CN101442264A - 一种双三相功率整流电源 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种双三相功率整流电源，该双三相功率整流电源包括：一个三相变压器、两个三相桥式整流单元及滤波电路，其特征在于，所述两个三相桥式整流单元的输入端串加有适当的移相电源使得移相后的两个三电源的线电压大小和电网线电压相等，相位相差π/6电角度。该电源克服了现有电源负载功率全部通过整流变压器T转换，T的容量大、体积和重量大、同时电源的成本也大的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及三相整流电源，特别涉及向两个电压和功率一样的负载供电的双三相整流电源。
背景技术
三相工频电网供电的功率整流电源，负载一般是调速装置中功率逆变电路，所需直流电压较高，功率较大。
直流输出采用电容滤波的三相桥式整流电源，其某一相输入电流i1的波形如图1(a)所示，正负半波各有相距π/3电角度的电流脉冲i0，i0峰值所在处与对整流电源供电的线电压相位基本一致。如果用线段形式表示i0，就得到图1中的(b)，线段的长度表示i0基波电流或直流电流的大小。
除了基波电流之外，i1中含有相当大的谐波电流，当i1直接由电网供给时，过大的谐波电流会产生电网公害，既增加供电设备和线路的功耗，又会引起供电电压的畸变，影响别的用电装置的工作。所以必须减小网侧供电电流的谐波电流。
i1谐波电流的大小与电流脉冲i0的形状有关，图2(a)是放大了的电流脉冲的波形，导通角小于π/3电角度。如果三相桥式整流电源的直流输出端串联直流电抗器，或者在三相交流输入端串联交流电抗器，则电流脉冲i0的波形变为图2中的(b)或(c)，i0以及i1的谐波电流都有所减小。
电流脉冲i0中含有直流分量，基波分量和各种谐波分量，但电流i1中只含有基波和6m±1次谐波分量(m为正整数)，理论上已消去其他谐波。这是由i1的脉冲组成所决定的，可见适当改变脉冲组成也是有效减小谐波电流的办法。
采用包含两个三相桥式整流单元的双三相整流电源，经过整流变压器的转换，尽管三相桥式整流单元的输入电流仍为i1，但网侧供电电流已变为i2。i2的脉冲组成如图3(a)或(b)所示，正负半波各有间距π/3电角度的六个脉冲，且线段的顶端包络线为一正弦波。分析表明，i2只含有基波和12m±1次谐波(m为正整数)。
并联式的双三相整流电源的电路如图4所示，两个桥式整流单元U1和U2的直流输出并联，共同向滤波电容和负载提供电流。串联式的双三相整流电源稍有不同，接有滤波电容的两个三相桥式整流单元的输出串联，向负载输出的直流电压相加。
在双三相整流电源中，三相桥式整流单元U1和U2的三相电源由整流变压器厂的副边分组供给。两组副边绕组间绝缘，所供给的线电压大小相等，相位均匀地错开π/6电角度。变压器T的原边一般与副边绝缘，原副边间变比适当选取，相位上则无要求，图3中(a)中，电网相电压与副边线电压间相位差为零，图3(b)则为π/12电角度。
整流变压器T的原副边绕组可采用多种接法，图4中原边11采用三角形接法，副边21、22则为带延长的三角形，两组副边21、22绕组的结构元素一样，只是延长边不同，呈转向相反的对称。
为了进一步减小网侧供电电流的谐波分量，整流变压器T的副边有一定的尽可能相等的漏感。漏感的作用相当于三桥桥式整流单元U1和U2的三相输入上串联交流电抗器，可以减小电流脉冲i0的谐波电流。
在图4所示双三相整流电源中，三相电网输入端接有限制上电电流过大的电路10，上电时电阻R接入，上电完毕后，接触器KM的触点把R短接。电阻R的接入还使整流电源的直流输出电压缓慢上升，防止上电过程中产生过电压。
上述双三相整流电源的技术性能相当好，网侧供电电流的谐波电流小，电源的功率因数和效率高，性能很可靠，存在的缺点是负载功率全部通过整流变压器T转换，T的容量大，体积和重量大，同时电源的成本也大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双三相功率整流电源，该双三相功率整流电源可以克服现有技术中负载功率全部通过整流变压器T转换，T的容量大、体积和重量大、同时电源的成本也大的缺点。
本发明的双三相功率整流电源，包括：一个三相变压器、两个三相桥式整流单元及滤波电路，其特征在于，所述三相桥式整流单元一个由电网直接供电，在另一个所述三相桥式整流单元中输入端串接有移相电源，使得移相后的三相电源的线电压大小和电网线电压相等，相位移动π/6电角度。
本发明的双三相功率整流电源的特征还在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端接有规格相同、彼此独立的L/C滤波电路。
本发明的双三相功率整流电源的特征还在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端连接有L/C滤波电路，所述L/C滤波电路的两个电感为一只耦合电抗器的二个线圈，二个线圈相互绝缘，同相地耦合在一个磁路上，直流通过时磁通相加，两个线圈匝数比为1：1，规格一致，相互间具有相等的漏感。
本发明的双三相功率整流电源，包括：一个三相变压器、两个三相桥式整流单元及滤波电路，其特征在于，所述两个三相桥式整流单元输入端串接有移相电源，该移相后的三相电源的线电压大小相等，相位相对电网线电压方向相反地移动π/12电角度。
本发明的双三相功率整流电源的特征还在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端接有规格相同、彼此独立的L/C滤波电路。
本发明的双三相功率整流电源的特征还在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端连接有L/C滤波电路，所述L/C滤波电路的两个电感为一只耦合电抗器的二个线圈，二个线圈相互绝缘，同相地耦合在一个磁路上，直流通过时磁通相加，两个线圈匝数比为1：1，规格一致，相互间具有相等的漏感。
该电源克服了现有电源负载功率全部通过整流变压器T转换，T的容量大，体积和重量大，同时电源的成本也大的缺点。
附图说明
图1是现有技术中用电容滤波的三相桥式整流电源的输入电流图，其中，(a)是波形图，(b)是用线段表示的脉冲组成图。
图2是现有技术中三相桥式整流电源中组成输入电流的电流脉冲波形图，其中，(a)是只在输出端接滤波电容的波形图，(b)是在输出端串联直流电抗器的波形图，(c)是在三相输出端串联交流电抗器的波形图。
图3是现有技术中双三相整流电源的网侧供电电流的脉冲组成图。
图4是现有技术中并联式双三相整流电源电路图。
图5是本发明的双三相整流电源的结构示意图，(a)是单移时的结构示意图，(b)是双移时的结构示意图。
图6是采用耦合电抗器后的电流脉冲波形，(a)是负载电流小于临界电流时的波形图，(b)是负载电流大于临界电流时的波形图。
图7是本发明的自耦移相的双三相整流电源单移时所需三相电源的接法。
图8是本发明输出电压等于电网电压的双移式三相整流电源的接法。
图9是一种简化了接法的双移式三相电源。
图10是本发明的采用耦合电抗器的双三相整流电源示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的双三相功率整流电源进行详细说明。图5是本发明的双三相整流电源的结构示意图，(a)是单移时的结构示意图，(b)是双移时的结构示意图。图中，T为移相变压器，该移相变压器的原边采用三角形接法，因为其副边线圈所提供的电压在相位上与电网相电压相差π/2电角度，在移相上起主要作用。移相变压器T的副边的每相绕组最多由两个线圈串成，对应于单移或双移两种形式，移相变压器T共有3个或6个副边绕组。在图5(a)中，直接通过电网向三相桥式整流单元4(U1)供电，而在三相桥式整流单元5(U2)的输入端接入了移相电源3，通过移相变压器T的副边绕组对三相电源进行移相，移相后的线电压大小和电网电压相等，相位移动π/6电角度。
图7示为获得移相电源3的接法，图中A、B、C为三相电网输入端，在输入端间接有变压器T的原边绕组。A1、B1、C1为这个电源的三相输出端。在A与A1、B与B1、C与C1间接有作为移相电源的副边绕组。每个副边绕组有两个线圈串联而成，线圈所在的方位与其同一芯柱上的原边绕组平行。
图中可引入有关线段，以线段长度来表示电压的大小。引入中点0，对A相来说，OA表示电网相电压，OA1表示输出电源相电压，AA1表示移相电源的电压.显然(AA1/OA)＝2sin(π/12)。把此值除2，得到的sin(π/12)＝0.259，此为变压器副边容量与负载总功率之比。
在图5(b)中，在三相桥式整流单元4’(U1)的输入端接入了移相电源2’，三相桥式整流单元5’(U2)的输入端接入了移相电源3’，两组三相电源输出的线电压大小相等，相位相对电网线电压方向相反地移动π/12电角度。
如果要求三相桥式整流单元4’和三相桥式整流单元5’的电源的相电压都和电网相电压相等。其接法如图8所示，对应于电网三相输入A、B、C，A1、B1、C1是为三相桥式整流单元4’的电源的第一电源的三相输出端，A2、B2、C2是为三相桥式整流单元5’的电源的第二电源的三相输出端，用来获得第一电源和第二电源的移相绕组一共有6个。变压器的副边容量与负载总功率之比为2sin(π/24)＝0.261。
双移时，第一电源和第二电源具有相同的内阻抗，对称性好，但图8所示方案，作为移相电源的副边绕组，每个都由两个线圈串成，比较复杂，也容易出错。如图9所示为一种简化方案，用一个线圈来产生移相电源。这时变压器副边容量与负载总功率之比又变为sin(π/12)＝0.259，需要注意的是第一电源和第二电源的电压要比电网电压大CSC(π/12)＝1.035倍。
单移时，本发明的网侧供电电流具有图3(a)所示的脉冲组成，如果是双移，就变为图3(b)所示的脉冲组成。在减小网侧供电电流的谐波值上，两者的效果相同。
图6是采用耦合电抗器后的电流脉冲波形，(a)是负载电流小于临界电流时的波形，(b)是负载电流大于临界电流时的波形。采用耦合电抗器，如果漏感和负载电流不大，那么电流脉冲i0的波形近似的为图6(a)所示的梯形，与图2中所列举的都不同，为便于对比，图6(a)中用虚线画出了图2中的(b)。从图6(a)可见，电流脉冲也有平坦的顶部，幅值是两个负载电流的和，基于两个负载电流相等，幅值就是一个负载电流的两倍。同时，电流上升的始端被延后π/12电角度，电流下降的始端提前π/12电角度，i0的最小导通角为π/6电角度。由于存在着漏感，i0中电流的升降皆有一个变化过程，使得导通角随着负载电流的加大而大。到了临界状态，梯形波顶部平坦部分消失，梯形变为三角形。
本发明的双三相功率整流电源，用两只直流电抗器L1和L2的L/C滤波电路分别串联在两个三相桥式整流单元的输出上，来减少电流脉冲i0的谐波分量，如图5所示。
所述L/C型滤波电路中的两个电感可以是二只独立的电抗器，也可以是一只电抗器的两个独立的电感，例如在一个三柱铁心上，只在旁边二个芯柱绕有电感线圈，中间芯柱空着。把两个电感做在一起，可减少两个电抗器所占用的空间，中间芯柱中通过的直流磁通抵消，相当于缩短了磁路长度，可以增大线圈的电感。
图10所示，为减小电流脉冲谐波电流的另一种方式，在三相桥式整流单元U1和U2的输出端接上耦合的直流电抗器。L/C滤波电路的两个电感为一只耦合电抗器的二个线圈，二个线圈相互绝缘，线圈L1和L2在一个铁芯中同相耦合在一个磁路上，负载电流通过时，铁芯中的磁通相加。两个线圈匝比为1：1，规格一致，相互间具有相等的漏感。
共同耦合电抗器把一个三相桥式整流单元输出脉冲的交流分量耦合到另一个单元的输出上，U1和U2两个单元轮流导通，换向时铁芯中的磁通不变，通过改变滤波电容上的直流电压，来使U1和U2输出电流的平均值分别为Id1和Id2，结果输出电流中电流脉冲有平坦的顶部，其幅值为电流和(Id1+Id2)，导通角则分别为(π/3)Id1/(Id1+Id2)和(π/3)Id2/(Id1+Id2)。
电流脉冲波形比单纯电容滤波时稳定，其谐波分量已经比较小，为了进一步减小电流脉冲的谐波分量，本发明的共耦电抗器的两个线圈耦合时有相等的漏感。
由于电感线圈存在着漏感，电流脉冲中电流的升降就有一个过程，使得电流脉冲的导通向后扩展，所增加的角度叫重叠角。在重叠角所对应的时间t0里，U1和U2两个整流单元电源脉冲同时存在，一个单元电流脉冲电流下降的同时，另一个单元电流脉冲的电流增长，两者之和保持不变。
电流脉冲的波形，一般如图6(a)所示，近似地为一梯形波。重叠角的大小与线圈漏感和负载电流成正比，随着负载电流加大而加大。到了临界状态，重叠角达到π/6，亦即导通角等于π/3，梯形波顶平坦部份不再存在，电流脉冲的波形变为三角形。
如果负载电流超过了临界电流，那么重叠角和导通角不再增大，电流脉冲的波形变为图6(b)中虚线所示那样，在三角形下增加一个方波部份。两个整流单元电流脉冲叠加起来，上升段正好与下降段填平，填平后幅值仍为负载电流之和(Id1+Id2)。
图6所示电流脉冲波形中，导通角的变大和平台部分的变小，非常有利于电流脉冲及网侧供电电流低次谐波的减小。另外换相时电流也比一般直流电抗器时小，这有利于减小网侧供电电流中的高次谐波。
Claims (6)
1、一种双三相功率整流电源，包括：一个三相变压器、两个三相桥式整流单元及滤波电路，其特征在于，所述三相桥式整流单元一个由电网直接供电，在另一个所述三相桥式整流单元中输入端串接有移相电源，使得移相后的三相电源的线电压大小和电网线电压相等，相位移动π/6电角度。
2、如权利要求1所述的双三相功率整流电源，其特征在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端接有规格相同、彼此独立的L/C滤波电路。
3、如权利要求1所述的双三相功率整流电源，其特征在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端连接有L/C滤波电路，所述L/C滤波电路的两个电感为一只耦合电抗器的二个线圈，二个线圈相互绝缘，同相地耦合在一个磁路上，直流通过时磁通相加，两个线圈匝数比为1：1，规格一致，相互间具有相等的漏感。
4、一种双三相功率整流电源，包括：一个三相变压器、两个三相桥式整流单元及滤波电路，其特征在于，所述两个三相桥式整流单元输入端均串接有移相电源，该移相后的三相电源的线电压大小相等，相位相对电网线电压方向相反地移动π/12电角度。
5、如权利要求4所述的双三相功率整流电源，其特征在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端接有规格相同、彼此独立的L/C滤波电路。
6、如权利要求4所述的双三相功率整流电源，其特征在于，在所述两个三相桥式整流单元的直流输出端连接有L/C滤波电路，所述L/C滤波电路的两个电感为一只耦合电抗器的二个线圈，二个线圈相互绝缘，同相地耦合在一个磁路上，直流通过时磁通相加，两个线圈匝数比为1：1，规格一致，相互间具有相等的漏感。
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