一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統的製作方法
2023-10-11 08:52:29
專利名稱：一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於電源技術領域，特別涉及到大功率工頻整流電源技術領域，具體是指無平衡電抗器的非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統。
背景技術：
全球工業化信息化經濟建設對AC-DC整流電源的需求非常巨大。在中大功率領域，工頻AC-DC整流電源具有對供電環境適應能力強、可靠性高、抗衝擊負載能力強等優點，在各行業領域得到廣泛應用。但工頻AC-DC整流電源的網側電流諧波大，對電網產生非常嚴重的汙染，目前大功率工頻AC-DC整流需要配置電網補償等相關裝置才能滿足電網使用要求。為解決傳統大功率工頻AC-DC整流器的輸入側整流導致的電力諧波汙染問題，大功率系統一般採用基於「A /Y和A / A型」全隔離型移相變壓器，和外加平衡電抗器結構。用移相30°的兩個傳統6脈波相控整流的並聯來實現12脈波整流技術，抑制由三相六脈波整流產生的5、7次諧波。該種方式存在隔離移相變壓器體積大、笨重和成本高的問題，而且不便於功率更大的AC-DC整流系統功率單元的擴展。
發明內容
本發明的目的在於解決現有技術的不足，提供一種供電適應能力強、可靠性高、抗衝擊負載能力強、結構緊湊的非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為
一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，其包括移相自耦變壓器、三路輸出裝置、時序控制器和電源輸出端；所述移相自耦變壓器設有三組輸出端和一組輸入端A、B和C，三組輸出端分別為超前組輸出端Al、BI和Cl、原始組輸出端AO、BO和CO以及滯後組輸出端A2、B2和C2 ;三路輸出裝置分別為超前組輸出裝置、原始組輸出裝置和滯後組輸出裝置；所述超前組輸出裝置包括依次連接的超前組零序抑制換向電感、超前組三相不控整流橋和超前組雙向開關BUCK降壓變換器；所述原始組輸出裝置包括依次連接的原始組零序抑制換向電感、原始組三相不控整流橋和原始組雙向開關BUCK降壓變換器；所述滯後組輸出裝置包括依次連接的滯後組零序抑制換向電感、滯後組三相不控整流橋和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器；所述時序控制器設有三組控制端，三組控制端分別與超前組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端連接；所述超前組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端均與電源輸出端連接。進一步地，所述非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，還包括儲能裝置，所述儲能裝置包括蓄電池組，蓄電池組的正負極兩端分別相應的與超前組雙向開關BUCK降壓變換器的兩個輸出端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的兩個輸出端以及滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的兩個輸出端連接進一步地，所述超前組輸出裝置還包括超前組整流濾波電容，超前組整流濾波電容連接於超前組三相不控整流橋和超前組雙向開關BUCK降壓變換器之間；所述原始組輸出裝置還包括原始組整流濾波電容，原始組整流濾波電容連接於原始組三相不控整流橋和原始組雙向開關BUCK降壓變換器之間；所述滯後組輸出裝置還包括滯後組整流濾波電容，滯後組整流濾波電容連接於滯後組三相不控整流橋和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器之間。進一步地，所述超前組雙向開關BUCK降壓變換器的電路、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的電路和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的電路均為結構相同的雙向開關BUCK變換電路，且其輸出並聯在一起；所述雙向開關BUCK變換電路包括雙向全控開關和濾波續流電路；所述雙向全控開關設有控制端；雙向全控開關設有兩個輸出端且分別與濾波續流電路的兩個輸入端連接；雙向全控開關設有兩個輸入端且分別為正極輸入端和負極輸入端；所述雙向全控開關由兩路相同結構的開關電路組成；每路開關電路包括兩個絕緣柵雙極型電晶體和兩個二極體；所述兩個絕緣柵雙極型電晶體的柵極均與雙向全控開關的控制端連接，且該兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極相連且與上述兩個二極體的陽極相連，上述兩個二極體的陰極分別與該兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極相連；每路開關電路的兩個二極體的陰極還分別與雙向全控開關的一個輸入端連接和一個輸出端連接；所述濾波續流電路包括一個二極體、兩個電感和一個電容；濾波續流電路的二極體的陽極和陰極分別與雙向全控開關的負極輸出端和正極輸出端連接，其中一個電感的兩端分別與雙向全控開關的負極輸出端和電容的負極連接，另一個電感的兩端分別與雙向全控開關的正極輸出端和電容的正極連接；電容的正極和負極分別與濾波續流電路的兩個輸出端連接。進一步的，所述濾波續流電路還包括輔助電路，輔助電路設置於電容與濾波續流電路的輸出端之間；所述輔助電路包括兩個輔助電感和一個輔助電容；其中一個輔助電感的兩端分別與所述電容的正極和輔助電容的正極連接，另一個輔助電感的兩端分別與所述電容的負極和輔助電容的負極連接；輔助電容的正極和負極分別與濾波續流電路的兩個輸出端連接。上述每路的雙向全控開關的控制端分別與超前組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端以及滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端相對應；每路的雙向全控開關的輸入端分別與超前組雙向開關BUCK降壓變換器的輸入端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的輸入端以及滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的輸入端相對應；每路的濾波續流電路的輸出端分別與超前組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端以及滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端相對應。通過上述技術，本發明具有以下優點
I.市電正常情況下，自耦移相變壓器將輸入三相交流電源移相為三組相位對應依次互差20°的對稱三相交流電源；該三組三相交流電源依次通過超前組輸出端、原始組輸出端和滯後組輸出端對外輸出，三組20°移相的對稱三相交流電源分別經過各路的三相不控整流橋整流後，輸出三路獨立6脈波電壓分別供給後級各自的通道；三路輸出裝置各不相互影響，獨立向外輸出，冗餘度高，提高系統的穩定性。
2.雙向開關BUCK降壓變換器與時序控制器結合，時序控制器分時控制各路的雙向開關BUCK降壓變換器的功率輸出，使得每路的功率輸出無間隔的組合通過電源輸出端對外輸出。傳統的工頻平衡電抗器體積大、成本高，經濟效益低下。本發明在去掉工頻平衡電抗器後，用特別設計的具有雙向開關BUCK降壓變換器，使各整流輸出的直流通道實現輸出功率合成。各組BUCK變換器進行分時控制，同一時刻只有一個整流直流通道向輸出傳送功率。
3.多輸入通道雙向開關BUCK降壓變換器的輸出並聯拓撲和分時控制策略。該拓撲思路和控制策略可以概括為「多選一」。雙向開關為雙向全通斷控制，保證斷開通道的隔離。各通道的雙向開關BUCK降壓變換器分時開通，同一時間只有一個雙向開關BUCK降壓變換器處於導通狀態，從而等效實現多通道多埠輸入到單埠輸出的目的。4.該系統拓撲結構在極大降低移相變壓器容量情況下實現了 「18脈波整流」，有效抑制了 AC-DC整流器的網側輸入電流諧波的5、7、11、13次諧波，並有效減小了 17、19次諧波含量。同時便於寬範圍、中大功率AC-DC整流電源的功率單元擴展和模塊化設計。5.本發明為研發製造更大功率等級工頻AC-DC整流電源產品提供一個新的平臺技術。
圖I本發明的組成框圖。圖2本發明的移相自耦變壓器的繞組結構示意圖。圖3本發明的雙向開關BUCK降壓變換器的電路原理圖。附圖標記為
I—移相自耦變壓器2—超前組零序抑制換向電感 3 原始組零序抑制換向電感4 滯後組零序抑制換向電感 5—超前組三相不控整流橋6—原始組三相不控整流橋
7—滯後組三相不控整流橋8—超前組整流濾波電容 9——原始組整流濾波電容 10——滯後組整流濾波電容
II——超前組雙向開關BUCK降壓變換器12——原始組雙向開關BUCK降壓變換器 13—滯後組雙向開關BUCK降壓變換器14—時序控制器
15——蓄電池組。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步地說明。實施例如圖I至圖3所示，一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，包括移相自耦變壓器I、三路輸出裝置、時序控制器14和電源輸出端；所述移相自耦變壓器I設有三組輸出端和一組輸入端A、B和C，三組輸出端分別為超前組輸出端Al、BI和Cl、原始組輸出端A0、B0和CO以及滯後組輸出端A2、B2和C2。三路輸出裝置分別為超前組輸出裝置、原始組輸出裝置和滯後組輸出裝置。所述超前組輸出裝置包括依次連接的超前組零序抑制換向電感2、超前組三相不控整流橋5和超前組雙向開關BUCK降壓變換器11 ;所述原始組輸出裝置包括依次連接的原始組零序抑制換向電感3、原始組三相不控整流橋6和原始組雙向開關BUCK降壓變換器12 ;所述滯後組輸出裝置包括依次連接的滯後組零序抑制換向電感4、滯後組三相不控整流橋7、和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器13。所述時序控制器14設有三組控制端，三組控制端分別與超前組雙向開關BUCK降壓變換器11的控制端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器12的控制端和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器13的控制端連接。所述超前組雙向開關BUCK降壓變換器11的輸出端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器12的輸出端和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器13的輸出端均與電源輸出端連接。
移相自耦變壓器I將輸入的三相交流電源(A，B，C)移相為三組相位對應互差20°的對稱三相交流電源原始組(A0，B0, CO)、超前組(Al，BI, Cl)和滯後組(A2，B2, C2)。原始組(AO, B0, CO)相位與輸入三相交流電源(A，B，C)相同，超前組(Al, BI, Cl)超前原始組(AO, B0, CO)相位 20。，滯後組(A2, B2, C2)滯後原始組(AO, B0, CO)相位 20。。圖I中原始組(AO, B0, CO)、超前組(Al, BI, Cl)和滯後組(A2, B2, C2)信號分別經過各路的三相不控整流橋，分別實現6脈波整流，最後輸入到各自的雙向開關BUCK降壓變換器後得到直流輸出，也實現了並聯和功率合成。三路輸出裝置的零序抑制換向電感的作用是抑制各路的零序電流(參見圖I中的2、3、4),和有利於各路的二相不控整流橋的橋內電流換向。圖2中原始組(A0，B0, CO)為移相自耦變壓器I本體輸入，接市電380V三相交流電源。圖中(Al，BI，Cl)和(A2，B2，C2)分別為兩組三相交流輸出。(Al，BI，Cl)各相對應超前原始組(AO, B0, CO)相位20°，(A2, B2, C2)各相對應滯後原始組(AO, B0, CO)相位20°。正常工作時，將變壓器本體的原始組(A0，B0, CO)接電網電壓(A，B，C)三相，這樣在實現18脈波整流效果時，該自藕移相變壓器本體的功率容量不超過系統總輸出功率的20%，該變壓器本體的結構和重量都極大的小於常規隔離型工頻移相變壓器。進一步地，所述非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，還包括儲能裝置。所述儲能裝置包括蓄電池組15，蓄電池組15的正負極兩端分別相應的與超前組雙向開關BUCK降壓變換器11的輸出端的正負極、原始組雙向開關BUCK降壓變換器12的輸出端的正負極以及滯後組雙向開關BUCK降壓變換器13的輸出端的正負極連接。設置儲能裝置後一旦市電中斷，各通道的雙向開關BUCK降壓變換器就處於關閉狀態，儲能蓄電池組15可直接向外提供直流電能。通過適當的控制算法，雙向開關BUCK降壓變換器具有對蓄電池組15的充電控制功能，而不會對分時控制功能產生影響。進一步地，所述超前組輸出裝置還包括超前組整流濾波電容8，超前組整流濾波電容8連接於超前組三相不控整流橋5和超前組雙向開關BUCK降壓變換器11之間；所述原始組輸出裝置還包括原始組整流濾波電容9，原始組整流濾波電容9連接於原始組三相不控整流橋6和原始組雙向開關BUCK降壓變換器12之間；所述滯後組輸出裝置還包括滯後組整流濾波電容10，滯後組整流濾波電容10連接於滯後組三相不控整流橋7和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器13之間。在三路輸出裝置中分別設置整流濾波電容，可以起到濾波和穩定中間直流電壓的功效。進一步地，所述超前組雙向開關BUCK降壓變換器11的電路、原始組雙向開關BUCK降壓變換器12的電路和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器13的電路均為均為結構相同的雙向開關BUCK變換電路，且其輸出並聯在一起。所述雙向開關BUCK變換電路包括雙向全控開關和濾波續流電路。所述雙向全控開關設有控制端；雙向全控開關設有兩個輸出端且分別與濾波續流電路的兩個輸入端連接；雙向全控開關設有兩個輸入端且分別為正極輸入端和負極輸入端。所述雙向全控開關由兩路相同結構的開關電路組成，每路開關電路包括兩個絕緣柵雙極型電晶體和兩個二極體。所述兩個絕緣柵雙極型電晶體的柵極均與雙向全控開關的控制端連接，且該兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極相連且與上述兩個二極體的陽極相連，上述兩個二極體的陰極分別與該兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極相連；每路開關電路的兩個二極體的陰極還分別與雙向全控開關的一個輸入端連接和一個輸出端連接。所述濾波續流電路包括一個二極體、兩個電感和一個電容。濾波續流電路的二極 管的陽極和陰極分別與雙向全控開關的負極輸出端和正極輸出端連接，其中一個電感的兩端分別與雙向全控開關的負極輸出端和電容的負極連接，另一個電感的兩端分別與雙向全控開關的正極輸出端和電容的正極連接；電容的正極和負極分別與濾波續流電路的兩個輸出端連接。如圖3所示，本發明的各路雙向開關BUCK降壓變換器控制的電路原理圖。此部分的功能是完成各直流通道並聯和功率合成輸出。圖中SI，SO, S2為佔空比小於33. 3%的同頻高頻脈衝驅動信號，由時序控制器14發出，其相位依次滯後三分之一周期，波形示意圖如圖中左部分所示。驅動信號驅動雙向全控開關的通斷，如圖中(K11，D11;K12，D12)為用IGBT及其反向並聯並二極體表示的一種全控開關，用其它的技術也可實現類似具有雙向全控功能的雙向開關。圖中的其它雙向開關的圖示與(K11，D11;K12，D12)的用法相同。該發明如圖3所示的各並列直流通道的正負直流線路上均需要配置全控功能的雙向開關，這樣可以保證整個系統工作時並列通道間隔離，也是18脈波整流的三組三相整流通道平衡工作的保障。進一步的，所述濾波續流電路還包括輔助電路，輔助電路設置於電容與濾波續流電路的輸出端之間；所述輔助電路包括兩個輔助電感和一個輔助電容；其中一個輔助電感的兩端分別與所述電容的正極和輔助電容的正極連接，另一個輔助電感的兩端分別與所述電容的負極和輔助電容的負極連接；輔助電容的正極和負極分別與濾波續流電路的兩個輸出端連接。圖3中各通道濾波續流電路的濾波和續流迴路如圖所示，以輸入Udl通道(Dl, Lll, Cll, L13;L12, C12, L14)為例。電感依據驅動脈衝頻率和輸出功率等要求設計，電感既是濾波不可缺少的部分，其在各通道的驅動換向時又具有某種「傳統平衡電抗器」的功能，因此正負幹線的電感(L11，L13;L12，L14)均需要。依具體情況，環節(L12，C12，L14)輔助電路可以增減，以滿足波形質量要求。以上僅是本申請的較佳實施例，在此基礎上的等同技術方案仍落入申請保護範圍。
權利要求
1.一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，其特徵在於其包括移相自耦變壓器、三路輸出裝置、時序控制器和電源輸出端；所述移相自耦變壓器設有三組輸出端和一組輸入端A、B和C，三組輸出端分別為超前組輸出端Al、BI和Cl、原始組輸出端AO、BO和CO以及滯後組輸出端A2、B2和C2 ;三路輸出裝置分別為超前組輸出裝置、原始組輸出裝置和滯後組輸出裝置；所述超前組輸出裝置包括依次連接的超前組零序抑制換向電感、超前組三相不控整流橋和超前組雙向開關BUCK降壓變換器；所述原始組輸出裝置包括依次連接的原始組零序抑制換向電感、原始組三相不控整流橋和原始組雙向開關BUCK降壓變換器；所述滯後組輸出裝置包括依次連接的滯後組零序抑制換向電感、滯後組三相不控整流橋和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器； 所述時序控制器設有三組控制端，三組控制端分別與超前組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的控制端連接；所述超前組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端均與電源輸出端連接。
2.根據權利要求I所述的一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，其特徵在於還包括儲能裝置，所述儲能裝置包括蓄電池組，蓄電池組的正負極兩端分別相應的與超前組雙向開關BUCK降壓變換器的兩個輸出端、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的兩個輸出端以及滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的兩個輸出端連接。
3.根據權利要求2所述的一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，其特徵在於所述超前組輸出裝置還包括超前組整流濾波電容，超前組整流濾波電容連接於超前組三相不控整流橋和超前組雙向開關BUCK降壓變換器之間；所述原始組輸出裝置還包括原始組整流濾波電容，原始組整流濾波電容連接於原始組三相不控整流橋和原始組雙向開關BUCK降壓變換器之間；所述滯後組輸出裝置還包括滯後組整流濾波電容，滯後組整流濾波電容連接於滯後組三相不控整流橋和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器之間。
4.根據權利要求3所述的一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，其特徵在於所述超前組雙向開關BUCK降壓變換器的電路、原始組雙向開關BUCK降壓變換器的電路和滯後組雙向開關BUCK降壓變換器的電路均為結構相同的雙向開關BUCK變換電路，且其輸出並聯在一起；所述雙向開關BUCK變換電路包括雙向全控開關和濾波續流電路；所述雙向全控開關設有控制端；雙向全控開關設有兩個輸出端且分別與濾波續流電路的兩個輸入端連接；雙向全控開關設有兩個輸入端且分別為正極輸入端和負極輸入端；所述雙向全控開關由兩路相同結構的開關電路組成；每路開關電路包括兩個絕緣柵雙極型電晶體和兩個二極體；所述兩個絕緣柵雙極型電晶體的柵極均與雙向全控開關的控制端連接，且該兩個絕緣柵雙極型電晶體的發射極相連且與上述兩個二極體的陽極相連，上述兩個二極體的陰極分別與該兩個絕緣柵雙極型電晶體的集電極相連；每路開關電路的兩個二極體的陰極還分別與雙向全控開關的一個輸入端連接和一個輸出端連接；所述濾波續流電路包括一個二極體、兩個電感和一個電容；濾波續流電路的二極體的陽極和陰極分別與雙向全控開關的負極輸出端和正極輸出端連接，其中一個電感的兩端分別與雙向全控開關的負極輸出端和電容的負極連接，另一個電感的兩端分別與雙向全控開關的正極輸出端和電容的正極連接；電容的正極和負極分別與濾波續流電路的兩個輸出端連接。
5.根據權利要求4所述的一種非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統，其特徵在於所述濾波續流電路還包括輔助電路，輔助電路設置於電容與濾波續流電路的輸出端之間；所述輔助電路包括兩個輔助電感和一個輔助電容；其中一個輔助電感的兩端分別與所述電容的正極和輔助電容的正極連接， 另一個輔助電感的兩端分別與所述電容的負極和輔助電容的負極連接；輔助電容的正極和負極分別與濾波續流電路的兩個輸出端連接。
全文摘要
本發明屬於電源技術領域，特別涉及到大功率工頻整流電源技術領域，具體是指無平衡電抗器的非隔離對稱型自耦式18脈波整流電源系統。本發明包括移相自耦變壓器、三路輸出裝置、時序控制器和電源輸出端；所述移相自耦變壓器設有三組輸出端和一組輸入端，每路輸出裝置包括依次連接的零序抑制換向電感、三相不控整流橋和雙向開關BUCK降壓變換器；時序控制器設有三組控制端，三組控制端分別與每路的雙向開關BUCK降壓變換器的控制端連接；每路的雙向開關BUCK降壓變換器的輸出端均與電源輸出端連接。本發明供電適應能力強、可靠性高、抗衝擊負載能力強、結構緊湊。
文檔編號H02M1/14GK102624258SQ20121011773
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者唐朝陽, 張勝發, 徐海波, 李鵬 申請人:廣東易事特電源股份有限公司