CN102638175A - 一种工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器 - Google Patents

一种工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器 Download PDF

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张代润
刘红萍
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Abstract

本发明公开了一种工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器，其特点是由电源的输入电压矢量补偿电压矢量
Figure DDA0000151948340000012
负载的输出电压矢量
Figure DDA0000151948340000013
电源输入电压
Figure DDA0000151948340000014
经电力电子变换器和工频耦合变压器T(4)获得补偿电压
Figure DDA0000151948340000015
并通过电力电子变换器电路、调压器电路依次连接成整体；补偿电压相对于电源电压
Figure DDA0000151948340000017
的相位差α，不改变的大小，只调整相对于
Figure DDA00001519483400000110
的相位角α，就能实现宽幅的输出电压矢量
Figure DDA00001519483400000111
调节。该发明适用于宽幅正弦波调压的单相或三相有工频耦合变压器的无隔离型交流调压器、交流稳压器、交流移相器、电力电子变压器。

Description

一种工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器
技术领域
本发明涉及一种工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量(或恒幅相量)交流调压器，特别涉及电源与负载间无隔离的工频变压器耦合的单相或三相无触点、无级、宽幅的正弦波电力电子调压器、稳压器。属于交流调压、交流稳压技术领域。
背景技术
现有交流调压、稳压方法主要有：
(1)采用伺服电动机带动电刷移动实现变压器输出电压调压，输出电压实现有级(变压器有多个分接头)或无级(如自耦变压器)调节。但由于电动机和电刷的存在，即是有触点的调压方式，其缺点是调压速度缓慢、寿命短、易卡壳等。
(2)采用可控硅作为电子开关来调节变压器输出电压，实现无触点的调压方式。但因调压是有级的，无法实现连续调压，因而有输出电压精度低的不足。
(3)用AC/DC/AC变换的方式实现交流正弦波调压，直流环的大电解电容使直流环电压调节缓慢，而仅靠调制系数来控制输出电压时，在输出电压较高或较低时有波形差、精度低的不足，难以实现宽幅调压。
(4)用AC/AC变换的方式实现交流正弦波调压时，有输出电压波形差、精度低的不足；同时，也难于用到单相电源的系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器，其特点是：有工频变压器耦合的无隔离的无触点、无级、宽幅的正弦波电力电子调压器、稳压器；适用于不同容量等级的单、三相系统；性价比较高。
本发明的目的由以下技术措施实现。
工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器由电源的输入电压矢量补偿电压矢量
Figure BDA0000151948320000012
负载的输出电压矢量
Figure BDA0000151948320000013
电源输入电压
Figure BDA0000151948320000014
经电力电子变换器和工频耦合变压器T获得补偿电压
Figure BDA0000151948320000015
并通过电力电子变换器电路、调压器电路依次连接成整体；补偿电压
Figure BDA0000151948320000016
相对于电源电压
Figure BDA0000151948320000017
的相位差α，不改变
Figure BDA0000151948320000018
的大小，只调整
Figure BDA0000151948320000019
相对于
Figure BDA00001519483200000110
的相位角α，就能实现宽幅的输出电压矢量
Figure BDA00001519483200000111
调节。
工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器电路由交流电源
Figure BDA0000151948320000021
输入到电力电子变换器，经工频耦合变压器T后产生补偿电压
Figure BDA0000151948320000022
Figure BDA0000151948320000023
和
Figure BDA0000151948320000024
之和得到输出电压
Figure BDA0000151948320000025
保持
Figure BDA0000151948320000026
幅值不变，只改变其相对于电源电压的相位角α，就能得到幅值不同的正弦波输出电压
Figure BDA0000151948320000028
即 U → O = U → S + U → C .
电力电子变换器电路一端接有输入Cf1 Lf1滤波器，由主开关管T1～T8构成两个背靠背的桥式变换器结构，公共直流环上接有直流储能电容器Cdc，另一端与输出Lf2 Cf2滤波器和工频耦合变压器T连接。
工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器的用途：
当电源电压
Figure BDA00001519483200000210
和负载电压
Figure BDA00001519483200000211
间没有隔离，负载电压的频率须保持与电源电压相同；该电路无法实现变频，只能实现对输出电压的调节，适用于作工频变压器耦合的无隔离的交流调压器、交流稳压器、交流移相器、电力电子变压器。
用作调压器时，当US＝UN，UN为额定电压，要求输出电压UO在(0～1.2)*UN间变化，相位角α应在180°～106.26°之间调节；由于α＞90°，工频耦合变压器T从
Figure BDA00001519483200000212
处吸收电能，传递给电力电子变换器，然后由电力电子变换器把电能反馈回电网。
本发明具有如下优点：
(1)实现大容量宽幅无触点、无级、有工频变压器耦合的正弦波无隔离电力电子调压器、稳压器。
(2)适用于单、三相系统。
(3)性价比较高。
图片说明
图1为本发明的工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量调压器原理图。
1.电源的输入电压矢量
Figure BDA00001519483200000213
2.补偿电压矢量
Figure BDA00001519483200000214
3.输出到负载的输出电压矢量
Figure BDA00001519483200000215
4.工频耦合变压器T。
图2为本发明的工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器的电力电子变换器电路。
5.电力电子变换器的输入滤波电容器Cf1，6.输入滤波电抗器Lf1，7.电力电子变换器的主开关管T1～T8，8.直流侧储能电容器Cdc，9.电力电子变换器的输出滤波电抗器Lf2，10.输出滤波电容器Cf2。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只能用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术娴熟人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
交流电源
Figure BDA0000151948320000031
输入到电力电子变换器，经工频耦合变压器T4后产生补偿电压
Figure BDA0000151948320000033
和
Figure BDA0000151948320000034
之和得到输出电压
Figure BDA0000151948320000035
保持
Figure BDA0000151948320000036
幅值不变，只改变其相对于电源电压
Figure BDA0000151948320000037
的相位角α，就能得到幅值不同的正弦波输出电压
Figure BDA0000151948320000038
即
Figure BDA0000151948320000039
电力电子变换器电路一端接有输入Cf1 5Lf1 6滤波器，由主开关管T1～T8 7构成两个背靠背的桥式变换器结构，公共直流环上接有直流储能电容器Cdc 8，另一端与输出Lf2 9Cf2 10滤波器和工频耦合变压器T4连接。在交流调压器中，当US＝UN，UN为额定电压，要求输出电压在(0～1.2)*UN内变化，那么α的调节范围为：180°～106.26°。
实施例2
交流电源
Figure BDA00001519483200000310
输入到电力电子变换器，经工频耦合变压器T4后产生补偿电压
Figure BDA00001519483200000311
和
Figure BDA00001519483200000313
之和得到输出电压
Figure BDA00001519483200000314
保持
Figure BDA00001519483200000315
幅值不变，只改变其相对于电源电压
Figure BDA00001519483200000316
的相位角α，就能得到幅值不同的正弦波输出电压
Figure BDA00001519483200000317
即电力电子变换器电路一端接有输入Cf1 5Lf1 6滤波器，由主开关管T1～T8 7构成两个背靠背的桥式变换器结构，公共直流环上接有直流储能电容器Cdc8，另一端与输出Lf2 9Cf2 10滤波器和工频耦合变压器T4连接。在交流稳压器中，当US＝0.5UN，输入电压低到额定电压的一半时，负载电压仍可达到额定电压，即α＝0°时，有UO＝UN。所以输入电压在(0.5～1.0)*UN时，输出电压可保持为额定值。当US≥UN时，求解方程得唯一的α值(α≥120°)使UO＝UN。实现(0.5UN≤US＜∞)非常宽幅的交流稳压。
实施例3
交流电源
Figure BDA00001519483200000319
输入到电力电子变换器，经工频耦合变压器T4后产生补偿电压
Figure BDA00001519483200000320
Figure BDA00001519483200000321
和之和得到输出电压
Figure BDA00001519483200000323
保持幅值不变，只改变其相对于电源电压
Figure BDA00001519483200000325
的相位角α，就能得到幅值不同的正弦波输出电压
Figure BDA00001519483200000326
即
Figure BDA00001519483200000327
电力电子变换器电路一端接有输入Cf1 5Lf1 6滤波器，由主开关管T1～T8 7构成两个背靠背的桥式变换器结构，公共直流环上接有直流储能电容器Cdc8，另一端与输出Lf2 9Cf2 10滤波器和工频耦合变压器T4连接。在交流移相器中，当US＝UN，UN为额定电压，α的调节过程为(0°→90°→180°)，那么输出电压的变化为(2UN→1.4UN→0)，输出电压
Figure BDA0000151948320000041
相对于输入电压
Figure BDA0000151948320000042
的相位差的变化为(0°→45°→90°)。
实施例4
交流电源输入到电力电子变换器，经工频耦合变压器T4后产生补偿电压
Figure BDA0000151948320000044
Figure BDA0000151948320000045
和
Figure BDA0000151948320000046
之和得到输出电压
Figure BDA0000151948320000047
保持
Figure BDA0000151948320000048
幅值不变，只改变其相对于电源电压
Figure BDA0000151948320000049
的相位角α，就能得到幅值不同的正弦波输出电压
Figure BDA00001519483200000410
即电力电子变换器电路一端接有输入Cf1 5Lf1 6滤波器，由主开关管T1～T8 7构成两个背靠背的桥式变换器结构，公共直流环上接有直流储能电容器Cdc8，另一端与输出Lf2 9Cf2 10滤波器和工频耦合变压器T4连接。在电力电子变压器中，可实现作为交流调压器、交流稳压器、交流移相器的综合功能，提高电力变压器的可控性。
实施例5
交流电源
Figure BDA00001519483200000412
输入到电力电子变换器，经工频耦合变压器T4后产生补偿电压
Figure BDA00001519483200000413
Figure BDA00001519483200000414
和
Figure BDA00001519483200000415
之和得到输出电压
Figure BDA00001519483200000416
保持幅值不变，只改变其相对于电源电压
Figure BDA00001519483200000418
的相位角α，就能得到幅值不同的正弦波输出电压
Figure BDA00001519483200000419
即
Figure BDA00001519483200000420
电力电子变换器电路一端接有输入Cf1 5Lf1 6滤波器，由主开关管T1～T8 7构成两个背靠背的桥式变换器结构，公共直流环上接有直流储能电容器Cdc8，另一端与输出Lf2 9Cf2 10滤波器和工频耦合变压器T4连接。实施例1～4中，单相电路通过三角形或星形接法，依次得到三相工频变压器耦合的无隔离交流调压器、三相工频变压器耦合的无隔离交流稳压器、三相工频变压器耦合的无隔离交流移相器、三相工频变压器耦合的无隔离电力电子变压器。

Claims (4)

1.一种工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器，其特征在于该交流调压器由电源的输入电压矢量补偿电压矢量
Figure FDA0000151948310000012
负载的输出电压矢量
Figure FDA0000151948310000013
电源输入电压
Figure FDA0000151948310000014
经电力电子变换器和工频耦合变压器T(4)获得补偿电压并通过电力电子变换器电路、调压器电路依次连接成整体；补偿电压相对于电源电压
Figure FDA0000151948310000017
的相位差α，不改变的大小，只调整相对于
Figure FDA00001519483100000110
的相位角α，就能实现宽幅的输出电压矢量
Figure FDA00001519483100000111
调节。
2.如权利要求1所述工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器，其特征在于电力电子变换器电路一端接有输入Cf1(5)Lf1(6)滤波器，由主开关管T1～T8(7)构成两个背靠背的桥式变换器结构，公共直流环上接有直流储能电容器Cdc(8)，另一端与输出Lf2(9)Cf2(10)滤波器和工频耦合变压器T(4)连接。
3.如权利要求1所述工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器，其特征在于该工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器电路由交流电源
Figure FDA00001519483100000112
输入到电力电子变换器，经工频耦合变压器T后产生补偿电压
Figure FDA00001519483100000113
Figure FDA00001519483100000114
和
Figure FDA00001519483100000115
之和得到输出电压
Figure FDA00001519483100000116
保持
Figure FDA00001519483100000117
幅值不变，只改变其相对于电源电压
Figure FDA00001519483100000118
的相位角α，就能得到幅值不同的正弦波输出电压
Figure FDA00001519483100000119
即 U → O = U → S + U → C .
4.如权利要求1所述工频变压器耦合的无隔离恒幅矢量交流调压器的用途，其特征在于当电源电压
Figure FDA00001519483100000121
和负载电压
Figure FDA00001519483100000122
间没有隔离，负载电压的频率须保持与电源电压相同；该电路无法实现变频，只能实现对输出电压的调节，适用于作工频变压器耦合的无隔离的交流调压器、交流稳压器、交流移相器、电力电子变压器；用作调压器时，当US＝UN，UN为额定电压，要求输出电压UO在(0～1.2)*UN间变化，相位角α应在180°～106.26°之间调节；由于α＞90°，工频耦合变压器T从处吸收电能，传递给电力电子变换器，然后由电力电子变换器把电能反馈回电网。
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