CN103888004A - 一种用于铁路交直交备用电源的单相pwm整流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，包括电网电压，还包括与所述电网电压电连接的输入滤波单元，所述电网电压通过输入滤波单元与整流单元电连接，整流单元与连接有负载的直流电压支撑单元电连接，所述整流单元由串联的两个开关功率器件组成，所述两串联的开关功率器件与输入滤波单元并联，所述直流电压支撑单元由两组彼此并联后再串联的正压电容组成，所述两组正压电容与整流单元并联。本发明提供了一种新的单相PWM整流器的拓扑结构，在逆变侧不加入中点控制算法的情况下，仍能保证直流母线中点电位平衡。此外，该结构具有简单可靠、开关损耗小、减少无功交换、功率因数高、直流电压稳定等优点。
Description
技术领域
本发明属于整流器技术领域，尤其涉及一种用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器。
背景技术
铁路备用电源为铁路车辆和站点多种形式的负载提供电能，如空调、通风、控制系统、照明等，是铁路安全有序运行的重要保障。随着电力电子技术的不断发展，交直交变流装置已在铁路系统中得到了广泛应用。
铁路备用电源系统主要包括整流器和逆变器两部分，首先电网的交流电能通过整流器变换成可直流电，然后再将直流电通过逆变器变换为交流负载可用的交流电。我国交流负载的额定电压为单相AC220V和三相AC380V，因此逆变输出一般采用三相四线制结构。分裂电容式逆变器拓扑结构是一种常用的三相四线制结构，其特点是将直流侧电容中点和交流侧滤波电容中点相连以提供不平衡电流，该拓扑结构简单、成本低廉、体积相对小。但是因为纹波电流和不平衡电流都从中性线上流入分裂电容，从而导致直流母线中点电位偏离，一般来说，要额外加入中点平衡算法，增加了控制算法的复杂性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种在逆变侧不加入中点控制算法的情况下，仍能保证直流母线中点电位平衡的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，包括电网电压，还包括与所述电网电压电连接的输入滤波单元， 所述电网电压通过输入滤波单元与整流单元电连接，整流单元与连接有负载的直流电压支撑单元电连接，所述整流单元由串联的两个开关功率器件组成，所述两串联的开关功率器件与输入滤波单元并联，所述直流电压支撑单元由两组彼此并联后再串联的的正压电容组成，所述两组正压电容与整流单元并联。
上述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，所述输入滤波单元与整流单元之间电连接有用于限制启动时过高冲击电流的预充电单元。
上述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，所述直流电压支撑单元与负载之间连接有用于将线路直流点转化为规则的220V 50Hz的交流输出电压的逆变单元。
上述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，所述逆变单元通过输出滤波单元与负载电联接。
上述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，所述逆变单元由两个开关功率器件彼此串联后并联的三组电路组成。
本发明用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器的优点是：本发明提供了一种新的单相PWM整流器的拓扑结构，在逆变侧不加入中点控制算法的情况下，仍能保证直流母线中点电位平衡。此外，该结构具有简单可靠、开关损耗小、减少无功交换、功率因数高、直流电压稳定等优点。
附图说明
图1为本发明备用电源的主回路拓扑电路结构图；
图2为本发明单相PWM整流主回路拓扑电路结构图；
图3为开关功率器件IGBT7开通时电流回路状态的结构图；
图4为开关功率器件IGBT7关断时电流回路状态的结构图；
图5为开关功率器件IGBT8开通时电流回路状态的结构图；
图6为开关功率器件IGBT8关断时电流回路状态的结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；
如图1、2所示，一种用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，包括电网电压1，还包括与所述电网电压1电连接的输入滤波单元2，所述电网电压1通过输入滤波单元2与整流单元4电连接，在输入滤波单元2与整流单元4之间电连接有用于限制启动时过高冲击电流的预充电单元3。整流单元4与连接有负载8的直流电压支撑单元5电连接，在直流电压支撑单元5与负载8之间连接有用于将线路直流点转化为规则的220V 50Hz的交流输出电压的逆变单元6。所述整流单元4由串联的两个开关功率器件9、10组成，所述两串联的开关功率器件9、10与输入滤波单元2并联，所述直流电压支撑单元5由两组彼此并联后再串联的的正压电容11组成，所述两组正压电容11与整流单元4并联。逆变单元6通过输出滤波单元7与负载8电联接。逆变单元6由两个开关功率器件12、13彼此串联后并联的三组电路组成。
本备用电源主电路有以下几个基本组成部分：
输入滤波单元2：采用的是简单可靠的LCL电路，减少高次谐波对电网的污染；
预充电单元3：在启动瞬间，通过预充电电阻为支撑电容充电，限制启动时的冲击电流；
整流单元4：通过控制功率器件IGBT的开关，将交流电压转换成直流电压；
直流电压支撑单元5：为一系列电容组，用来支撑直流母线电压；
逆变单元6：三相逆变器用于将线路直流点烟转化为规则的220V 50Hz的交流输出电压，通常采用大功率IGBT构成，或集成的大功率IPM模块。
输出滤波单元7：三相输出滤波器用于平滑PWM方波电压成正弦波，从而使负载端的电流近似正弦曲线，同时它也减少受逆变器的高频脉动影响。
冷却系统：备用电源需要完备的冷却系统，常采用强迫风冷的方式为功率器件的散热器进行散热。
设直流母线电压中点电位为0，则母线电容可均分成正压电容和负压电容。本发明所采用结构是将两个BOOST升压电路组合，输入电流为正时，正压电容侧的BOOST升压电路工作，给直流母线的正压电容充电；输入电流为负时，负压电容侧的BOOST升压电路工作，给直流母线的负压电容充电。其特征在于：该整流器的两个功率开关器件一个只在输入电流为正时工作，一个只在输入电流为负时工作，分别给对应的电容组充电，以此维持直流母线电压的稳定。
在拓扑结构方面，上述的PWM整流器为两个BOOST电路的合理结合，依靠其结构特性保证中点电位平衡，结构简单，另外，电能只从电抗器流向电容组，不需反向流动，减少无功交换时的震荡，可靠性高；在控制算法方面，两个IGBT开关管分别仅在对应的半周工作，开关损耗大大降低。
结合图2，对本发明提供的PWM整流器的工作原理进行分析。
1）当输入电流为正时，开关功率器件IGBT10关断，只对开关功率器件IGBT9的开通和关断进行控制。
当开关功率器件IGBT9开通时，电流回路如图3所示。同时存在两个电流回路：
①回路1：1→2→3→9→1。电网对输入电抗器2正向充电，输入电抗器2存储能量；
②回路2：12→11→13→12。正容电压11和负压电容12放电，提供负载13所消耗电能，维持正常工作。
当开关功率器件IGBT9关断时，电流回路如图4所示。电流回路描述具体如下：
①回路1：1→2→3→4→11→1。2中电能释放，电网电压1和输入电抗器2共同对正容电压11充电，正容电压11存储电能，保持电压恒定；
②回路2：1→2→3→4→13→12→1。电网电压1和输入电抗器2同时要提供负载13所消耗的电能，电流通过负压电容12流回电网。
2）当输入电流为负时，7关断，只对8的开通和关断进行控制。
当开关功率器件IGBT10开通时，电流回路如图5所示。同时存在两个电流回路：
①回路1：1→10→6→2→1。电网对输入电抗器2反向充电，输入电抗器2存储能量；
②回路2：12→11→13→12。正容电压11和负压电容12放电，提供正容电压11所消耗电能，维持正常工作。
当开关功率器件IGBT10关断时，电流回路如图6所示。电流回路描述具体如下：
①回路1：1→12→5→6→2→1。输入电抗器2中电能释放，电网电压1和输入电抗器2共同对负压电容12充电，负压电容12存储电能，保持电压恒定；
②回路2：1→11→13→5→6→2→1。电网电压1和输入电抗器2同时要提供负载13所消耗的电能，电流通过正容电压11流回电网。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，包括电网电压，其特征在于：还包括与所述电网电压电连接的输入滤波单元， 所述电网电压通过输入滤波单元与整流单元电连接，整流单元与连接有负载的直流电压支撑单元电连接，所述整流单元由串联的两个开关功率器件组成，所述两串联的开关功率器件与输入滤波单元并联，所述直流电压支撑单元由两组彼此并联后再串联的的正压电容组成，所述两组正压电容与整流单元并联。
2.根据权利要求1所述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，其特征是：所述输入滤波单元与整流单元之间电连接有用于限制启动时过高冲击电流的预充电单元。
3.根据权利要求2所述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，其特征是：所述直流电压支撑单元与负载之间连接有用于将线路直流点转化为规则的220V 50Hz的交流输出电压的逆变单元。
4.根据权利要求3所述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，其特征是：所述逆变单元通过输出滤波单元与负载电联接。
5.根据权利要求3所述的用于铁路交直交备用电源的单相PWM整流器，其特征是：所述逆变单元由两个开关功率器件彼此串联后并联的三组电路组成。
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