CN101777826A - 一种变换器装置及用于该变换器装置的辅助电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变换器装置及用于该变换器装置的辅助电路，所述变换器装置包括主功率变压器，所述辅助电路包括连接在所述主功率变压器副边的辅助绕组，所述辅助电路用于为所述变换器装置进行软启动，实施本发明的技术方案，可在变换器装置启动前，通过辅助电路中的辅助绕组，用低压侧取电为主功率变压器的副边绕组励磁，进而为变换器装置的各个功率单元中的直流母线电容充电，使母线电压逐渐上升，以避免对变压器或其它功率硬件产生较大的冲击，因此，相比分别对每个功率单元都要进行软启动，该辅助电路的成本较低。

Description

一种变换器装置及用于该变换器装置的辅助电路

技术领域

本发明涉及变换器领域，更具体地说，涉及一种变换器装置及用于该变换器装置的辅助电路。

背景技术

针对大容量中高压应用场合，图1是中高压变换器的拓扑结构图，如图1所示，中高压变换器大致分为两类，分别是直接变换式和间接变换式。对于直接变换方式，周波变换器是在大功率场合最常用的拓扑，但一般只能实现降频变换，在交流调速场合应用受到限制。直接变换形式虽然没有中间直流环节及相应储能元件，节省了一定的成本和体积，但是没有储能环节，不能解决电网电压瞬时跌落带来的一系列问题。矩阵变换器也属于直接变换方式，但其应用于大功率场合的可行性还有待研究。

对于间接变换方式，根据电源形式的不同，分为电流源型与电压源型两类。对于电流源型，脉宽调制电流源型变换器(PWM-CSI)和负载换流逆变器(Load Commutated Inverter，LCI)是其中的两大主要拓扑，容错能力较差、动态响应较慢、直流电感体积重量大等是其主要的不足，但导通损耗小等优点使其在特大功率(大于20MW)的应用场合能获得较高的效率而得到广泛的使用。对于电压源型，其中的多电平逆变器(MLI)相对于两电平电压源型变换器(VSI)，在电压电流谐波控制、开关损耗、电机绝缘性能以及抗电磁干扰等方面具有明显的优势。而对于多电平逆变器，大体可分为箝位型(包括二极管箝位型，电容箝位型，以及层叠型)和级联型拓扑。级联型拓扑作为多电平逆变器是最早出现的一种，也是目前工业应用最为广泛的一种拓扑形式。

以变换器的级联拓扑为例，在图2示出的变换器级联拓扑的结构图中，该级联拓扑包括多个功率单元100(A1、B1、C1、A2、B2、C2…)，该多个功率单元连接在主功率变压器T1的副边绕组。图3是图2中的一个功率单元的电路图，在功率单元100中，输入电压经二极管整流(也可以是混合整流、有源整流)后，连接到高压电网，通过直流母线将电能传输到变电所。在连接到高压电网前，需要建立直流母线电压，通常每个功率单元中都有直流母线电容C11、C12，然而，直流母线电容一般容量较大，这就需要一个预充电或是软启动电路，使母线电压逐渐上升，以避免对变压器或其它功率硬件产生较大的冲击，包括电应力和机械应力。在变换器拓扑中，由于功率单元的数目较多，这样每一个功率单元都要有软启预充电电路，如此多数目的软启预充电电路必然会使成本增高。

如何能以较低的成本实现为变换器装置进行软启动，减小对变压器和其它功率硬件的冲击是人们一直渴望解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种变换器装置及用于该变换器装置的辅助电路，能以较低的成本实现变换器装置的软启动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于变换器装置的辅助电路，所述变换器装置包括主功率变压器，所述辅助电路包括连接在所述主功率变压器副边的辅助绕组，所述辅助电路用于为所述变换器装置进行软启动。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助电路还用于指示所述变换器装置是否是由所述主功率变压器的输入电压上电。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助电路还用于检测所述主功率变压器的输入电压。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助电路还用于为变换器装置提供电源冗余。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助电路还用于所述变换器装置的整机调试。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助电路还包括第一断路器、限流电阻、第一接触器、第二断路器，其中，第一断路器的一端接低压侧电源，其另一端通过所述限流电阻、第一接触器、第二断路器连接所述辅助绕组。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述变换器装置还包括控制器和为控制器供电的电源模块，所述辅助电路还包括第二接触器、第一辅助电源断路器和变压器；所述第二接触器的一端连接所述第一接触器与所述第二断路器的交汇点，其另一端连接所述电源模块；所述第一断路器的所述另一端还依次通过第一辅助电源断路器、变压器连接所述电源模块。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述变换器装置还包括用于散热和冷却的若干风机，所述辅助电路还包括第三断路器、第三接触器和第四接触器；所述第一断路器的所述另一端还通过所述第三断路器(MCCB3)和第三接触器连接所述若干风机；所述第四接触器的一端连接所述第一接触器与所述第二断路器的交汇点，其另一端连接所述若干风机。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助电路还包括第二辅助电源断路器，所述第二辅助电源断路器的一端连接交流市电，另一端连接电源模块。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助绕组的输出端连接有指示灯。

在本发明所述的用于变换器装置的辅助电路中，所述辅助电路还包括连接在所述辅助绕组和所述控制器之间的电压互感器。

本发明还构造一种变换器装置，包括主功率变压器、变换器拓扑、控制器、为控制器供电的电源模块和用于散热和冷却的若干风机，所述变换器拓扑连接所述主功率变压器的至少一个副边绕组，还包括辅助电路，所述辅助电路包括连接在所述主功率变压器副边的辅助绕组，所述辅助电路用于为所述变换器拓扑进行软启动。

在本发明所述的变换器装置中，所述辅助电路还包括第一断路器(MCCB1)、限流电阻、第一接触器、第二断路器，其中，第一断路器的一端接低压侧电源，其另一端通过所述限流电阻、第一接触器、第二断路器连接所述辅助绕组。

在本发明所述的变换器装置中，所述辅助电路还包括第二接触器、第一辅助电源断路器和变压器；所述第二接触器的一端连接所述第一接触器与所述第二断路器的交汇点，其另一端连接所述电源模块；所述第一断路器的所述另一端还依次通过第一辅助电源断路器、变压器连接所述电源模块。

在本发明所述的变换器装置中，所述辅助电路还包括第三断路器、第三接触器和第四接触器；所述第一断路器的所述另一端还通过所述第三断路器和第三接触器连接所述若干风机；所述第四接触器的一端连接所述第一接触器与所述第二断路器的交汇点，其另一端连接所述若干风机。

在本发明所述的变换器装置中，所述辅助电路还包括第二辅助电源断路器，所述第二辅助电源断路器的一端连接交流市电，另一端连接电源模块。

在本发明所述的变换器装置中，所述辅助绕组的输出端连接有指示灯。

在本发明所述的变换器装置中，所述辅助电路还包括连接在所述辅助绕组和所述控制器之间的电压互感器。

在本发明所述的变换器装置中，所述变换器拓扑为中压变换器拓扑和高压变换器拓扑。

在本发明所述的变换器装置中，所述变换器拓扑为多电平拓扑。

在本发明所述的变换器装置中，所述多电平拓扑为三电平拓扑、五电平拓扑或级联五电平拓扑。

实施本发明的变换器装置及用于该变换器装置的辅助电路，可在变换器装置启动前，通过辅助电路中的辅助绕组，用低压侧取电为主功率变压器的副边绕组励磁，进而为变换器装置的各个功率单元中的直流母线电容充电，使母线电压逐渐上升，以避免对变压器或其它功率硬件产生较大的冲击，因此，相比分别对每个功率单元都要进行软启动，该辅助电路的成本较低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是变换器拓扑分类图；

图2是变换器级联拓扑的结构图；

图3是图2中的一个功率单元的电路图；

图4是本发明变换器装置实施例一的电路图；

图5A是本发明用于变换器装置的辅助电路模态1的电路图；

图5B是本发明用于变换器装置的辅助电路模态2的电路图；

图5C是本发明用于变换器装置的辅助电路模态3的电路图；

图5D是本发明用于变换器装置的辅助电路模态4的电路图；

图5E是本发明用于变换器装置的辅助电路模态5的电路图；

图5F是本发明用于变换器装置的辅助电路模态6的电路图；

图5G是本发明用于变换器装置的辅助电路模态7的电路图。

具体实施方式

本发明提出的一种变换器装置及用于该变换器装置的辅助电路，通过辅助电路中的辅助绕组，从低压侧电源取电为主功率变压器的副边绕组励磁，进而为变换器装置的各个功率单元中的直流母线电容充电，使母线电压逐渐上升，以避免对变压器或其它功率硬件产生较大的冲击，因此，相比每个功率单元都要进行软启动，该辅助电路的成本较低。

图4是本发明变换器装置实施例一的电路图，在该电路中，变换器装置主功率变压器T1、变换器拓扑10、控制器U1、电源模块20和若干风机F1、F2、F3、F4、F5，其中，变换器拓扑10包括多个功率单元A1、…、A5、B1、…、B5、C1、…、C5，分别连接主功率变压器(T1)的多个副边绕组，电源模块20包括第一电源子模块U2、第二电源子模块U3和监测子模块U4，第一电源子模块U2和第二电源子模块U3用于将输入的交流电转换为直流电，且为控制器U1供电，监测子模块U4用于监测第一电源子模块U2和第二电源子模块U3的运行是否故障。若干风机F1、F2、F3、F4、F5分别为主功率变压器T1和变换器装置的其它功率元件散热和冷却。

该变换器装置还包括辅助电路30，该辅助电路30用于实现以下功能：为变换器装置进行软启动、指示所述变换器装置是否是由所述主功率变压器T1的输入电压上电、检测主功率变压器T1的输入电压、为变换器装置提供电源冗余、整机调试变换器装置。

辅助电路30包括辅助绕组、第一断路器MCCB1、第二断路器MCCB2、第三断路器MCCB3、第一辅助电源断路器MCB1、第二辅助电源断路器MCB2、第三辅助电源断路器MCB3、第一接触器CON1、第二接触器CON2、第三接触器CON3、第四接触器CON4、48V电池、变压器T2、限流电阻R1。

第一断路器MCCB1的一端连接低压侧电源，例如380V低压交流电，其另一端依次通过第一辅助电源断路器MCB1、变压器T2连接第一电源子模块U2；第一断路器MCCB1的另一端还通过第三断路器MCCB2、第三接触器CON3连接多个风机F1、F2、F3、F4、F5；第一断路器MCCB1的另一端还通过限流电阻R1、第一接触器CON1、第二断路器MCCB2连接所述辅助绕组，第二接触器CON2的一端连接第一接触器CON1和第二断路器MCCB2的交汇点，其另一端连接第二电源子模块U3，第四接触器CON4的一端连接第一接触器CON1和第二断路器MCCB2的交汇点，其另一端连接多个风机F1、F2、F3、F4、F5。48V电池的输出端通过第三辅助电源断路器MCB3连接供电子模块U5。

以下针对该辅助电路工作的各个模态说明其工作原理：

在图5A示出的本发明用于变换器装置的辅助电路模态1的电路图中，模态1是变换器装置启动前，从低压侧取电开启控制器U1的状态。首先，手动将低压输入供电回路的第一断路器MCCB1和第一辅助电源断路器MCB1闭合，如图5A中的加粗黑色线所示，低压侧电源输出的交流电经变压器T2降压成220V，降压后的220V交流电经第一电源子模块U2转换为直流电，为控制器U1供电。

在图5B示出的本发明用于变换器装置的辅助电路模态2的电路图中，模态2是变换器装置启动前，从低压侧取电为变换器拓扑10中各个功率单元的直流母线电容充电的状态。在控制器U1上电后，控制器U1控制第一接触器CON1闭合，然后闭合第二断路器MCCB2，如图5B中的加粗黑色线所示，这样低压交流电通过限流电阻R1和辅助绕组给主功率变压器T1的其它副边绕组(图5B未示出)励磁，进而为变换器拓扑10中各个功率单元的直流母线电容(图5B未示出)充电。

在图5C示出的本发明用于变换器装置的辅助电路模态3的电路图中，该模态3是变换器装置启动前，从低压侧电源取电为风机F1、F2、F3、F4、F5供电的状态。当检测到直流母线电容达到阈值后，例如阈值为800V，并将该检测结果发送至控制器U1，控制器U1则认为预充电完成，控制第一接触器(CON1)断开、第三接触器(CON3)闭合，且闭合第三断路器(MCCB3)，这样，如图5C中的加粗黑色线所示，低压交流电就可为风机F1、F2、F3、F4、F5供电。

在图5D示出的本发明用于变换器装置的辅助电路模态4的电路图中，该模态4是变换器装置启动完成后，从高压侧取电为控制器U1供电的状态。在预充电完成后，为保证控制器U1不间断供电，控制器U1控制第二接触器CON2闭合，如图5D中的加粗黑色线所示，这样就可以通过辅助绕组从功率变压器T1的高压侧取电，然后经第二电源子模块U3后转换为直流电，为控制器U1供电，同时，从低压侧取电经第一电源子模块U2也为控制器U1供电，这样，1+1冗余保证了控制器U1的供电可靠性。

在图5E示出的本发明用于变换器装置的辅助电路模态5的电路图中，该模态5是低压侧掉电后，从高压侧取电为控制器U1供电和为风机F1、F2、F3、F4、F5供电的状态。低压交流电掉电后，第三接触器CON3断开，第四接触器CON4闭合，如图5E中的加粗黑色线所示，这样就可从高压侧取电为控制器U1供电和为风机F1、F2、F3、F4、F5供电。

优选地，第三接触器CON3和第四接触器CON4为互锁接触器。

在图5F示出的本发明用于变换器装置的辅助电路模态6的电路图中，该模态6是低压侧和高压侧都掉电后，从电池取电为控制器U1供电的状态。在该实施例中，辅助电路还包括连接在第三辅助电源断路器MCB3和48V电池之间的第五接触器CON5，在第五接触器CON5闭合后，如图5F中的加粗黑色线所示，48V电池通过供电子模块U5为控制器供电，这样就进一步保证了控制器的供电可靠性。

在图5G示出的本发明用于变换器装置的辅助电路模态7的电路图中，该模态是对变换器装置调试时的状态，闭合第二辅助电源断路器MCB2，使交流市电通过电源模块20为控制器U1供电，同时，闭合第一断路器MCCB1、第二断路器MCCB2，控制器U1控制第一接触器CON1闭合，如图5F中的加粗黑色线所示，这样低压侧电通过限流电阻R1和辅助绕组给主功率变压器的其它副边绕组励磁，进而可对整个变换器装置调试。

另外，在图5A至图5G的辅助电路的电路图中，该辅助电路还包括供电子模块U5，供电子模块U5用于将第一电源子模块U2和/或第二电源子模块U3输出的直流电转换为控制器U1工作所需的电压。

优选地，在图5A至图5G的辅助电路的电路图中，该辅助电路还包括监测模块U4，其输入端连接第一电源子模块U2和第二电源子模块U3，其输出端连接控制器U1，监测模块U4用于监测第一电源子模块U2和第二电源子模块U3的运行是否故障。

优选地，在图5A至图5G的辅助电路的电路图中，辅助绕组的输出端还连接有指示灯L1、L2，用于指示辅助绕组输出的电压是否正常。

优选地，辅助绕组的输出端和控制器U1之间还连接有电压互感器PT，电压互感器PT用于检测辅助绕组输出的电压，并将检测结果发送至控制器U1。

本发明变换器装置中的的变换器拓扑10按电压水平来分，可以是中压变换器拓扑或高压变换器拓扑，变换器拓扑10按拓扑形式来分，可以是三电平拓扑、五电平拓扑、级联五电平拓扑或其它多电平拓扑，以上所述的变换器拓扑均可使用本发明的辅助电路。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (21)

1.一种用于变换器装置的辅助电路，所述变换器装置包括主功率变压器(T1)，其特征在于，所述辅助电路包括连接在所述主功率变压器(T1)副边的辅助绕组，所述辅助电路用于为所述变换器装置进行软启动。

2.根据权利要求1所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助电路还用于指示所述变换器装置是否是由所述主功率变压器的输入电压上电。

3.根据权利要求1所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助电路还用于检测所述主功率变压器的输入电压。

4.根据权利要求1所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助电路还用于为变换器装置提供电源冗余。

5.根据权利要求1所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助电路还用于所述变换器装置的整机调试。

6.根据权利要求1所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助电路还包括第一断路器(MCCB1)、限流电阻(R1)、第一接触器(CON1)、第二断路器(MCCB2)，其中，第一断路器(MCCB1)的一端接低压侧电源，其另一端通过所述限流电阻(R1)、第一接触器(CON1)、第二断路器(MCCB2)连接所述辅助绕组。

7.根据权利要求6所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述变换器装置还包括控制器(U1)和为控制器(U1)供电的电源模块(20)，所述辅助电路还包括第二接触器(CON2)、第一辅助电源断路器(MCB1)和变压器(T2)；所述第二接触器(CON2)的一端连接所述第一接触器(CON1)与所述第二断路器(MCCB2)的交汇点，其另一端连接所述电源模块(20)；所述第一断路器(MCCB1)的所述另一端还依次通过第一辅助电源断路器(MCB1)、变压器(T2)连接所述电源模块(20)。

8.根据权利要求7所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述变换器装置还包括用于散热和冷却的若干风机(F1、F2、F3、F4、F5)，所述辅助电路还包括第三断路器(MCCB3)、第三接触器(CON3)和第四接触器(CON4)；所述第一断路器(MCCB1)的所述另一端还通过所述第三断路器(MCCB3)和第三接触器(CON3)连接所述若干风机(F1、F2、F3、F4、F5)；所述第四接触器(CON4)的一端连接所述第一接触器(CON1)与所述第二断路器(MCCB2)的交汇点，其另一端连接所述若干风机(F1、F2、F3、F4、F5)。

9.根据权利要求8所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助电路还包括第二辅助电源断路器(MCB2)，所述第二辅助电源断路器(MCB2)的一端连接交流市电，另一端连接电源模块(20)。

10.根据权利要求1所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助绕组的输出端连接有指示灯(L1、L2)。

11.根据权利要求7～9任一项所述的用于变换器装置的辅助电路，其特征在于，所述辅助电路还包括连接在所述辅助绕组和所述控制器(U1)之间的电压互感器(PT)。

12.一种变换器装置，包括主功率变压器(T1)、变换器拓扑(10)、控制器(U1)、为控制器供电的电源模块和用于散热和冷却的若干风机(F1、F2、F3、F4、F5)，所述变换器拓扑(10)连接所述主功率变压器(T1)的至少一个副边绕组，其特征在于，还包括辅助电路(30)，所述辅助电路(30)包括连接在所述主功率变压器(T1)副边的辅助绕组，所述辅助电路(30)用于为所述变换器拓扑进行软启动。

13.根据权利要求12所述的变换器装置，其特征在于，所述辅助电路还包括第一断路器(MCCB1)、限流电阻(R1)、第一接触器(CON1)、第二断路器(MCCB2)，其中，第一断路器(MCCB1)的一端接低压侧电源，其另一端通过所述限流电阻(R1)、第一接触器(CON1)、第二断路器(MCCB2)连接所述辅助绕组。

14.根据权利要求13所述的变换器装置，其特征在于，所述辅助电路还包括第二接触器(CON2)、第一辅助电源断路器(MCB1)和变压器(T2)；所述第二接触器(CON2)的一端连接所述第一接触器(CON1)与所述第二断路器(MCCB2)的交汇点，其另一端连接所述电源模块(20)；所述第一断路器(MCCB1)的所述另一端还依次通过第一辅助电源断路器(MCB1)、变压器(T2)连接所述电源模块(20)。

15.根据权利要求14所述的变换器装置，其特征在于，所述辅助电路还包括第三断路器(MCCB3)、第三接触器(CON3)和第四接触器(CON4)；所述第一断路器(MCCB1)的所述另一端还通过所述第三断路器(MCCB3)和第三接触器(CON3)连接所述若干风机(F1、F2、F3、F4、F5)；所述第四接触器(CON4)的一端连接所述第一接触器(CON1)与所述第二断路器(MCCB2)的交汇点，其另一端连接所述若干风机(F1、F2、F3、F4、F5)。

16.根据权利要求15所述的变换器装置，其特征在于，所述辅助电路还包括第二辅助电源断路器(MCB2)，所述第二辅助电源断路器(MCB2)的一端连接交流市电，另一端连接电源模块(20)。

17.根据权利要求12所述的变换器装置，其特征在于，所述辅助绕组的输出端连接有指示灯。

18.根据权利要求12所述的变换器装置，其特征在于，所述辅助电路还包括连接在所述辅助绕组和所述控制器(U1)之间的电压互感器(PT)。

19.根据权利要求12所述的变换器装置，其特征在于，所述变换器拓扑为中压变换器拓扑和高压变换器拓扑。

20.根据权利要求12所述的变换器装置，其特征在于，所述变换器拓扑为多电平拓扑。

21.根据权利要求12所述的变换器装置，其特征在于，所述多电平拓扑为三电平拓扑、五电平拓扑或级联五电平拓扑。

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