CN201360226Y - 一种低电压大电流的可调直流电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低电压大电流可调直流电源，它包括变压器及与变压器相连的调压电路和整流电路，原边调压副边整流，电压器采用双反星形接法。本实用新型功率因数高，谐波小，热耗小，具有结构简单、节约能耗的特点，适用于单晶炉、电镀、电解等行业作加热电源。

Description

一种低电压大电流的可调直流电源

技术领域

本实用新型涉及一种直流加热电源，具体地说是一种低电压大电流可调电源。

背景技术

目前，普遍使用的低电压大电流的可调直流加热电源主要由Y/Δ接法的变压器及其调压电路、带平衡电抗器的整流电路组成，为几十伏上千安培，在变压器二次侧调压。这样的电源组成存在变压器的损耗大、变压器的漏抗影响市电、谐波较大、功率因数低的缺陷。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种在变压器原边进行调压、副边进行不可控整流的低电压大电流的可调直流电源，具有功率因数高、节能的特点，适用于单晶炉、电镀、电解等行业作加热电源。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种低电压大电流的可调直流电源，包括变压器及与变压器相连的调压电路和整流电路，变压器调压电路接于变压器的原边。

作为本实用新型的改进，所述调压电路由控硅晶闸管G₁-G₆构成的三个支路组成，每一支路由反相并联的两只可控硅晶闸管构成，其每一支路分别串接在变压器输入回路中。

作为进一步改进，所述变压器采用双反星形接法，其整流电路接于变压器的输出端。

整流电路为三相全控整流电路，组成整流电路的二极管D₁-D₆分别接于变压器每相的输出端。

所述变压器原边A、B、C三相的输入端分别串接有熔断器FU_A、FU_B、FU_C。

本实用新型使用时原边接交流电，将负载接于变压器副侧两端即可。

由于采用了上述技术方案，本实用新型与现有普通低电压大电流直流电源相比，具有如下特点：

①在变压器的原边进行调压，在负载相同的情况下，电流小，变压器损耗要小；

②采用双反星形接法，变压器的漏抗不影响市电，所以谐波小，功率因数高；

③采用三相全控整流，电压波形连续，电流波形连续。

④在每周期(20ms)内，每个二极管平均导通时间与现有直流电源的每个晶闸管导通时间同为6.7ms，但本实用新型的电流值小一半，热损耗小，有利于散热；

⑤熔断器安装位置不同，热损也不同：根据Q＝i²Rt，因本实用新型的电流比现有电源的电流小很多，所以热损耗也小很多。

综上，本实用新型与现有现有的低电压大电流直流电源相比，所取得的技术进步在于：功率因数高，谐波小，热耗小，具有结构简单、节约能耗的特点，适用于单晶炉、电镀、电解等行业作加热电源。

下面本实用新型将结合说明书附图与具体实施例做进一步详细说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电原理图；

图2为图1所示实施例在实际应用中交流侧电压波形图；

图3为与图2相应的直流侧电压波形图；

图4为一种现有普通电源的电原理图。

具体实施方式

下列实施例只用于进一步说明本实用新型，并不限定本实用新型。

实施例(一)

一种低电压大电流的可调直流电源如图1所示，包括变压器及其调压电路、整流电路。其中变压器采用双反星形接法，调压电路设于变压器的原边侧。

调压电路包括由可控硅晶闸管G₁-G₆组成的三个支路，分别串接于变压器原边A、B、C三相的输入端与绕组间的线路中。其中接入A相进线侧中的支路由可控硅晶闸管G₁、G₄反向并联组成；相应地，接入B相进线侧中的支路由可控硅晶闸管G₂与G₅反向并联组成；接入C相线路中的支路由可控硅晶闸管G₃与G₆反向并联组成。变压器原边A、B、C三相的输入端分别串接有熔断器FU_A、FU_B、FU_C

变压器副边绕组U、V、W、U′、V′、W′相互并接，其中绕组U′、V′、W′与其它绕组U、V、W的极性相反；所述整流电路为三相全控整流即六相半波整流电路，由二极管D₁-D₆组成，其中二极管D₁、D₃、D₅的正级分别与绕组U、V、W的入线侧串接，另三支二极管D₂、D₄、D₆的正级分别与绕组W′、U′、V′的出线侧串接，接入点位于绕组U、V、W、U′、V′和W′相互并联前。

本实施例应用作单晶炉加热电源时与应用图4所示普通直流电源的实际效果如下：

①节能分析

(1)应用设备热损耗分析

同一时间，同一地点，额定功率同为60kw的两套直拉单晶炉，分别生产45kg的8英寸单晶硅，输入由市电三相交流380V提供，相关数据如下：

上述测试数据在交流A、B、C三相进线侧进行的，在整个过程中，使用普通直流电源的设备实际用电功率57.7kw；使用本实施例所提供直流电源的设备，实际用电功率为49.8kw，节约电能180kwh，节能12％。每度电按照0.8元计算，可节省144元。每台单晶炉每年可节省用电6万度，合计4.8万元。

(2)电源热效率分析

在单位时间内，直流侧输出功率相差2.24kw，这是由单晶炉炉体本身的因素造成的，如：热场效应，循环水冷等，可忽略不计。

三相全控整流可以看作是六相半波整流。假设整流装置的交流测电压波形如图3所示，同时假设变压器的变比为8∶1，直流电压有效值为：

$U_e=\sqrt{\frac{6}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{\mathrm{\α}}^{\frac{\mathrm{\π}}{3}}{(\sqrt{2}*U_2*\sin \mathrm{\ωt})}^{2}d\left(\mathrm{\ωt}\right)}---\left(1\right)$

$=0.977*U_2*\sqrt{0.957-0.5*\sin 2\mathrm{\α}-\mathrm{\α}}$

由实验数据、图1得出本实施例的α＝13°，由图4得出现有直流电源α＝8°。因此可知：本实施例电压波形连续，电流波形连续。

(3)二极管，晶闸管以及熔断器的损耗分析

半导体二极管的伏安特性曲线，在导通时刻，管子的经过的电流是以管子压降的指数形式增长，所以我们取管子在导通期间的最大压降为计算值。

a.图1中，选择二极管，综合考虑其参数，仅做参考，其为通态平均电流2000A，通态峰值电压1.7V，在任一时刻，消耗功率为P＝UI＝1.7×1360＝2312(W)；

晶闸管的通态平均电流为300A，通态峰值电压2.3V，在任一时刻，消耗功率为P＝UI＝2.3×300×2＝1380(W)；

熔断器选择额定电流＜160A，由西熔提供的数据，损耗＜12W，取最大值12W。

实施例所提供的直流电源，其总的热损耗为P＝2312+1308+12×3＝3656(W)。

b.在图4中，选择晶闸管，其通态平均电流为2000A，通态峰值电压为2.6V，在任一时刻，消耗功率为P＝UI＝2.6×2000×2＝10400(W)；

熔断器选择额定电流2000A，损耗＜110W，取最大值110W。

图4所示现有产品的总损耗为p＝10400+110×2＝10620(W)。

c.从以上推导可以看出，现有普通直流电源的损耗是本实用新型实施例的损耗的3倍左右。

(4)变压器的损耗分析

变压器的损耗与选择的铁磁材料、制造工艺有关，也和一次侧输入电压的大小、负载大小、频率大小有关，涉及因素很多，现在我们只作定性的分析。假设除了变压器外，其它条件均为理想条件，电力元器件没有损耗，α＝30°，γ＝0，电流电压稳定，变压器绕组的直流电阻也相同。那么，变压器的损耗包括铜耗和铁耗两部分。

a.铜耗  包括基本铜耗和附加铜耗，基本铜耗是绕组的直流电阻引起的，它等于电流的平方和直流电阻的乘积；附加铜耗包括由漏磁场引起的集肤效应使导线有效电阻变大而增加的铜耗、多根导线并绕时内部环流的损耗等。附加铜耗和基本铜耗一样，与负载电流的平方成正比。附加铜耗难于准确计算，所以，可以认为它们大约为基本铜耗的0.5～5％。

参考图1，本实施例中变压器的副边绕组的u相电压u’相电压，v和v’，w和w’均相差180°，所以电流也相差180°，它们的幅值相等。以任意一相为例，相电流iu和iu′出现时刻虽然不同，但其平均值都为i/6，平均电流相等而绕组极性相反，所以互相抵消了直流安匝，消除了直流磁通势。在任一时刻，有两只二极管导通，通过每个二极管的平均电流是i/2，所以，在任一时刻，基本铜耗为Pcu＝(i/2)²×R×2＝(i²R)/2＝(1360²×R)÷2＝924800R(W)。

图1中，共阴极组正半周期导电，流经变压器是正向电流，共阳极负半周期导电，流经变压器是负向电流，变压器器绕组中也没有直流磁通势。在任一时刻，有两只晶闸管导通，通过每个晶闸管的平均电流为i，所以，在任一时刻，基本铜耗为Pcu＝i²R×2＝1240²×R×2＝3075200R(W)。

可见，现有普通直流电源的基本铜耗是本实用新型实施例的3.29倍。

b.铁耗  包括基本铁耗和附加铁耗，基本铁耗时变压器铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，近似与一次侧输入电压的平方成正比；附加铁耗主要由制造工艺引起的，也近似地与输入电压成正比，附加铁耗难于准确计算，一般为基本铁耗的15～20％。

本实用新型实施例基本铁耗为Pfe＝U²/R＝47.5²/R＝2256.25/R(W)

现有普通直流电源的基本铁耗为Pfe＝U²/R＝380²/R＝144400/R(W)

可见，现有普通直流电源的基本铁耗大约是本实用新型实施例的64倍。

在计算某一部分损耗时，我们认为其他条件都是理想的。从设备实际运行记录数据也证明：上述的推论是正确的。

②谐波和功率因数分析、漏抗的影响

在以上的推论中，都忽略了变压器的漏感，但实际上变压器的绕组上总是存在漏感的。所以，电流从I突然下降到0，或者电流从0上升到I，电流换相要经过一段时间，不能瞬间完成。因此，换相过程所对应的这段时间我们用换相重叠角以γ表示。假设两种变压器每相折算到二次侧的漏抗Xb相等，由三相桥式全控整流的公式

$\cos \mathrm{\α}-\cos (\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_2)=2*I_d{X}_B/\sqrt{6}{U}_2---\left(2\right)$

六相半波不可控整流公式

$\cos \mathrm{\α}-\cos (\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_1)=\sqrt{2}*I_d{X}_B/U_2---\left(3\right)$

把α＝0代入，

$\frac{1-\cos {\mathrm{\γ}}_2}{1-{\cos \mathrm{\γ}}_1}=2/\sqrt{3}---\left(4\right)$

计算得得出γ2＞γ1，即图1即现有普通直流电源的重叠角大于图2即本实用新型实施例的重叠角。重叠角越大，致使相电压波形出现缺口越深，造成电网波形畸变越严重，也使整流装置的功率因数下降，电压脉动系数增加。

综合上述的理论及实际数据分析可知：在变压器的原边进行调压、副边进行全控整流的直流电源和传统电源相比，具有功率因数高，节能的优点。

Claims (5)

1、一种低电压大电流的可调直流电源，包括变压器及与变压器相连的调压电路和整流电路，其特征在于：变压器调压电路接于变压器的原边。

2、如权利要求1所述的一种低电压大电流的可调直流电源，其特征在于：所述调压电路为由控硅晶闸管(G₁-G₆)构成的三个支路组成，每一支路由反相并联的两只可控硅晶闸管构成，其每一支路分别串接在变压器输入回路中。

3、如权利要求1或2所述的低电压大电流的可调直流电源，其特征在于：所述变压器采用双反星形接法，其整流电路接于变压器的输出端。

4、如权利要求3所述的低电压大电流的可调直流电源，其特征在于：整流电路为三相全控整流电路，组成整流电路的二极管(D₁-D₆)分别接于变压器每相的输出端。

5、如权利要求1所述的一种低电压大电流的可调直流电源，其特征在于：所述变压器原边A、B、C三相的输入端分别串接有熔断器(FU_A、FU_B、FU_C)。

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