術和高 頻變壓器實現電力系統中的電壓變換和能量傳遞，可實現對變壓器原、副邊電壓幅值和相 位的靈活控制。具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優點。本實用新型通過以下技術方案實現，本實用新型包括輸入濾波電路、交流斬波電 路、高頻變壓器電路和輸出濾波電路，其中輸入濾波電路的輸入端和輸出端分別與單相高 壓正弦電源和交流斬波電路相連接，交流斬波電路輸出端連接高頻變壓器電路，高頻變壓 器電路輸出端連接輸出濾波電路，輸出濾波電路的輸出端與負載相連。所述的輸入濾波電路包括一個電感和一個交流電容，其中第一電感的一端與 交流電源的一端相連，第一交流電容的一端與第一電感的另一端相連後與交流斬波電路相 連，第一交流電容的另一端與交流電源的另一端相連後與交流斬波電路相連。所述的交流斬波電路包括八個電晶體和八個功率二極體，其中第一電晶體的 集電極、第五電晶體的集電極、第一功率二極體的陰極與第五功率二極體的陰極相連，第一 電晶體的發射極、第一功率二極體的陽極、第二電晶體的發射極與第二功率二極體的陽極 相連，第五電晶體的發射極、第五功率二極體的陽極、第六電晶體的發射極與第六功率二極體的陽極相連，第二電晶體的集電極、第二功率二極體的陰極、第三電晶體的集電極、第三 功率二極體的陰極相連後與高頻變壓器電路中的高頻變壓器初級繞組的一端相連，第六晶 體管的集電極、第六功率二極體的陰極、第七電晶體的集電極、第七功率二極體的陰極相連 後與高頻變壓器電路中的高頻變壓器初級繞組的另一端相連，第三電晶體的發射極、第三 功率二極體的陽極、第四電晶體的發射極與第四功率二極體的陽極相連，第七電晶體的發 射極、第七功率二極體的陽極、第八電晶體的發射極與第八功率二極體的陽極相連，第四晶 體管的集電極、第四功率二極體的陰極、第八電晶體的集電極與第八功率二極體的陰極相 連，所述的第一至第四電晶體和第一至第四功率二極體構成第一橋臂，第五至第八電晶體 和第五至第八功率二極體構成第二橋臂。所述的電晶體均為SiC型絕緣柵雙極型電晶體；所述的高頻變壓器電路為高頻變壓器，其初級繞組一端與交流斬波電路的第一橋 臂中點相連，初級繞組的另一端與交流斬波電路的第二橋臂中點相連，次級繞組的一端與 輸出濾波電路的第九功率二極體的陽極相連，次級繞組的另一端與輸出濾波電路的第十功 率二極體的陽極相連，次級繞組的中心抽頭與輸出濾波電路中的第一電解電容負極與第二 電解電容負極相連。所述的輸出濾波電路包括四個電感、兩個功率二極體、兩個電解電容和兩個交流 電容，其中第九功率二極體的陽極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的一端相連， 第十功率二極體的陽極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的另一端相連，第一高速 二極體的陰極與第二電感的一端相連，第二高速二極體的陰極與第三電感的一端相連，第 二電感的另一端、第一電解電容的陽極與第四電感的一端相連，第三電感的另一端、第二電 解電容的陽極與第五電感的一端相連，第一電解電容的陰極、第二電解電容的陰極、第二交 流電容的一端和第三交流電容的一端相連，第四電感的另一端與第二交流電容的另一端相 連，第五電感的另一端與第三交流電容的另一端相連。本實用新型中的輸入濾波電路負責濾除高頻電流，獲得正弦電流波形；交流斬波 電路負責將單相正弦電壓斬波成為正弦半波包絡的脈衝電壓；高頻變壓器電路負責將正弦 半波包絡的脈衝電壓降壓為低幅值、低紋波的正弦半波包絡直流電壓；輸出濾波電路輸出 正弦半波電壓。根據高頻交流斬波、高頻變壓器工作原理以及採用高壓大功率電晶體來提 高電力電子變壓器的電壓等級，設計製作了支持高壓大功率的新型電力電子變壓器，因而 具有設計構思新穎、通用性強等特徵，同時具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低、實現容 易等優點，尤其適用於電力系統中的輸配電變壓器場合。
圖1為本實用新型結構示意圖。
具體實施方式
下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護範圍不限 於下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括輸入濾波電路1、交流斬波電路2、高頻變壓器電路3、輸出濾波電路4，其中輸入濾波電路1與單相高壓正弦電源連接，後接交流斬波電路2，交 流斬波電路2輸出端連接高頻變壓器電路3，高頻變壓器電路3輸出端連接輸出濾波電路 4，輸出濾波電路4後接負載。所述的輸入濾波電路1包括第一電感Ll和第一交流電容Cl，其中第一電感Ll的 一端與交流電源的一端相連，第一交流電容Cl的一端與第一電感Ll的另一端相連後與交 流斬波電路2的第一電晶體Sl的集電極相連，第一交流電容Cl的另一端與交流電源的另 一端相連後與交流斬波電路2的第四電晶體S4的集電極相連。所述的交流斬波電路2包括第一電晶體管Sl 第八電晶體管S8、第一功率二極 管Dl 第八功率二極體D8，其中第一電晶體Sl的集電極、第五電晶體S5的集電極、第一 功率二極體Dl的陰極與第五功率二極體D5的陰極相連，第一電晶體Sl的發射極、第一功 率二極體Dl的陽極、第二電晶體S2的發射極與第二功率二極體D2的陽極相連，第五晶體 管S5的發射極、第五功率二極體D5的陽極、第六電晶體S6的發射極與第六功率二極體D2 的陽極相連。第二電晶體S2的集電極、第二功率二極體D2的陰極、第三電晶體S3的集電 極、第三功率二極體D3的陰極相連後與高頻變壓器電路3中的高頻變壓器Tl初級繞組的 一端相連，第六電晶體S6的集電極、第六功率二極體D2的陰極、第七電晶體S7的集電極、 第七功率二極體D7的陰極相連後與高頻變壓器電路3中的高頻變壓器Tl初級繞組的另一 端相連，第三電晶體S3的發射極、第三功率二極體D3的陽極、第四電晶體S4的發射極與第 四功率二極體D4的陽極相連，第七電晶體S7的發射極、第七功率二極體D7的陽極、第八晶 體管S8的發射極與第八功率二極體D8的陽極相連，第四電晶體S4的集電極、第四功率二 極管D4的陰極、第八電晶體S8的集電極與第八功率二極體D8的陰極相連。所述的高頻變壓器電路3為高頻變壓器Tl，其中高頻變壓器Tl的初級繞組一端 與交流斬波電路2的第一橋臂中點相連，其初級繞組另一端與交流斬波電路2的第二橋臂 中點相連。高頻變壓器Tl的次級繞組的一端與輸出濾波電路4的第九功率二極體D9的陽 極相連，高頻變壓器Tl次級繞組的另一端與輸出濾波電路4的第十功率二極體DlO的陽極 相連。高頻變壓器Tl次級繞組的中心抽頭與輸出濾波電路4中的第一電解電容El負極與 第二電解電容負極E2相連。所述的輸出濾波電路4包括第二電感L2 第五電感L5、第一電解電容El、第二電 解電容E2、第二交流電容C2、第三交流電容C3，第九功率二極體D9，第十功率二極體D10， 其中第九功率二極體D9的陽極與高頻變壓器電路3中高頻變壓器Tl次級繞組的一端相 連，第十功率二極體DlO的陽極與高頻變壓器電路3中高頻變壓器Tl次級繞組的另一端相 連，第九功率二極體D9的陰極與第二電感L2的一端相連，第十功率二極體DlO的陰極與第 三電感L3的一端相連，第二電感L2的另一端、第一電解電容El的陽極與第四電感L4的一 端相連，第三電感L3的另一端、第二電解電容E2的陽極與第五電感L5的一端相連，第一電 解電容El的陰極、第二電解電容E2的陰極、第二交流電容C2的一端和第三交流電容C3的 一端相連，第四電感L4的另一端與第二交流電容C2的另一端相連，第五電感L5的另一端 與第三交流電容C3的另一端相連。本實施例的工作原理為交流斬波電路中，採用單相矩陣變換器結構，將輸入的高 壓工頻交流電壓變換成包絡線為交流工頻的高頻PWM電壓脈衝，輸入到後級高頻變壓器電 路。輸入濾波電路將交流斬波形成的脈衝電流濾波成為光滑的電流，降低網側電流諧波，提高功率因數。帶中間抽頭的高頻變壓器將原邊的高壓交流高頻脈衝電壓轉換為兩路相位相 反的低壓交流高頻脈衝電壓。輸出濾波電路將高頻交流脈衝電壓濾波為工頻交流電壓，從 而實現單相電力電子變壓器的功能。 本實施例中的輸入交流電壓6kV，輸出兩路相位相反的、有效值為120V的交流正 弦電壓，額定輸出功率10kW。高壓電感Ll取lmH，電感L2和L3取2mH。高壓交流電容Cl 取4xl00nF，6kV耐壓，實際上每兩並聯後串聯，分散就近布置。交流電容C2和C3取47nF， 400V。電晶體Sl S8和二極體Dl D8耐壓15kV，允許通過電流IOA0高頻變壓器Tl為 高壓高頻開關變壓器，電壓變比為50 1。
權利要求一種全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，包括輸入濾波電路、交流斬波電路、高頻變壓器電路和輸出濾波電路，其特徵在於輸入濾波電路的輸入端和輸出端分別與單相高壓正弦電源和交流斬波電路相連接，交流斬波電路輸出端連接高頻變壓器電路，高頻變壓器電路輸出端連接輸出濾波電路，輸出濾波電路的輸出端與負載相連。
2.根據權利要求1所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特徵是，所述的輸入濾 波電路包括一個電感和一個交流電容，其中第一電感的一端與交流電源的一端相連，第 一交流電容的一端與第一電感的另一端相連後與交流斬波電路相連，第一交流電容的另一 端與交流電源的另一端相連後與交流斬波電路相連。
3.根據權利要求1所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特徵是，所述的交流斬 波電路包括八個電晶體和八個功率二極體，其中第一電晶體的集電極、第五電晶體的集 電極、第一功率二極體的陰極與第五功率二極體的陰極相連，第一電晶體的發射極、第一功 率二極體的陽極、第二電晶體的發射極與第二功率二極體的陽極相連，第五電晶體的發射 極、第五功率二極體的陽極、第六電晶體的發射極與第六功率二極體的陽極相連，第二晶體 管的集電極、第二功率二極體的陰極、第三電晶體的集電極、第三功率二極體的陰極相連後 與高頻變壓器電路中的高頻變壓器初級繞組的一端相連，第六電晶體的集電極、第六功率 二極體的陰極、第七電晶體的集電極、第七功率二極體的陰極相連後與高頻變壓器電路中 的高頻變壓器初級繞組的另一端相連，第三電晶體的發射極、第三功率二極體的陽極、第四 電晶體的發射極與第四功率二極體的陽極相連，第七電晶體的發射極、第七功率二極體的 陽極、第八電晶體的發射極與第八功率二極體的陽極相連，第四電晶體的集電極、第四功率 二極體的陰極、第八電晶體的集電極與第八功率二極體的陰極相連，所述的第一至第四晶 體管和第一至第四功率二極體構成第一橋臂，第五至第八電晶體和第五至第八功率二極體 構成第二橋臂。
4.根據權利要求3所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特徵是，所述的電晶體 均為SiC型絕緣柵雙極型電晶體。
5.根據權利要求3所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特徵是，所述的高頻變 壓器電路為高頻變壓器，其初級繞組一端與交流斬波電路的第一橋臂中點相連，初級繞組 的另一端與交流斬波電路的第二橋臂中點相連，次級繞組的一端與輸出濾波電路的第九功 率二極體的陽極相連，次級繞組的另一端與輸出濾波電路的第十功率二極體的陽極相連， 次級繞組的中心抽頭與輸出濾波電路中的第一電解電容負極與第二電解電容負極相連。
6.根據權利要求1所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特徵是，所述的輸出濾 波電路包括四個電感、兩個功率二極體、兩個電解電容和兩個交流電容，其中第九功率 二極體的陽極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的一端相連，第十功率二極體的陽 極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的另一端相連，第一高速二極體的陰極與第二 電感的一端相連，第二高速二極體的陰極與第三電感的一端相連，第二電感的另一端、第一 電解電容的陽極與第四電感的一端相連，第三電感的另一端、第二電解電容的陽極與第五 電感的一端相連，第一電解電容的陰極、第二電解電容的陰極、第二交流電容的一端和第三 交流電容的一端相連，第四電感的另一端與第二交流電容的另一端相連，第五電感的另一 端與第三交流電容的另一端相連。專利摘要一種整流變壓技術領域的一種全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，包括輸入濾波電路、交流斬波電路、高頻變壓器電路、輸出濾波電路，其中輸入濾波電路的輸入端和輸出端分別與單相高壓正弦電源和交流斬波電路相連接，交流斬波電路輸出端連接高頻變壓器電路，高頻變壓器電路輸出端連接輸出濾波電路，輸出濾波電路的輸出端與負載相連。本裝置可取代傳統電力變壓器。它通過高頻變壓器實現磁耦合，通過電力電子變換技術和高頻變壓器實現電力系統中的電壓變換和能量傳遞，可實現對變壓器原、副邊電壓幅值和相位的靈活控制。具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優點。
文檔編號H02M7/06GK201726325SQ20102028861
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者張永鑫, 楊喜軍, 田書欣, 鍾莉娟 申請人:上海交通大學