CN110492752A - 基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器 - Google Patents

基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,属于电力电子技术领域。本发明在基于电力电子移相变压器的双反星型整流器的基础上,将星型联结的变压器改为曲折型联结,并加入谐波抑制电路。曲折型联结变压器是在星型联结变压器的基础上,将每相绕组分成匝数相同的两部分,以右行排布的方式绕制在两个不同的铁芯柱上,并反向串联联结。谐波抑制电路由双抽头变换器和两个二极管组成,从平衡电抗器上引出两个抽头端,与两个共阴极不控二极管连接。曲折型变压器的使用可在不改变电路本质的前提下,有效消除电路中的零序磁通,结合谐波抑制方法,改善输入电流的电能质量。本发明适用于对电能质量要求较高的大功率大电流整流场合。

Description

基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器
技术领域
本发明涉及基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,属于电力电子技术领域。
背景技术
基于双反星型结构的多脉波整流器,后级由两组三相半波整流电路并联联结而成,较于桥式电路,使用开关器件少,且每条通路上只有一个开关管导通,大大减小了通态损耗,在电解,电镀等大电流大功率场合得到了广泛应用。但是,由于整流器中开关器件的强非线性,多脉波整流器已成为常见的谐波污染源,提高多脉波整流器的谐波抑制能力已迫在眉睫。
将中高频移相变压器与电力电子变换技术相结合替换传统的工频变压器,通过提高移相变压器的工作频率,可大大减小移相变压器的体积和重量,降低整体***的尺寸。基于双反星型结构的多脉波整流器结构简单,鲁棒性强,但是其负载电压为六脉波,输入电流为六阶梯波,电路本身会产生(6k±1)次谐波。
引入直流侧谐波抑制技术,可以提升多脉波整流器的整流脉波数,降低输入电流的总谐波畸变率,本发明使用双抽头变换器和二极管对双反星型整流器进行谐波抑制;但是,由于电力电子变压器结构的特殊性,其原边必须为三个独立绕组,且副边为星型结构,电路中的零序电流无法在变压器中形成回路依次抵消,最终在电路中流动,即使采用无源谐波抑制技术提升整流器脉波数,由于零序电流的存在,输入电流的总谐波畸变率也无法得到改善。
为消除电路中的零序电流,本发明将双反星型变压器在原基础上改为曲折型绕制,将原有的每相绕组分成匝数相同的两部分,分别右行绕制在两个不同的铁芯柱上,并反向串联联结,当三相加入零序电压时,同一铁芯柱上两个极性相反的绕组产生的磁势大小相等,方向相反,合成磁势为零。
本拓扑将双反星型变压器改为曲折绕制,结合无源谐波抑制方法,可有效改善输入电流的电能质量,使双反星型整流器能够更广泛地应用于大功率大电流整流场合。
发明内容
本发明的目的在于提高基于电力电子移相变压器的双反星型整流器的谐波抑制能力,进而提供一种基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器包括三组单相桥式不控整流电路、三组单相全桥逆变电路、控制电路、中高频移相变压器、第一组三相半波整流电路、第二组三相半波整流电路、双抽头变换器、二极管和负载,输入三相交流电usa、usb和usc分别接在三组单相桥式不控整流电路的输入端,三组单相桥式不控整流电路的输出端分别接三组单相全桥逆变电路的输入端,控制电路生成所需的PWM控制信号控制三组单相全桥逆变电路中开关器件的通断;三组单相全桥逆变电路的输出端与高频移相变压器的输入端连接,基于电磁感应原理,中高频移相变压器的两个副边绕组输出两组幅值相同,相位相差180°的三相电压;第一组三相半波整流电路的输入端与中高频移相变压器的输出端a1、b1、c1相连,第二组三相半波整流电路的输入端与中高频移相变压器的输出端a2、b2、c2相连,第一组三相半波整流电路和第二组三相半波整流电路的输出端接在双抽头变换器的两侧,两个二极管的阳极分别接双抽头变换器的两个抽头端,两个二极管的共阴极点接负载。
本发明基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述三组单相桥式不控整流电路均采用二极管作为开关器件。
本发明基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述三组单相全桥逆变电路均采用IGBT作为开关器件。
本发明基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述中高频移相变压器采用隔离结构,由三个芯柱组成,每个芯柱上有五个绕组,一个绕组为原边绕组,另外四个绕组分别属于各副边绕组的一部分,五个绕组的匝比为中高频移相变压器原边的三个绕组相互独立,副边绕组在星型联结的基础上,将每相绕组分成匝数相同的两部分,以右行排布的方式分别绕制在两个不同的铁芯柱上,并反向串联联结;绕组a、绕组b和绕组c组成中高频移相变压器的原边绕组,绕组a1、绕组b1和绕组c1组成中高频移相变压器的一组副边绕组,绕组a2、绕组b2和绕组c2组成中高频移相变压器的另一组副边绕组。
本发明基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述第一组三相半波整流电路和第二组三相半波整流电路均采用二极管作为开关器件。
本发明基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述双抽头变换器和二极管共同组成谐波抑制电路,抽头点至双抽头变换器中点的绕组匝数与双抽头变换器的总匝数之比为0.232时,输入电流总谐波畸变率最小。
本发明基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,结构简单,所用器件材料少,降低了***的成本;每条通路上只有一个二极管导通,器件损耗小;采用曲折绕制的双反星型变压器抑制零序电流,结合双抽头变换器使整流器的输出电压脉波数翻倍,输入电流总谐波畸变率由31%降至15.2%,大幅提高了整流器的谐波抑制能力,拓宽了双反星型整流器在大电流大功率场合中的应用。
附图说明
图1为本发明基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器的电路结构示意图。
图2为第一组单相全桥逆变电路中开关管的控制信号波形图。
图3为本发明曲折联结双反星型变压器的绕组结构图。
图4为两组三相半波整流电路的a相输入电压波形。
图5为谐波抑制电路的工作模态Ⅰ示意图。
图6为谐波抑制电路的工作模态Ⅱ示意图。
图中的附图标记有:1为三组单相桥式不控整流电路;2为三组单相全桥逆变电路;3为控制电路;4为中高频移相变压器;5为第一组三相半波整流电路;6为第二组三相半波整流电路;7为双抽头变换器;8为二极管;9为负载。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式,但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一:如图1所示,本实施例所涉及的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,包括三组单相桥式不控整流电路、三组单相全桥逆变电路、控制电路、中高频移相变压器、第一组三相半波整流电路、第二组三相半波整流电路、双抽头变换器,二极管和负载。输入三相交流电usa、usb和usc分别接三组单相桥式不控整流电路的输入,三组单相桥式不控整流电路的输出分别接三组单相全桥逆变电路的输入,控制电路生成所需的PWM控制信号控制三组单相全桥逆变电路中开关器件的通断,实现将原输入工频交流电升频的功能;中高频移相变压器原边的三个绕组相互独立,中高频移相变压器的两个副边绕组采用曲折绕制的双反星型联结;三组单相全桥逆变电路的输出接中高频移相变压器的输入,基于电磁感应原理,中高频移相变压器的两个副边绕组输出两组幅值相同,相位相差180°的三相电压;第一组三相半波整流电路的输入与中高频移相变压器的输出端a1、b1、c1相连,第二组三相半波整流电路的输入与中高频移相变压器的输出端a2、b2、c2相连,第一组三相半波整流电路和第二组三相半波整流电路的输出接在双抽头变换器的两侧,两个二极管的阳极分别接双抽头变换器的两个抽头端,两个二极管的共阴极点输出接负载。
实施例二:如图1所示,本实施例所涉及的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述三组单相桥式不控整流电路均采用二极管作为开关器件,无需控制,结构简单,实现将输入交流电整流成双脉动波的功能。
实施例三:如图1所示,本实施例所涉及的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述三组单相全桥逆变电路均采用IGBT作为开关器件,IGBT开关速度快,驱动电路简单,存在电导调制效应,通态压降小,容易实现耐高压。如果有更高的工作频率需求,电路中的开关器件也可换成MOSFET。
三组单相全桥逆变电路彼此独立,既容易实现三相控制的同步性,又提高了整体***的安全性。
实施例四:如图1所示,本实施例所涉及的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,设定中高频移相变压器所需的工作频率,则由三组单相桥式不控整流电路和三组单相全桥逆变电路组成的电力电子变换器需要达到此工作频率,所述控制电路输出的PWM波形可由电力电子变换器的开关函数分别除以三组单相桥式不控整流电路的开关函数得到。基于所需的PWM波形,经过运算,控制电路输出PWM控制信号控制三组单相全桥逆变电路中开关器件的通断,联合前级整流,三组单相全桥逆变电路输出升频后的交流电。
实施例五:如图1所示,本实施例所涉及的一种基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述中高频移相变压器采用隔离结构,由三个芯柱组成,每个芯柱上有五个绕组,一个绕组为原边绕组,另外四个绕组分别属于各副边绕组的一部分,五个绕组的匝比为中高频移相变压器原边的三个绕组相互独立,副边绕组在星型联结的基础上,将每相绕组分成匝数相同的两部分,以右行排布的方式分别绕制在两个不同的铁芯柱上,并反向串联联结,该接法可将三相电压相量向同一方向旋转30°。两组副边绕组整体仍属于双反星型联结,即两组绕组匝数相同,极性相反,此结构可消除铁心直流磁化。绕组a、绕组b和绕组c组成中高频移相变压器的原边绕组,绕组a1、绕组b1和绕组c1组成中高频移相变压器的一组副边绕组,绕组a2、绕组b2和绕组c2组成中高频移相变压器的另一组副边绕组。
变压器的频率越高,磁通量的变化速度越快,感应电势就会越大,在需要产生相同电势的场合,中高频移相变压器需要的磁芯和线圈匝数比传统移相变压器少得多。不仅是体积上减少,重量上减轻的优势,由中高频移相变压器和电力电子变换器构成的电力电子移相变压器,结合现代控制技术,还可以对变压器两侧的电压、电流、功率进行调节。将变压器由星型绕制改为曲折型绕制,当三相加入零序电压时,同一铁芯柱上两个极性相反的绕组产生的磁势大小相等,方向相反,合成磁势为零。此结构可在不改变电路本质的前提下,消除电路中的零序电流,即三次谐波。
实施例六:如图1所示,本实施例所涉及的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,所述第一组三相半波整流电路和第二组三相半波整流电路均采用二极管作为开关器件,相较于三相桥式电路,所用器件材料减少,节约成本,且每条通路上只有一个二极管导通,大大减小了损耗。
实施例七:如图1所示,本实施例所涉及的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,其特征在于,所述双抽头变换器和二极管共同组成谐波抑制电路,抽头点至双抽头变换器中点的绕组匝数与双抽头变换器的总匝数之比为0.232时,输入电流总谐波畸变率最小为15.2%。
将第一组三相半波整流电路和第二组三相半波整流电路的输出分别接在双抽头变换器两侧,其输出电压的差值即为双抽头变换器的端电压,与双抽头变换器连接的二极管依据端电压的正负交替导通,形成不流经负载的环流,与电路中的特定次谐波进行抵消,以提高整流器的谐波抑制能力。
实施例八:如图1至图6所示,本实施例将在上述实施例的基础上,对基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器进行***性的描述:
三组单相桥式不控整流电路对输入工频交流电进行不控整流,将其整流成双脉动波。本实施例设定中高频移相变压器的工作频率为500Hz,以电力电子变换器(由单相桥式不控整流电路和单相全桥逆变电路构成)的开关函数除以单相桥式不控整流电路的开关函数,可得单相全桥逆变电路的开关函数,即单相全桥逆变电路中开关管的控制信号。本发明以第一组单相全桥逆变电路为例,给出了其开关管的PWM控制波形,如图2所示,SZ为第一组单相桥不控式整流电路的开关函数,SZN为电力电子变换器的开关函数,SN为第一组单相全桥逆变电路的开关函数。三组单相桥式不控整流电路和三组单相全桥逆变电路对输入工频交流电进行升频。基于电磁感应原理,副边曲折型绕制的双反星型变压器输出两组幅值相等,相位相差180°的三相电压,即两组三相半波整流电路的输入电压,根据各绕组的匝比和极性关系,结合图3,可得两组副边输出电压分别超前原边输入电压30°和210°,其a相分别如图4所示。两组三相半波整流电路对输入的高频交流电进行整流,第一组三相半波整流电路的输出电压为ud1,第二组三相半波整流电路的输出电压为ud2。两组三相半波整流电路的输出分别接在双抽头变换器两侧,其差值决定了双抽头变换器和其连接的二极管的工作模态。当ud1>ud2时,谐波抑制电路工作在模态I,结合图5,此时up>0,二极管DP导通,DQ关断,产生自P流向Q的环流amId(am为抽头点至双抽头变换器中点的绕组匝数与双抽头变换器的总匝数之比);当ud1<ud2时,谐波抑制电路工作在模态II,结合图6,此时up<0,二极管DQ导通,DP关断,产生自Q流向P的环流amId。通过控制双抽头变换器的匝比,可使该环流与输入电流中的特定次谐波相抵消,使输入电流阶梯数翻倍,波形近似正弦化。当匝比am为0.232时,12脉波整流器的输入电流THD值最小,最小值为15.2%。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式,而且本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,其特征在于,所述基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器包括三组单相桥式不控整流电路(1)、三组单相全桥逆变电路(2)、控制电路(3)、中高频移相变压器(4)、第一组三相半波整流电路(5)、第二组三相半波整流电路(6)、双抽头变换器(7)、二极管(8)和负载(9),输入三相交流电usa、usb和usc分别接在三组单相桥式不控整流电路(1)的输入端,三组单相桥式不控整流电路(1)的输出端分别接三组单相全桥逆变电路(2)的输入端,控制电路(3)生成所需的PWM控制信号控制三组单相全桥逆变电路(2)中开关器件的通断;三组单相全桥逆变电路(2)的输出端与高频移相变压器(4)的输入端连接,基于电磁感应原理,中高频移相变压器(4)的两个副边绕组输出两组幅值相同,相位相差180°的三相电压;第一组三相半波整流电路(5)的输入端与中高频移相变压器(4)的输出端a1、b1、c1相连,第二组三相半波整流电路(6)的输入端与中高频移相变压器(4)的输出端a2、b2、c2相连,第一组三相半波整流电路(5)和第二组三相半波整流电路(6)的输出端接在双抽头变换器(7)的两侧,两个二极管(8)的阳极分别接双抽头变换器(7)的两个抽头端,两个二极管(8)的共阴极点接负载(9)。
2.根据权利要求1所述的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,其特征在于,所述三组单相桥式不控整流电路(1)均采用二极管作为开关器件。
3.根据权利要求1所述的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,其特征在于,所述三组单相全桥逆变电路(2)均采用IGBT作为开关器件。
4.根据权利要求1所述的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,其特征在于,中高频移相变压器(4)采用隔离结构,由三个芯柱组成,每个芯柱上有五个绕组,一个绕组为原边绕组,另外四个绕组分别属于各副边绕组的一部分,五个绕组的匝比为中高频移相变压器(4)原边的三个绕组相互独立,副边绕组在星型联结的基础上,将每相绕组分成匝数相同的两部分,以右行排布的方式分别绕制在两个不同的铁芯柱上,并反向串联联结;绕组a、绕组b和绕组c组成中高频移相变压器(4)的原边绕组,绕组a1、绕组b1和绕组c1组成中高频移相变压器(4)的一组副边绕组,绕组a2、绕组b2和绕组c2组成中高频移相变压器(4)的另一组副边绕组。
5.根据权利要求1所述的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,其特征在于,所述第一组三相半波整流电路(5)和第二组三相半波整流电路(6)均采用二极管作为开关器件。
6.根据权利要求1所述的基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器,其特征在于,所述双抽头变换器(7)和二极管(8)共同组成谐波抑制电路,抽头点至双抽头变换器(7)中点的绕组匝数与双抽头变换器(7)的总匝数之比为0.232时,输入电流总谐波畸变率最小。
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