CN104779814B - 车载无工频电力电子变压器的一种拓扑结构 - Google Patents

车载无工频电力电子变压器的一种拓扑结构 Download PDF

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Abstract

一种车载电力电子变压器的拓扑结构，采用三级构成，即输入整流级，中频隔离级，输出级；输入整流级采用的是桥式拓扑结构，中频隔离级是两个桥式电路串联连接的拓扑结构，隔离变压器采用的三绕组变压器；输出级采用的是每个模块单独向负载供电的拓扑结构；它可以有效地减小车载变压器的体积和重量，提高电能传输效率，通过对变压器副边电压、原边电流以及功率的灵活调节，可以实现电网侧单位功率因数运行。

Description

车载无工频电力电子变压器的一种拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种应用于电力机车的电力电子变压器拓扑结构，属于电力电子技术在电力牵引系统中的应用。
背景技术
传统电力变压器自被发明以来，由于其制作工艺简单，可靠性高等优点，成为输配电系统的基本组成设备，数量巨大，机车车载工频变压器是其应用领域之一；但是其缺点也很明显，体积、重量比较大，变压器绝缘油会带来环境问题，不易维护；由于铁磁元件的非线性特性，当变压器铁芯出现磁饱和时，会造成系统中电压电流的波形畸变，产生谐波污染；不能维持变压器副边电压恒定，负荷侧发生故障时，不能隔离故障，从而导致故障扩大。
为此车载电力电子变压器(PETT-Power Electronic Traction Transformer)的概念应运而生，PETT是一种通过电力电子变换系统进行电压变换和能量传递的新型变压器；它可以有效地减小车载变压器的体积和重量，提高电能传输效率，通过对变压器副边电压、原边电流以及功率的灵活调节，可以实现电网侧单位功率因数运行。
诸如上述所提的诸多优点，此种新型电力电子变压器具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载电力电子变压器拓扑结构，它可以有效地减小车载变压器的体积和重量，提高电能传输效率，通过对变压器副边电压、原边电流以及功率的灵活调节，可以实现电网侧单位功率因数运行。
本发明的目的是通过如下的手段实现的：
一种车载电力电子变压器的拓扑结构，车载电力电子变压器采用三级构成，即输入整流级，中频隔离级，输出级；输入整流级采用的是桥式拓扑结构，中频隔离级采用的是两个桥式电路串联连接的拓扑结构，隔离变压器采用的三绕组变压器；输出级每个模块单独向负载供电；
所述的中频隔离级为双向DC-DC拓扑结构，其输入侧逆变器由两个桥式逆变电路串联而成，S2的发射极接到S3的集电极，S6的发射极接到S7的集电极；中频变压器为三绕组变压器，原边为双绕组T11,T12,副边为单绕组T2，T11，T12的同名端分别接到S1和S3的发射极，异名端分别接到S5和S7的发射极，T2的同名端接至功率管S11的发射极，异名端接至功率管S13的发射极；
所述输出级采用独立功率输出，变压器副边直流输出侧通过稳压电容C13分别与牵引逆变器的输入正端N1+和输入负端N1-连接，n个牵引逆变器N1，N2……Nn各自连接一个三相电机，单独给电机供电。
本发明输出级将变压器副边每个子模块传出的功率通过逆变单元单独输送给电机，可以减小模块之间相互间的干扰；
整个装置由基本功率单元组合而成，首先整流输入的级联操作即功率分配操作为下一级中频变压器的利用提供了可能，将工频信号变换为高频信号后通过隔离变压器耦合到副方，高频信号随后又被还原为工频信号，该装置不仅可以替代传统车载电力变压器，实现变压变换，能量传递，电气隔离的作用，还可以通过相应的控制策略稳定输出电压，实现电压调节器的作用；
有益效果：本发明车载电力电子变压器除了具备传统电力变压器的优势外，还具有以下优点：
1、由于采用了中频变压器，可以有效地降低整体装置的体积和重量，还可提高装置功率传输效率；中频输入侧较现有电力电子变压器拓扑结构可以进一步降低功率管的耐压要求；
2、输出级独立向电机供电，消除了现存电力电子变压器输出模块间相互干扰的问题；
3、可以通过控制系统实现网侧单位功率因数运行，实现电网与负载的干扰隔离，提高电能质量；
4、可以更加灵活的调节电压电流的幅值、频率和相位信息，实现对系统更灵活的控制；
附图说明
图1：车载电力电子变压器拓扑结构示意图；
图2：中频隔离级原边为双桥串联结构，输出级为独立输出的结构图；
Vs:牵引网网侧电压；
Ls:网侧电感；
S11-S14，S1-S8：带有反并联二极管的功率开关；
C11-C13：直流侧稳压电容；
C12：储能电容；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明如下，为便于叙述，
功率输入级由桥式整流模块1这一基本功率单元级联而成，桥式整流模块由两个半桥整流单元构成，每个半桥模块由两个反并联二极管的IGBT构成，该基本功率单元可以将输入的交流电压整流成稳定的直流电压，且通过对开关管的控制，实现电网输入侧的单位功率因数运行；若干个基本功率单元级联而成的功率输入级可以实现低耐压开关器件的高电压输出，通过控制，可将输入功率均匀的分配到n个模块；
隔离级4由逆变模块5，中频变压器模块2和整流模块3三部分组成，该级结构是电力电子变压器的核心，由于变压器体积与其频率成反比，用中频变压器代替工频变压器可以有效地减小车载变压器的体积与重量，还可提高功率传输效率；图2拓扑中频隔离级在变压器原边侧采用的是两个全桥电路串联而成，S2的发射极接到S3的集电极，S6的发射极接到S7的集电极；中频变压器是三绕组变压器，原边为双绕组T11,T12,副边为单绕组T2，T11，T12的同名端分别接到S1和S3的发射极，异名端分别接到S5和S7的发射极，T2的同名端接至功率管S11的发射极，异名端接至功率管S13的发射极，该拓扑结构可以进一步降低管子两端承受的电压；
在输入级：输入级电感Ls接牵引网输入端Vs,级联整流器1由两个半桥电路组成，每个半桥分别由两个带反并联二极管的功率开关管组成，分别为S11，S12，S13，S14；为承受高压大功率，输入端由n个相同的整流器M1，M2……Mn级联而成；
在隔离级：中频隔离级输入侧逆变器由两个桥式逆变电路串联而成，S2的发射极接到S3的集电极，S6的发射极接到S7的集电极；中频变压器是三绕组变压器，原边为双绕组T11,T12,副边为单绕组T2，T11，T12的同名端分别接到S1和S3的发射极，异名端分别接到S5和S7的发射极，T2的同名端接至功率管S11的发射极，异名端接至功率管S13的发射极；该电路拓扑可以进一步的降低功率管的承受的端压；
在输出级：输出级是独立功率输出的，变压器副边直流输出侧通过稳压电容C13分别与牵引逆变器的输入正端N1+和输入负端N1-连接，n个牵引逆变器N1，N2……Nn各自连接一个三相电机，单独给电机供电；输出级独立向电机供电，消除了现存电力电子变压器输出模块间相互干扰的问题。

Claims (1)

1.一种车载电力电子变压器的拓扑结构，其特征在于，车载电力电子变压器采用三级构成，即输入整流级(a1,a2.....am,an)，中频隔离级(b1,b2.....bm,bn)，输出级(c1,c2.....cn)；输入整流级单元采用的是桥式拓扑结构，整流模块单元M1，M2…Mn串联连接，中频隔离级采用的是两个桥式电路串联连接的拓扑结构，隔离变压器采用的三绕组变压器；输出级每个模块单独向负载供电；
所述的中频隔离级为双向DC-DC拓扑结构，其输入侧逆变器由两个桥式逆变电路串联而成；第一全桥式逆变电路由开关管S1、S2、S5和S6组成，第二全桥式逆变电路由开关管S3、S4、S7和S8组成；开关管S1的发射极接到开关管S2的集电极，开关管S5的发射极接到开关管S6的集电极，开关管S1的集电极接到开关管S5的集电极；开关管S3的发射极接到开关管S4的集电极，开关管S7的发射极接到开关管S8的集电极，开关管S4的发射极接到开关管S8的发射极；开关管S2的发射极接到开关管S3的集电极，开关管S6的发射极接到开关管S7的集电极；中频变压器为三绕组变压器，原边为双绕组T11,T12,副边为单绕组T2，T11，T12的同名端分别接到开关管S1和开关管S3的发射极，异名端分别接到开关管S5和开关管S7的发射极；输出侧由功率管R11、R12、R13和R14组成全桥式整流电路；功率管R11的发射极接到功率管R12的集电极，功率管R13的发射极接到功率管R14的集电极，功率管R11的集电极接到功率管R13的集电极，功率管R12的发射极接到功率管R14的发射极；T2的同名端接至功率管R11的发射极，异名端接至功率管R13的发射极；
所述输出级采用独立功率输出，变压器副边直流输出侧通过稳压电容C12分别与牵引逆变器的输入正端N1+和输入负端N1-连接，n个牵引逆变器N1，N2……Nn各自连接一个三相电机，单独给电机供电。
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