CN109194179B - 大功率双向交直流一体电源装置 - Google Patents

大功率双向交直流一体电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了大功率双向交直流一体电源装置，包括电源输入端，电源输入端连接有LCL滤波器，LCL滤波器连接有第一三相双向半桥电路，第一三相双向半桥电路连接第二三相双向半桥电路，第二三相双向半桥电路连接有LC滤波器，LC滤波器连接有电源输出端；所述的电流输出中端01端连接有接触器K6，电流输出DC‑端连接有接触器K7，接触器K6和接触器K7均与电源输出N端相连；所述的电感L8连接有接触器K4和接触器K5，所述的接触器K4与电源输出端C相连，所述的接触器K5与电源输出端A相连。本发明可以同时实现可调直流电源和可调交流电源两种功能，可满足不同的测试需求，根据需求选择直流源模式或者交流源模式。

Description

大功率双向交直流一体电源装置
技术领域
本发明涉及一种电源装置，特别涉及一种大功率双向交直流一体电源装置。
背景技术
随着新能源产业，如风力发电，光伏发电，新能源车等快速发展，大功率电力电子设备应用越来越广泛，这些电力电子设备在研发或者生产环节都需要相应的测试电源，进行相应的电气及功率测试。根据设备能量变换需求，分为可调直流电源和可调交流电源两种。传统的电源一般分为直流电压源装置和交流电压源装置两种，测试如果既需要直流电源又需要交流电源，则需要购买上述两套装置，分别单独使用，增加了测试成本。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大功率双向交直流一体电源装置。本发明可以同时实现可调直流电源和可调交流电源两种功能，可满足不同的测试需求，根据需求选择直流电压源或者交流电压源使用，有效地降低测试成本。
本发明的技术方案：一种大功率双向交直流一体电源装置，包括电源输入端，电源输入端连接有LCL滤波器，LCL滤波器连接有第一三相双向半桥电路，第一三相双向半桥电路连接第二三相双向半桥电路，第二三相双向半桥电路连接有LC滤波器，LC滤波器连接有电源输出端。
所述第一三相双向半桥电路的输出端设有电流输出DC+端、电流输出中端01端和电流输出DC-端；第二三相双向半桥电路的输入端设有电流输入DC+端、电流输入中端02端和电流输入DC-端；第二三相双向半桥电路的输出端设有输出端G、输出端H和输出端I；所述的电源输出端包括电源输出A端、电源输出B端、电源输出C端和电源输出N端；所述第一三相双向半桥电路的电流输出DC+端与电流输入DC+端相连，所述的电流输出中端01端与电流输入中端02端相连，所述的电流输出DC-端与电流输入DC-端相连；所述的LC滤波器包括与输出端G相连的电感L7、与输出端H相连的电感L8和与输出端I 相连的电感L9，所述的电感L7与电源输出A端相连，电感L8与电源输出B端相连，电感L9与电源输出C端相连；所述的电感L7还连接有电容C6，电感L8连接有电容C5，电感L9连接有电容C4，所述的电容C6、电容C5和电容C4均与电源输出N端相连。
所述的电流输出中端01端连接有接触器K6，电流输出DC-端连接有接触器K7，接触器K6和接触器K7均与电源输出N端相连；所述的电感L8连接有接触器K4和接触器K5，所述的接触器K4与电源输出端C相连，所述的接触器K5与电源输出端A相连。
上述的大功率双向交直流一体电源装置中，所述第一三相双向半桥电路包括三个相同的双向单相半桥电路；所述双向单相半桥电路包括IBGT模块T1_A、IBGT模块T2_A、IBGT模块T3_A和IBGT模块T4_A，二极管D1和二极管D2；所述IBGT模块T1_A的e级连接电流输出DC+ 端，所述IBGT模块T1_A的c级与IBGT模块T2_A的e级连接，所述 IBGT模块T2_A的c级与IBGT模块T3_A的e级连接，所述IBGT模块T3_A的c级与IBGT模块T4_A的e级连接，所述IBGT模块T4_A 的c级连接电流输出DC-端；所述IBGT模块T2_A的c极连接电流输入D端；所述IBGT模块T3_A的c级连接二极管D2的正极，二极管 D2的负极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与IBGT模块T2_A 的e级连接，所述二极管D2的负极连接电流输出中端01 端。
前述的大功率双向交直流一体电源装置中，所述第二三相双向半桥电路包括三个相同的双向单相半桥电路；所述双向单相半桥电路包括IBGT模块T1_E、IBGT模块T2_E、IBGT模块T3_E和IBGT模块T4_E，二极管D7和二极管D8；所述IBGT模块T1_E的e级连接电流输入DC+ 端，所述IBGT模块T1_E的c级与IBGT模块T2_E的e级连接，所述 IBGT模块T2_E的c级与IBGT模块T3_E的e级连接，所述IBGT模块T3_E的c级与IBGT模块T4_E的e级连接，所述IBGT模块T4_E 的c级连接电流输入DC-端；所述IBGT模块T2_E的c极连接电流输出G端；所述IBGT模块T3_E的c级连接二极管D8的正极，二极管 D8的负极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极与IBGT模块T2_E 的e级连接；所述二极管D8的负极连接电流输入中端02 端。
前述的大功率双向交直流一体电源装置中，所述第一三相双向半桥电路的电流输出DC+端、电流输出中端01端之间并联有电容C7；所述第一三相双向半桥电路的电流输出DC-端和电流输出中端01端之间并联有电容C8。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可以同时实现可调直流电源和可调交流电源两种功能，可满足不同的测试需求，根据需求选择直流源模式或者交流源模式，则该设备可作为直流电压源或者交流电压源使用，有效地降低设备购置成本。
2、本发明不仅可以作为电源使用，也可以作为负载使用，相比较传统的交流或者直流电源，能量可以实现双向流动。
3、本发明在作为电流使用时，具有能量回馈功能，可以减少部分电机测试场合的电能消耗，大大节约使用成本。
4、本发明的第一三相双向半桥电路和第二三相双向半桥电路与普通的三相双向半桥电路相比采用NPC I型电路拓扑，可以实现更高电压的直流或者交流输出。
5、本发明对传统的三相双向半桥电路进行改进，改进后的三相双向半桥电路，在相同输出电压电流下自身损耗更低，可以实现更高的开关频率，比传统的交流或者直流电源功率密度更高，相同功率等级下体积更小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是第一三相双向半桥电路的电路图；
图3是第二三相双向半桥电路的电路图；
图4是第一三相双向半桥电路和第二三相双向半桥电路的电路连接图；
图5是第一三相双向半桥电路中的双向单相电路的桥式等效电路图；
图6是本发明的操作步骤图。
1-电源输入端；2-LCL滤波器；3-第一三相双向半桥电路；4-第二三相双向半桥电路；5-LC滤波器；6-电源输出端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种大功率双向交直流一体电源装置，如图1-4所示，包括电源输入端1，电源输入端1连接有LCL滤波器2，LCL滤波器2 连接有第一三相双向半桥电路3，第一三相双向半桥电路3连接第二三相双向半桥电路4，第二三相双向半桥电路4连接有LC滤波器5， LC滤波器5连接有电源输出端6。
所述第一三相双向半桥电路3包括三个相同的双向单相半桥电路A、B和C组成；所述双向单相半桥电路A包括IBGT模块T1_A、 IBGT模块T2_A、IBGT模块T3_A和IBGT模块T4_A，二极管D1和二极管D2；所述IBGT模块T1_A的e级连接电流输出DC+端，所述IBGT 模块T1_A的c级与IBGT模块T2_A的e级连接，所述IBGT模块T2_A 的c级与IBGT模块T3_A的e级连接，所述IBGT模块T3_A的c级与 IBGT模块T4_A的e级连接，所述IBGT模块T4_A的c级连接电流输出DC-端；所述IBGT模块T2_A的c极连接电源输入D端；所述IBGT 模块T3_A的c级连接二极管D2的正极，D2的负极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与二极管T2_A的e级连接，所述二极管D2 的负极连接电流输出中端01 端。
所述双向单相半桥电路B包括IBGT模块T1_B、IBGT模块T2_B、 IBGT模块T3_B和IBGT模块T4_B，二极管D3和二极管D4；所述IBGT 模块T1_B的e级连接电流输出DC+端，所述IBGT模块T1_B的c级与IBGT模块T2_B的e级连接，所述IBGT模块T2_B的c级与IBGT 模块T3_B的e级连接，所述IBGT模块T3_B的c级与IBGT模块T4_B 的e级连接，所述IBGT模块T4_B的c级连接电流输出DC-端；所述 IBGT模块T2_B的c极连接电源输入E端；所述IBGT模块T3_B的c级连接二极管D4的正极，二极管D4的负极连接D3的正极，二极管 D3的负极与IBGT模块T2_B的e级连接，所述二极管D4的负极连接有电流输出中端01 端。
所述双向单相半桥电路C包括ICGT模块T1_C、ICGT模块T2_C、 ICGT模块T3_C和ICGT模块T4_C，二极管D5和二极管D6；所述ICGT 模块T1_C的e级连接电流输出DC+端，所述ICGT模块T1_C的c级与ICGT模块T2_C的e级连接，所述ICGT模块T2_C的c级与ICGT 模块T3_C的e级连接，所述ICGT模块T3_C的c级与ICGT模块T4_C 的e级连接，所述ICGT模块T4_C的c级连接电流输出DC-端；所述 ICGT模块T2_C的c极连接电流输入F端；所述ICGT模块T3_C的c级连接二极管D6的正极，二极管D6的负极连接D5的正极，二极管 D5的负极与ICGT模块T2_C的e级连接，所述二极管D6的负极连接电流输出中端01 端。
所述第二三相双向半桥电路4包括三个相同的双向单相半桥电路E、F和G组成；所述双向单相半桥电路E包括IBGT模块T1_E、 IBGT模块T2_E、IBGT模块T3_E和IBGT模块T4_E，二极管D7和二极管D8；所述IBGT模块T1_E的e级连接电流输入DC+端，所述IBGT 模块T1_E的c级与IBGT模块T2_E的e级连接，所述IBGT模块T2_E 的c级与IBGT模块T3_E的e级连接，所述IBGT模块T3_E的c级与 IBGT模块T4_E的e级连接，所述IBGT模块T4_E的c级连接电流输入DC-端；所述IBGT模块T2_E的c极连接电流输出G端；所述IBGT 模块T3_E的c级连接二极管D8的正极，二极管D8的负极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极与IBGT模块T2_E的e级连接；所述二极管D8的负极连接电流输入中端02 端。
所述双向单相半桥电路F包括IBGT模块T1_F、IBGT模块T2_F、 IBGT模块T3_F和IBGT模块T4_F，二极管D9和二极管D9D10；所述 IBGT模块T1_F的F级连接电流输入DC+端，所述IBGT模块T1_F的 c级与IBGT模块T2_F的F级连接，所述IBGT模块T2_F的c级与IBGT 模块T3_F的F级连接，所述IBGT模块T3_F的c级与IBGT模块T4_F 的F级连接，所述IBGT模块T4_F的c级连接电流输入DC-端；所述 IBGT模块T2_F的c极连接电流输出H端；所述IBGT模块T3_F的c 级连接二极管D10的正极，二极管D10的负极连接二极管D9的正极，二极管D9的负极与IBGT模块T2_F的F级连接；所述二极管D10的负极连接电流输入中端02 端。
所述双向单相半桥电路G包括IBGT模块T1_G、IBGT模块T2_G、 IBGT模块T3_G和IBGT模块T4_G，二极管D11和D12；所述IBGT模块T1_G的G级连接电流输入DC+端，所述IBGT模块T1_G的c级与 IBGT模块T2_G的G级连接，所述IBGT模块T2_G的c级与IBGT模块T3_G的G级连接，所述IBGT模块T3_G的c级与IBGT模块T4_G 的G级连接，所述IBGT模块T4_G的c级连接电流输入DC-端；所述 IBGT模块T2_G的c极连接电流输出I端；所述IBGT模块T3_G的c 级连接二极管D12的正极，二极管D12的负极连接二极管D11的正极，二极管D11的负极与IBGT模块T2_G的G级连接；所述二极管D12 的负极连接电流输入中端02 端。
所述第一三相双向半桥电路3的输出端设有电流输出DC+端、电流输出中端01端和电流输出DC-端；第二三相双向半桥电路4的输入端设有电流输入DC+端、电流输入中端02端和电流输入DC-端；第二三相双向半桥电路4的输出端设有输出端G、输出端H和输出端I；所述的电源输出端6包括电源输出A端、电源输出B端、电源输出C 端和电源输出N端；所述第一三相双向半桥电路3的电流输出DC+端与电流输入DC+端相连，所述的电流输出中端01端与电流输入中端 02端相连，所述的电流输出DC-端与电流输入DC-端相连；所述的LC 滤波器包括与输出端G相连的电感L7、与输出端H相连的电感L8和与输出端I相连的电感L9，所述的电感L7与电源输出A端相连，电感L8与电源输出B端相连，电感L9与电源输出C端相连；所述的电感L7还连接有电容C6，电感L8连接有电容C5，电感L9连接有电容 C4，所述的电容C6、电容C5和电容C4均与电源输出N端相连。
所述的电流输出中端01端连接有接触器K6，电流输出DC-端连接有接触器K7，接触器K6和接触器K7均与电源输出N端相连；所述的电感L8连接有接触器K4和接触器K5，所述的接触器K4与电源输出端C相连，所述的接触器K5与电源输出端A相连。
所述第一三相双向半桥电路3的电流输出DC+端、电流输出中端 01端之间并联有电容C7；所述第一三相双向半桥电路3的电流输出 DC-端和电流输出中端01端之间并联有电容C8。
如图5所示，因为IGBT模块与二极管具有相同的开关特性，可将IGBT模块等效为二极管，可将双向单相电路等效成传统的桥式整流电路，利用IGBT模块T2_A、IGBT模块T3_A与二极管D1、二极管 D2的开关特性，交替导通，来实现整流，将交流电变化直流电。
可通过改变IBGT模块T1_E、IBGT模块T2_E、IBGT模块T3_E 和IBGT模块T4_E，二极管D7和二极管D的交替导通周期状态，来对经第一三相双向半桥电路3整流后的直流电进行变换。
如图6所示，当接触器K4、K5断开，K6闭合，K7断开，第二三相双向半桥电路4的控制器执行交流源控制程序，控制IBGT模块 T1_E、IBGT模块T2_E、IBGT模块T3_E和IBGT模块T4_E，二极管 D7和二极管D的交替导通，而将直流电变换为交流电，并从电源输出A端、电源输出B端和电源输出C端输出。
当接触器K4闭合，接触器K5闭合，接触器K6断开，接触器K7 闭合，所述第二三相双向半桥电路4的控制器执行直流源控制程序，控制IBGT模块T1_E、IBGT模块T2_E、IBGT模块T3_E和IBGT模块 T4_E，二极管D7和二极管D8的交替导通。此时电源输出A、B和C 端并联变为电源输出DC+端,因为接触器K7闭合，电流输出DC-与电源输出N端连接，所以D电源输出N端变为电源输出DC-端。
因为第一三相双向半桥电路3与第二三相双向半桥电路4的电路结构相同，使得第一三相双向半桥电路3与第二三相双向半桥电路4 具有同样的等效电路，所以该电源装置具有双向交直流转换的特性。
工作原理：如图6所示，根据需要选择交流输出模式或者直流输出模式，当接触器K4、K5断开，接触器K6闭合，接触器K7断开，此时，电流经第一三相双向半桥电路3整流后变成直流电，第二三相双向半桥电路4的控制器执行交流源控制程序，控制IBGT模块T1_E、IBGT模块T2_E、IBGT模块T3_E和IBGT模块T4_E，二极管D7和二极管D8的交替导通，将直流电变换为交流电，从电源输出A、电源输出B端和电源输出C端输出。当接触器K4、K5闭合，接触器K6 断开，接触器K7闭合，所述第二三相双向半桥电路4的控制器执行直流源控制程序，控制IBGT模块T1_E、IBGT模块T2_E、IBGT模块 T3_E和IBGT模块T4_E，二极管D7和二极管D8的交替导通。此时电源输出A、电源输出B端和电源输出C端并联变为电源输出DC+端, 因为接触器K7闭合，电流输出DC-与电源输出N端连接，所以D电源输出N端变为电源输出DC-端。

Claims (2)

1.大功率双向交直流一体电源装置，其特征在于：包括电源输入端(1)，电源输入端(1)连接有LCL滤波器(2)，LCL滤波器(2)连接有第一三相双向半桥电路(3)，第一三相双向半桥电路(3)连接第二三相双向半桥电路(4)，第二三相双向半桥电路(4)连接有LC滤波器(5)，LC滤波器(5)连接有电源输出端(6)；
所述第一三相双向半桥电路(3)的输出端设有电流输出DC+端、电流输出中端01端和电流输出DC-端；第二三相双向半桥电路(4)的输入端设有电流输入DC+端、电流输入中端02端和电流输入DC-端；第二三相双向半桥电路(4)的输出端设有输出端G、输出端H和输出端I；所述的电源输出端(6)包括电源输出A端、电源输出B端、电源输出C端和电源输出N端；所述第一三相双向半桥电路(3)的电流输出DC+端与电流输入DC+端相连，所述的电流输出中端01端与电流输入中端02端相连，所述的电流输出DC-端与电流输入DC-端相连；所述的LC滤波器包括与输出端G相连的电感L7、与输出端H相连的电感L8和与输出端I相连的电感L9，所述的电感L7与电源输出A端相连，电感L8与电源输出B端相连，电感L9与电源输出C端相连；所述的电感L7还连接有电容C6，电感L8连接有电容C5，电感L9连接有电容C4，所述的电容C6、电容C5和电容C4均与电源输出N端相连；
所述的电流输出中端01端连接有接触器K6，电流输出DC-端连接有接触器K7，接触器K6和接触器K7均与电源输出N端相连；所述的电感L8连接有接触器K4和接触器K5，所述的接触器K4与电源输出端C相连，所述的接触器K5与电源输出端A相连；
所述第一三相双向半桥电路(3)包括三个相同的双向单相半桥电路；所述双向单相半桥电路包括IBGT模块T1_A、IBGT模块T2_A、IBGT模块T3_A和IBGT模块T4_A，二极管D1和二极管D2；所述IBGT模块T1_A的e级连接电流输出DC+端，所述IBGT模块T1_A的c级与IBGT模块T2_A的e级连接，所述IBGT模块T2_A的c级与IBGT模块T3_A的e级连接，所述IBGT模块T3_A的c级与IBGT模块T4_A的e级连接，所述IBGT模块T4_A的c级连接电流输出DC-端；所述IBGT模块T2_A的c极连接电流输入D端；所述IBGT模块T3_A的c级连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与IBGT模块T2_A的e级连接，所述二极管D2的负极连接有电流输出中端01 端；
所述第二三相双向半桥电路(4)包括三个相同的双向单相半桥电路；所述双向单相半桥电路包括IBGT模块T1_E、IBGT模块T2_E、IBGT模块T3_E和IBGT模块T4_E，二极管D7和二极管D8；所述IBGT模块T1_E的e级连接电流输入DC+端，所述IBGT模块T1_E的c级与IBGT模块T2_E的e级连接，所述IBGT模块T2_E的c级与IBGT模块T3_E的e级连接，所述IBGT模块T3_E的c级与IBGT模块T4_E的e级连接，所述IBGT模块T4_E的c级连接电流输入DC-端；所述IBGT模块T2_E的c极连接电流输出G端；所述IBGT模块T3_E的c级连接二极管D8的正极，二极管D8的负极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极与IBGT模块T2_E的e级连接；所述二极管D8的负极连接电流输入中端02 端。
2.根据权利要求1所述的大功率双向交直流一体电源装置，其特征在于：所述第一三相双向半桥电路(3)的电流输出DC+端、电流输出中端01端之间并联有电容C7；所述第一三相双向半桥电路(3)的电流输出DC-端和电流输出中端01端之间并联有电容C8。
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