CN107681904A - 一种低压岸电电源设计方案 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压岸电电源设计方案，涉及港口绿色环保领域。所述设计方案包括12脉波整流调压电路、逆变电路与隔离电路三个模块。所述12脉波整流调压电路包含降压式12脉冲自耦变压器和不控整流桥电路，所述降压式12脉冲自耦变压器设计有6个引出端，构成2组相位相差30°的三相交流输出，经整流电路输出直流电压。直流电压通过逆变电路实现逆变与变频，再经隔离电路输出为靠港船舶供电。本发明提供的电源设计方案通过12脉波整流有效降低输入谐波含量，通过逆变电路实现变频与电压逆变，逆变后无需调压电路调压，可由隔离电路直接输出450V/60Hz三相交流电。系统具有体积小、重量轻、成本低的优点。

Description

一种低压岸电电源设计方案
技术领域
本发明属于港口绿色环保领域，具体指一种低压岸电电源设计方案。
背景技术
我国目前大多数船舶通过柴油发电机组自行发电，造成大量的硫化物等污染性气体以及烟尘等颗粒物，对大气环境造成严重污染。因此，促进船舶节能减排，对推动交通运输节能减排，减轻港区环境污染，建立绿色港口具有重要意义。其中很重要的一个方面就是减少靠港船舶和在建船舶的柴油发电机运行时间，使用岸电装置供电。
目前，国内外主要的岸电电源系统主要包括整流电路、逆变电器、调压电压及隔离电路四个部分，其中调压电路主要是因为逆变电路输出电压无法直接满足输出电压等级要求，需要通过额外的变压器调压电路实现对前级输出电压的电压调整，造成整体电路体积大、质量重、成本高，不利于岸电技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了进一步减小低压岸电电源系统的体积与质量，降低系统成本，提出一种低压岸电电源设计方案。
为实现上述目的，本发明采用的方案为：
一种低压岸电电源设计方案，电源系统包括12脉波整流调压电路、逆变电路与隔离电路三个部分，实现380V/50Hz三相交流电到450V/60HZ三相交流电的转换，为靠港船舶可靠供电。
所述的低压岸电电源设计方案，其进一步设计在于所述的12脉波整流调压电路包括降压式12脉自耦变压器和不控整流桥电路两部分。
所述的低压岸电电源设计方案，其进一步设计在于所述降压式12脉冲自耦变压器绕组具有一定的结构与连接方式，即自耦变压器每相原边一个长绕组包括两个中间抽头，副边两个短绕组。以A相为例，该自耦变压器的绕组结构及绕组具体连接方式为：原边长绕组a1a2，中间两个引出端a′和b″，副边两个短绕组c1c和cb2，中间抽头c为引出端，原边长绕组的首端a1与B相副边绕组a1a的首端相连，原边长绕组的末端a2与C相副边绕组ba2的末端连接，B相与C相的绕组连接方式与A相类似。
所述的低压岸电电源设计方案，其进一步设计在于所述降压式12脉冲自耦变压器每相原、副边绕组之间满足特定的匝比关系。以A相为例，A相原边长绕组总匝数为Np，其中绕组a1a′，b"a2的匝数为Np1，绕组a′b″的匝数为Np2，副边绕组b2c，cc1的匝数为Ns，则A相各绕组与原边长绕组的匝数比为：
B相，C相绕组匝数比与A相一致。
所述的低压岸电电源设计方案，其进一步设计在于所述自耦变压器输出2组相位相差30°的三相交流电，通过2组不控整流桥电路进行电压整流，经平衡电抗器与滤波电容输出直流电压。
所述的低压岸电电源设计方案，其进一步设计在于所述逆变电路采用SVPWM控制，逆变电路后通过LC滤波电路，输出450V/60Hz三相交流电。
所述的低压岸电电源设计方案，其进一步设计在于所述隔离电路为变比1∶1的隔离变压器，将船舶负载与电源系统进行电气隔离，避免船舶非线性电子负载对电源系统造成谐波污染。
有益效果：(1)本发明提供的低压岸电电源设计方案与现有的低压岸电电源系统相比，使用了12脉波整流调压，可有效降低系统的谐波含量。(2)本发明提供的新型降压式12脉自耦变压整流器，将调压电路与整流电路相结合，自耦变压器的等效容量比仅为0.223，与传统的隔离式变压器相比，自耦变压器体积小、质量轻。(3)逆变电路后无需调压电路，进一步减少系统的体积与质量，降低系统成本。
附图说明
附图1电源系统结构框图；
附图2降压式12脉自耦变压整流器电路图；
附图3自耦变压器绕组矢量图；
附图4自耦变压器绕组磁路图；
附图5整流电路直流电压波形图；
附图6逆变器输出A相相电压波形图(未滤波)
附图7系统输出A相相电压波形图
附图中的主要符号说明：Vd——整流电路直流输出电压有效值；VaN，Va′N，Va″N——自耦变压器A相输入相电压和2组输出相电压；a，b，c，a′，b′，c′和a″，b″，c″——自耦变压器引出端；a1，a2，b1，b2，c1，c2——自耦变压器绕组连接端；Lp1，Lp2——平衡电抗器；C——滤波电容；N——电路中性点；i1...i9——自耦变压器各绕组电流。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：如图1所示为低压岸电电源设计框图，由降压式12脉自耦变压整流电路、逆变电路(包括驱动电路)和隔离电路三个部分组成。所述降压式12脉自耦变压整流电路如图2所示，自耦变压器每相包括一个原边长绕组和2个副边短绕组，以A相为例，原边一个长绕组a1a2，其中a′和b″为两个中间引出端，副边两个短绕组c1c和cb2，中间抽头c为引出端，原边长绕组的首端a1与B相副边绕组a1a的首端相连，原边长绕组的末端a2与C相副边绕组ba2的末端连接。原边长绕组a1a2总匝数为Np，其中绕组a1a′，b"a2的匝数为Np1，绕组a′b″的匝数为Np2，副边绕组b2c，cc1的匝数为Ns，则A相各绕组与原边长绕组的匝数比为：
B相，C相的绕组连接方式与A相类似，绕组匝数比与A相一致。
根据上述连接方式和匝比关系，输出端a′，b′，c′相电压超前输入端a，b，c相电压15°；，输出端a″，b″，c″相电压滞后输入端a，b，c相电压15°；自耦变压器绕组矢量图如图3所示。变压器输出端相电压Va′N，Va″N与输入相电压VaN满足方程：Va′N＝Va″N＝0.874VaN。
变压器2组输出电压经整流后的通过平衡电抗器并联得到直流输出。整流桥1(输入为a′，b′，c′)与整流桥2(输入为a″，b″，c″)的输出正端和负端分别通过平衡电抗器Lp1和Lp2相连，Lp1和Lp2中间抽头分别为直流电路输出正端和输出负端。
2组桥通过平衡电抗器并联输出时，每组整流桥都能独立工作，整流器输出矢量即为12相线电压，输出电压的平均值为：
图4所示为自耦变压器绕组磁路，由于整流桥独立工作，每个整流二极管均导通120°。通过基尔霍夫电流定律及磁势平衡关系，可以得到原边电流。自耦变压器的等效容量为：Pd·tr＝0.5ΣVrms×Irms＝0.223VdId，其中Vrms为各绕组相电压，Irms为各绕组电流有效值，Id为输出直流电流有效值。即变压器选取铁心时只需按照输出功率的22.3％来考虑，可以保持自耦变压器体积小、重量轻的优势。
所述逆变电路采用SVPWM控制，逆变电路后通过LC滤波电路，输出450V/60Hz三相交流电。
所述隔离电路为变比1∶1的隔离变压器，将船舶负载与电源系统进行电气隔离，避免船舶非线性电子负载对电源系统造成谐波污染。
为验证本发明的有效性，建立附图1所示的低压岸电电源系统模型进行仿真实验。在380V/50Hz输入时，变压整流系统的直流输出电压波形如图5所示，输出直流电压幅值447V，电压纹波2.5V，仅为输出电压的0.6％，输出直流电压稳定。图6所示为逆变器输出A相相电压波形图(未经滤波)，经过LC滤波以及隔离后的系统A相输出电压波形如图7所示，输出电压频率60Hz，最大输出电压368.4V，线电压幅值为451.2V。根据仿真波形分析可知电源系统实现了380V/50Hz到450V/60Hz的转换，可以为靠港船舶稳定供电。

Claims (7)

1.一种低压岸电电源设计方案，其电源系统包括12脉波整流调压电路、逆变电路和隔离电路三部分。
2.根据权利要求1所述的低压岸电电源设计方案，其特征在于：所述的12脉波整流调压电路包括降压式12脉自耦变压器和不控整流桥电路两部分。
3.根据权利要求2所述的低压岸电电源设计方案，其特征在于：所述降压式12脉冲自耦变压器绕组具有一定的结构与连接方式，即自耦变压器每相原边一个长绕组包括两个中间抽头，副边两个短绕组。以A相为例，该自耦变压器的绕组结构及绕组具体连接方式为：原边长绕组a1a2，中间两个引出端a′和b″，副边两个短绕组c1c和cb2，中间抽头c为引出端，原边长绕组的首端a1与B相副边绕组a1a的首端相连，原边长绕组的末端a2与C相副边绕组ba2的末端连接，B相、C相的绕组连接方式与A相类似。
4.根据权利要求3所述的低压岸电电源设计方案，其特征在于：所述降压式12脉冲自耦变压器每相原、副边绕组之间满足特定的匝比关系。以A相为例，A相原边长绕组总匝数为Np，其中绕组a1a′，b″a2的匝数为Np1，绕组a′b″的匝数为Np2，副边绕组b2c，cc1的匝数为Ns，则A相各绕组与原边长绕组的匝数比为：
B相，C相绕组匝数比与A相一致。
5.根据权利要求2所述的低压岸电电源设计方案，其特征在于：降压式12脉自耦变压器输出2组相位相差30°的三相交流电，通过所述不控整流桥电路进行电压整流，经平衡电抗器与滤波电容输出直流电压。
6.根据权利要求1所述的低压岸电电源设计方案，其特征在于：所述逆变电路采用SVPWM控制，使直流电压利用率为100％。
7.根据权利要求1所述的低压岸电电源设计方案，其特征在于：所述隔离电路采用变比1：1的隔离变压器，将船舶负载与电源系统进行电气隔离，避免船舶非线性电子负载对电源系统造成谐波污染。
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