CN101951164B - 中间直流电压的单相交流变换器 - Google Patents
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Abstract
一种电力系统技术领域的中间直流电压的单相交流变换器，包括：依次级联的交流斩波电路、降压变换电路、波形变换电路和逆变滤波电路，交流斩波电路将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压并输出至降压变换电路，降压变换电路将高频脉冲高压交流电压滤波并转换为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路改善网侧交流电压及电流波形并将低压直流电压输出至逆变滤波电路，逆变滤波电路将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压。本发明通过在网侧将输入工频交流调制为高频信号，经高频变压器耦合到二次侧后，在二次侧进行DC/AC变换，降频还原成工频交流输出，实现网侧的单位输入功率因数，抑制网侧谐波电流，供电网用户使用。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种变压器技术领域的装置，具体是一种中间直流电压的单相交流变换器。
背景技术
电力电子变压器主要由电力电子变换器、高频变压器和控制器等。其中包括：IGBT或IGCT等高频大功率电力电子器件的电力电子变换器是电力电子变压器的核心，其功能是完成电能的频率、幅值转换。高频变压器的功能是隔离及变压；控制器的功能是实现对电能变换、电压稳定和电能质量的控制。
经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号02139030.4，公开日：2003.03.12.记载了一种“电力电子变压器”，该技术电力电子变压器基于三相-三相矩阵变换器结构，中间环节非常复杂，实现难度非常高，经济性较低，难以实现和推广应用。
进一步检索发现，中国专利申请号200910025824.3，公开日：2009.11.04.记载了一种“多功能电力电子变压器”，该技术的电力电子变压器功能齐全，但是结构十分复杂，控制难度非常高，可行性较低，难以实现和获得广泛应用。
WANG JUN等，“智能电网技术”.IEEE Trans.on Industry Electronics Magzine(工业电子杂志).2009年6月.记载了一种“基于传统思想的电力电子变压器技术”，该技术具有较强的功能，但是结构十分复杂，控制难度非常高，可行性较低。
电力电子变压器主要由初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器。从电力电子变压器的输入输出特性看，相当于AC/AC变换。其基本工作原理为输入的工频电压经过原边变换器调制为高频交流电压，通过高频变压器耦合至副边，再通过副边的功率变换器将其转换为所要求的电压。电力电子变压器具有体积小、重量轻、供电质量高、功率因数高、便于自动监控等优点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种中间直流电压的单相交流变换器，通过在网侧将输入工频交流调制为高频信号，经高频变压器耦合到二次侧后，在二次侧进行DC/AC变换，降频还原成工频交流输出，实现网侧的单位输入功率因数，抑制网侧谐波电流，供电网用户使用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：依次级联的交流斩波电路、降压变换电路、波形变换电路和逆变滤波电路，其中：交流斩波电路将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压并输出至降压变换电路，降压变换电路将高频脉冲高压交流电压滤波并转换为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路改善网侧交流电压及电流波形并将低压直流电压输出至逆变滤波电路，逆变滤波电路将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压。
所述的交流斩波电路，包括用于交流斩波的单相矩阵变换器和与之相连接的输入滤波电路。
所述的用于交流斩波的单相矩阵变换器由四个桥接的单相变换单元组成，每一个单相变换单元由两组反向串联的SiC IGBT管和分别并联于各个SiC IGBT管上的功率二极管组成。
所述的输入滤波电路的输入端与交流电源相连，输出端与用于交流斩波的单相矩阵变换器相连。
所述的降压变换电路，包括高频变压器、用于降压变换的单相矩阵变换器、单相整流器和与之相连接的降压滤波电路，该降压变换电路通过简单地配置PWM脉冲的发送规律，可以将交流斩波电路中单相-单相矩阵变换器输出经过高频变压器输出电压脉冲，还原成单相交流正弦半波电压。此举可以使得网侧与后级的滤波器设计简化。
所述的高频变压器，其初级绕组的一端与用于交流斩波的单相矩阵变换器输出端相连，次级绕组的一端与用于降压变换的单相矩阵变换器的输入端相连。
所述的降压滤波电路的输入端与用于降压变换的单相矩阵变换器输出端相连，降压滤波电路的输出端与波形变换电路相连。
所述的波形变换电路包括：Y形连接的逆导型开关、电感和功率二极管，该波形变换电路基于DC-DC变换器概念，采用双闭环控制、单周期控制等调制算法，可以做到其输入端的等效负载就为阻性，从而确保交流斩波电路的输入端等效负载为阻性。升压型DC-DC变换器还可以设计成多级交错运行或并联运行，提升功率等级。
所述的逆变滤波电路包括：依次级联的电解电容、单相逆变器和输出滤波电路。
所述的单相逆变器为四个桥接的逆导型开关组成的单相电压源逆变器。
所述的输出滤波电路的输入端与单相逆变器的输出端相连，该输出滤波电路的输出端分别与输出交流电压的火线和零线相连。
本发明用基于SiC IGBT的电力电子变压器代替传统配电变压器，采用电力电子变换技术对能量进行转换与控制。具有构思新颖、系统体积小、网侧功率因数改善、环保效果好等优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2a为单相矩阵变换器M1的示意图。
图2b为单相矩阵变换器M2的示意图。
图2c为单相整流器B1的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，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和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：交流斩波电路1、降压变换电路2、波形变换电路3和逆变滤波电路4，其中：交流斩波电路1中将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压。降压变换电路2中，将高频脉冲高压交流电压滤波并转换为低压直流电压。波形变换电路3中，改善网侧交流电压及电流波形，保证良好的功率因数。逆变滤波电路4中，将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压。
所述的交流斩波电路1包括：第一输入滤波电路和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵变换器M1。
如图2a所示，所述的单相矩阵变换器M1包括八个SiC IGBT S1～S8和八个功率二极管D1～D8，四个桥接的单相变换单元U1、U2、U3与U4，每个单相变换单元由两个逆向串联的SiC IGBT绝缘栅双极型晶体管和与之对应并联的功率二极管U1：S1、D1、S2与D2，U2：S3、D3、S4与D4，U3：S5、D5、S6与D6，U4：S7、D7、S8与D8；
所述的第一输入滤波电路包括与交流斩波电路输入端相串联的第一电感L1和与单相矩阵变换器M1输入端相并联的第一电容C1。
所述的降压滤波电路2包括：依次串联的高频变压器T1、单相矩阵变换器M2和降压滤波电路，其中：高频变压器T1的初级绕组与交流斩波电路1的输出端相连，其次级绕组与单相矩阵变换器M2的输入端相连，单相矩阵变换器M2的输出端与降压滤波电路的输入端相连；降压滤波电路包括第二电感L2和与波形变换电路3的输入端相并联的电容C2，单相整流器B1输出端与波形变换电路3的输入端相连。
所述的高频变压器T1，其初级绕组的一端与单相矩阵变换器M1的输出端相连，次级绕组的一端与单相矩阵变换器M2的输入端相连。
如图2b所示，所述的单相矩阵变换器M2包括八个SiC IGBT S9～S16和八个功率二极管D9～D16，四个桥接的单相变换单元U5、U6、U7与U8，每个单相变换单元由两个逆向串联的SiC IGBT绝缘栅双极型晶体管和与之对应并联的功率二极管U5：S9、D9、S10与D10，U6：S11、D11、S12与D12，U7：S13、D13、S14与D14，U8：S15、D15、S15与D15；
如图1所示，所述的波形变换电路3包括：Y形连接的逆导型开关S17、电感L3和功率二极管D21。
所述的逆变滤波电路4包括：电解电容E1、单相逆变器I1和输出滤波电路，其中：电解电容E1与单相逆变器I1的输入端相连，单相逆变器I1与输出滤波电路的输入端相连，输出滤波电路的输出端连接交流输出。
如图2c所示，所述的单相逆变器I1为单相电压源逆变器包括：4个桥接的逆导型开关S18～S21，逆导型开关S18～S19一个桥臂，逆导型开关S20～S21另一个桥臂，
输出滤波电路包括相互串联的第四电感L4和第五电感L5以及与第四电感L4、第五电感L5公共点相连接的第三电容C3，第五电感L5和第三电容C3的输出端为所述变换器的输出端。
本实施例中所述的单相矩阵变换器M1、M2和高频变压器T1了电力电子变压器，其作用是通过提高AC/AC变换器的工作频率，来实现相比常规变压器体积减少、重量变轻的目标，从而大大减少无源器件的尺寸和重量。
本实例中：单相交流输入电压为10kV，单相矩阵变换器M1、M2和高频变压器T1将10kVDC变换为直流400VDC，单相逆变器I1为传统的电压源逆变器，将直流400VDC变换为50Hz、220V的交流电，其输入端并联的电解电容电压等级为400V。
本装置采用交流斩波电路、降压变换电路和波形变换电路后，可以使得电力电子变换器的网侧工作在单位功率因数下，消除谐波电流对电网的污染，同时使得逆变电路之前线路上各点的无功电流含量降至零点，有利于简化电路设计、降低成本、增加效率和提高可靠性。同时由于交流斩波电路、降压变换电路和波形变换电路结构简单，控制算法成熟，实现起来非常容易，便于产品化和推广应用。交流斩波电路可以采用单相-单相矩阵变换器的算法或交流斩波常规算法，实现正弦交流-正弦交流变换。降压变换电路需要采用单相-单相矩阵变换器的改进算法，实现正弦交流-正弦半波直流变换。本例电力电子变换器还可以推广到三相高压交流电压输入的应用场合。
Claims (4)
1.一种中间直流电压的单相交流变换器，包括：依次级联的交流斩波电路、降压变换电路、波形变换电路和逆变滤波电路，其特征在于：交流斩波电路将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压并输出至降压变换电路，降压变换电路将高频脉冲交流电压滤波并转换为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路改善网侧交流电压及电流波形并将低压直流电压输出至逆变滤波电路，逆变滤波电路将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压；
所述的交流斩波电路，包括用于交流斩波的单相矩阵变换器和与之相连接的输入滤波电路；所述的用于交流斩波的单相矩阵变换器由四个桥接的单相变换单元组成，每一个单相变换单元由两组反向串联的SiC IGBT管和分别并联于各个SiC IGBT管上的功率二极管组成；
所述的降压变换电路，包括高频变压器、用于降压变换的单相矩阵变换器和与之相连接的降压滤波电路；所述的高频变压器，其初级绕组的一端与用于交流斩波的单相矩阵变换器输出端相连，次级绕组的一端与用于降压变换的单相矩阵变换器的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的中间直流电压的单相交流变换器，其特征是，所述的波形变换电路包括：Y形连接的逆导型开关、电感和功率二极管。
3.根据权利要求1所述的中间直流电压的单相交流变换器，其特征是，所述的逆变滤波电路包括：依次级联的电解电容、单相逆变器和输出滤波电路。
4.根据权利要求3所述的中间直流电压的单相交流变换器，其特征是，所述的单相逆变器为四个桥接的逆导型开关组成的单相电压源逆变器。
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