CN110518785A - 一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，属于电力电子领域。本发明包括输入电感、隔离变压器、三组三相全桥整流电路、直流侧电容、负载、两组注入变压器、两组单相全波整流电路、两个开关管、两个钳位二极管、两组控制电路。隔离变压器主要作用是产生三组相位相差20°的三相电压；谐波注入电路由注入变压器、单相全波整流电路、开关管组成，控制电路通过控制开关管的导通和关断来控制注入变压器的原边绕组电压，向整流器直流侧注入电压谐波，对整流桥输出电压进行调制，达到抑制整流器输入电压谐波的目的。本发明所采用的谐波注入电路体积小，变压器容量小，谐波抑制代价低，谐波抑制效果显著。本发明适用于大功率场合。

Description

一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器
技术领域
本发明涉及一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，属于电力电子控制领域。
背景技术
多脉波整流器是大功率电力电子装置与交流电网的常用接口。多脉波整流器虽然结构简单，可靠性强，但由于整流器件非线性所产生的谐波污染降低了多脉波整流器的输入电能质量。因此，抑制多脉波整流器输入侧谐波，提高多脉波整流器输入电能质量，成为当下该领域亟待解决的问题。
提高多脉波整流器输入电能质量的方法有两种，一种是设计移相变压器，使多脉波整流器的输出相数增多，另一种是设计谐波注入电路，通过向整流器直流侧注入电压或电流谐波来抵消整流器所产生的特定次数谐波。为了增加安全系数，移相变压器多采用隔离变压器，但隔离变压器输出相数超过三相时变压器设计困难，且变压器结构会产生严重的不对称，从而增加非特征次谐波的含量。谐波注入电路不需要增加移相变压器输出相数，相比于不加谐波抑制电路的多脉波整流器，主电路的制作成本不会增加；由于整流系统中谐波含量远小于基波含量，谐波注入电路的容量也远小于移相变压器的容量，谐波抑制代价低。综合上述提高多脉波整流器电能质量的方法，本发明提出了一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，将两种提高整流器输入电能质量的方法结合起来，设计18脉波隔离变压器，使整流器输出相数增加一相，消除了12次谐波；采用混合谐波抑制方法，谐波注入电路由无源谐波注入电路和有源谐波注入电路组成，利用无源谐波注入电路消除整流器的低次谐波，利用有源谐波注入电路消除整流器的高次谐波；与12脉波整流器相比，输入电压THD值由12％降低到2％，极大改善了电能质量。
发明内容
本发明的目的是为了多脉波整流器的谐波抑制能力，进而提供一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，通过设计移相变压器使整流器输出相数增加一相，提高谐波抑制能力；通过控制开关管的导通和关断，向整流器直流侧注入电压谐波，对各整流桥输出电压进行补偿，达到抑制整流器输入电压谐波的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器包括输入电感、隔离变压器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第三组三相全桥整流电路、直流侧电容、负载、第一组注入变压器、第二组注入变压器、第一组单相全波整流电路、第二组单相全波整流电路、第一个开关管、第二个开关管、第一个钳位二极管、第二个钳位二极管、第一组控制电路和第二组控制电路，输入电感的左端分别与三相电压源相连，输入电感的右端与隔离变压器的原边绕组相连；隔离变压器的三组副边绕组分别与第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第三组三相全桥整流电路相连；第一组三相全桥整流电路的、第二组三相全桥整流电路、第三组三相全桥整流电路串联连接，并与直流侧电容和负载并联连接，输出电压变为三倍；直流侧电容上端与第一组三相全桥整流电路的输出端正极和负载的正极相连，下端与第三组三相全桥整流电路的输出端负极和负载的负极相连；第一组注入变压器、第二组注入变压器的输入端左侧分别与三组三相全桥整流电路的连接点F、S相连，输入端右侧分别于直流侧电容的连接点P、T相连，两组注入变压器的副边绕组带有中心抽头，两个中心抽头分别与直流侧电容的T、G相连；第一组单相全波整流电路和第二组单相全波整流电路的输入端分别与两组注入变压器的输出端相连；第一个开关管、第二个开关管的集电极分别与两组单相全波整流电路的输出端正极相连，两个开关管的发射极分别与两组注入变压器的中心抽头相连；第一个钳位二极管、第二个钳位二极管的阳极分别与两组单相全波整流电路的输出端正极相连，两个钳位二极管的阴极分别与直流侧电容的K点和P点相连；第一组控制电路、第二组控制电路的采样端分别与两组注入变压器的同名端相连，两组控制电路的输出端分别与两个开关管的栅极相连。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述输入电感由三个大小相同的大电感构成，输入电源等效为三相平衡的电流源。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述隔离变压器为移相变压器，变压器原、副边存在电气隔离，隔离变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有6个绕组，包括1个原边绕组和5个副边绕组，各绕组相互独立，各绕组匝比为N1:N2:N3:N4:N5:N6＝1.73:1:0.742:0.395:0.742:0.395，原边绕组组成三角形联结，副边绕组构成星形联结，产生三组大小相等，相位相差20°的三相电压。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路和第三组三相全桥整流电路采用不控整流器件。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述直流侧电容由三个大小相同的大电容组成，整流器输出电压为恒定的直流电压。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述第一组注入变压器、第二组注入变压器分别由一个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述第一组单相全波整流电路和第二组单相全波整流电路由两个二极管组成。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述谐波抑制电路由无源谐波抑制电路和有源谐波抑制电路组成，当开关管发生故障时，整流器仍对谐波有较好的抑制作用。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，采用的隔离变压器副边绕组为延边星形联结，变压器对称性高，避免了由于变压器结构不对称而产生非特征次谐波；采用的谐波注入电路由无源谐波注入电路和有源谐波注入电路组成，谐波注入电路有较好的适应性，即使开关管发生故障，无源谐波注入电路仍能工作，对谐波仍有一定的抑制作用；本发明所采用的整流桥为二极管整流桥，不需要复杂的控制，可靠性高，适用于大功率场合。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明中隔离变压器绕组结构图；
图3为本发明中第一组注入变压器绕组结构图；
图4为本发明中第二组注入变压器绕组结构图；
图5为本发明中谐波注入电路工作模态I的电路图；
图6为本发明中谐波注入电路工作模态II的电路图；
图7为本发明中谐波注入电路工作模态III的电路图；
图8为本发明中谐波注入电路工作模态IV的电路图；
图9为本发明中谐波注入电路工作模态V的电路图；
图10为本发明中谐波注入电路工作模态VI的电路图；
图11为本发明中谐波注入电路工作模态VII的电路图。
图1至图10中，usa、usb、usc为三相电压源，ia、ib、ic为三相输入电流，ia1、ib1、ic1为第一组三相全桥整流电路输入电流，ia2、ib2、ic2为第二组三相全桥整流电路输入电流，ia3、ib3、ic3为第三组三相全桥整流电路输入电流，ix1为第一组注入变压器原边绕组电流，ix2为第二组注入变压器原边绕组电流，iRec1为第一组三相全桥整流电路输出电流，iRec2为第二组三相全桥整流电路输出电流，iRec3为第三组三相全桥整流电路输入电流，N1为隔离变压器原边绕组匝数，N2、N3、N4、N5、N6为隔离变压器副边绕组匝数，N7为注入变压器原边绕组匝数，N8为注入变压器副边绕组匝数。
图中附图标记有：1为输入电感；2为隔离变压器；3为第一组三相全桥整流电路；4为第二组三相全桥整流电路；5为第三组三相全桥整流电路；6为直流侧电容；7为负载；8为第一组注入变压器；9为第二组注入变压器；10为第一组单相全波整流电路；11为第二组单相全波整流电路；12为第一个开关管；13为第二个开关管；14为第一个钳位二极管；15为第二个钳位二极管；16为第一组控制电路；17为第二组控制电路。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，包括输入电感、隔离变压器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第三组三相全桥整流电路、直流侧电容、负载、第一组注入变压器、第二组注入变压器、第一组单相全波整流电路、第二组单相全波整流电路、第一个开关管、第二个开关管、第一个钳位二极管、第二个钳位二极管、第一组控制电路、第二组控制电路；输入电感由三个相同大小的电感组成，左端分别与三相电压源相连，右端与隔离变压器原边绕组相连，输入电源等效为电流源；隔离变压器作为移相变压器，原边绕组采用三角形连接，副边绕组构成三组星形连接，产生三组大小相等，相位相差20°的三相电压，原边绕组与输入电感相连，三组副边绕组分别与第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第三组三相全桥整流电路相连；第一组三相全桥整流电路的、第二组三相全桥整流电路、第三组三相全桥整流电路串联连接，与直流侧电容和负载并联连接，输出电压变为三倍；直流侧电容由三个大小相等的大电容组成，上端与第一组三相全桥整流电路的输出端正极和负载的正极相连，下端与第三组三相全桥整流电路的输出端负极和负载的负极相连；第一组注入变压器、第二组注入变压器的输入端左侧分别与三组三相全桥整流电路的连接点F、S相连，输入端右侧分别于直流侧电容的连接点P、T相连，两组注入变压器的副边绕组带有中心抽头，两个中心抽头分别与T、G相连；第一组单相全波整流电路和第二组单相全波整流电路的输入端分别与两组注入变压器的输出端相连；第一个开关管、第二个开关管的集电极分别与两组单相全波整流电路的输出端正极相连，两个开关管的发射极分别与两组注入变压器的中心抽头相连；第一个钳位二极管、第二个钳位二极管的阳极分别与两组单相全波整流电路的输出端正极相连，两个钳位二极管的阴极分别与K点和P点相连；第一组控制电路、第二组控制电路的采样端分别与两组注入变压器的同名端相连，两组控制电路的输出端分别与两个开关管的栅极相连。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述输入电感由三个大小相同的大电感构成，输入电源等效为三相平衡的电流源。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述隔离变压器为移相变压器，变压器原、副边存在电气隔离，隔离变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有6个绕组，包括1个原边绕组和5个副边绕组，各绕组相互独立，各绕组匝比为N1:N2:N3:N4:N5:N6＝1.73:1:0.742:0.395:0.742:0.395，原边绕组组成三角形联结，副边绕组构成星形联结，有助于提高输出功率，产生三组大小相等，相位相差20°的三相电压。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第三组三相全桥整流电路采用不控整流器件，可靠性高。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述直流侧电容由三个大小相同的大电容组成，整流器输出电压为恒定的直流。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述第一组注入变压器、第二组注入变压器分别由一个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组，注入变压器体积小，容量低，谐波抑制代价小。
本发明一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述第一组单相全波整流电路、第二组单相全波整流电路由两个二极管组成，损耗小。
本发明使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述谐波抑制电路由无源谐波抑制电路和有源谐波抑制电路组成，当开关管发生故障时，整流器仍对谐波有较好的抑制作用，可靠性高。
实施例二：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述的使用直流侧混合谐波直接注入法的大功率整流器，其抑制谐波的具体方法是：
两组控制电路分别对电流ix1和ix2进行采样，采样信号与采样电流同相位，采样信号通过过零比较生成方波信号ut，ut经积分电路生成斜坡信号ui，ui与各参考电压信号进行比较，得到控制信号uc，控制信号uc通过控制开关管的导通和关断，从而控制谐波注入电路产生所需的期望电压调制信号；电压调制信号对三个整流桥的输出电压进行调制，消除整流桥输入电压的谐波分量，进而抑制整流器输入电压谐波，使整流器输入电压波形趋于正弦。
实施例三：如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述隔离变压器由三个相同的芯柱组成，每个芯柱上有6个绕组，包括1个原边绕组和5个副边绕组，六个绕组的匝比为N1:N2:N3:N4:N5:N6＝1.73:1:0.742:0.395:0.742:0.395；绕组a1、a2、a3、a4、a5、a6位于同一芯柱上，绕组b1、b2、b3、b4、b5、b6位于同一芯柱上，绕组c1、c2、c3、c4、c5、c6位于同一芯柱上；原边绕组a1、b1、c1构成星形连接，其正端分别与A、B、C点相连；副边绕组a2、b2、c2、a3、b3、c3构成延边星形连接，绕组a2、b2、c2负端相连，正端分别与绕组b3、c3、a3的正端相连；副边绕组a4、b4、c4构成星形连接，且负端连接到一起；副边绕组a5、b5、c5、a6、b6、c6构成延边星形连接，绕组a5、b5、c5负端相连，正端分别与绕组c6、a6、b6的正端相连。
本实施方式采用隔离式变压器，变压器原、副边存在电气隔离，使得变压器具有较高的安全性。
实施例四：如图1、图3和图4所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，所述注入变压器为单相变压器，每个变压器由一个芯柱构成，芯柱上有三个绕组，一个原边绕组和两个副边绕组，两组注入变压器的输入端左侧分别连接到三组整流桥的连接点F、S上，两组注入变压器的输入端右侧分别连接到直流侧电容的P点、T点，两组注入变压器的副边绕组带有中心抽头，分别连接到两组单相全波整流电路的输入端，注入变压器和单相全波整流电路共同构成谐波注入电路。
本实施方式所采用的注入变压器结构简单，对称性强，容量小，谐波抑制代价低。
实施例五：下面结合图1、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，谐波注入电路的工作模态如下：
谐波注入电路由注入变压器和单相全波整流电路组成，根据变压器的结构和整流桥的导通模态可知ix1与ix2为幅值相等，相位相差20°的6倍频三角波，且ix2超前ix120°电源角度；其中，uFP为F点与P点之间的电位差，uST为S点与T点之间的电位差；
当ix1<0，ix2>0，VD1导通，VD2关断时，uFP＝0，uST>0，谐波注入电路工作模态如图5所示；
当ix1>0，ix2>0，VD1导通，VD2关断时，uFP＝0，uST>0，谐波注入电路工作模态如图5所示；
当ix1>0，ix2>0，VD1关断，VD2关断时，uFP>0，uST>0，谐波注入电路工作模态如图6所示；
当ix1>0，ix2<0，VD1关断，VD2导通时，uFP>0，uST＝0，谐波注入电路工作模态如图7所示；
当ix1>0，ix2<0，VD1关断，VD2关断时，uFP>0，uST<0，谐波注入电路工作模态如图8所示；
当ix1>0，ix2<0，VD1导通，VD2关断时，uFP＝0，uST<0，谐波注入电路工作模态如图9所示；
当ix1<0，ix2<0，VD1导通，VD2关断时，uFP＝0，uST<0，谐波注入电路工作模态如图9所示；
当ix1<0，ix2<0，VD1关断，VD2导通时，uFP<0，uST＝0，谐波注入电路工作模态如图10所示；
当ix1<0，ix2>0，VD1关断，VD2导通时，uFP<0，uST＝0，谐波注入电路工作模态如图10所示；
当ix1<0，ix2>0，VD1关断，VD2关断时，uFP<0，uST>0，谐波注入电路工作模态如图11所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于，所述使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器包括输入电感(1)、隔离变压器(2)、第一组三相全桥整流电路(3)、第二组三相全桥整流电路(4)、第三组三相全桥整流电路(5)、直流侧电容(6)、负载(7)、第一组注入变压器(8)、第二组注入变压器(9)、第一组单相全波整流电路(10)、第二组单相全波整流电路(11)、第一个开关管(12)、第二个开关管(13)、第一个钳位二极管(14)、第二个钳位二极管(15)、第一组控制电路(16)和第二组控制电路(17)，输入电感(1)的左端分别与三相电压源相连，输入电感(1)的右端与隔离变压器(2)的原边绕组相连；隔离变压器(2)的三组副边绕组分别与第一组三相全桥整流电路(3)、第二组三相全桥整流电路(4)、第三组三相全桥整流电路(5)相连；第一组三相全桥整流电路的(3)、第二组三相全桥整流电路(4)、第三组三相全桥整流电路(5)串联连接，并与直流侧电容(6)和负载(7)并联连接，输出电压变为三倍；直流侧电容(6)上端与第一组三相全桥整流电路(3)的输出端正极和负载(7)的正极相连，直流侧电容(6)下端与第三组三相全桥整流电路(5)的输出端负极和负载(7)的负极相连；第一组注入变压器(8)、第二组注入变压器(9)的输入端左侧分别与三组三相全桥整流电路的连接点F、S相连，输入端右侧分别于直流侧电容(6)的连接点P、T相连，两组注入变压器的副边绕组带有中心抽头，两个中心抽头分别与直流侧电容(6)的T、G相连；第一组单相全波整流电路(10)和第二组单相全波整流电路(11)的输入端分别与两组注入变压器的输出端相连；第一个开关管(12)、第二个开关管(13)的集电极分别与两组单相全波整流电路的输出端正极相连，两个开关管的发射极分别与两组注入变压器的中心抽头相连；第一个钳位二极管(14)、第二个钳位二极管(15)的阳极分别与两组单相全波整流电路的输出端正极相连，两个钳位二极管的阴极分别与直流侧电容(6)的K点和P点相连；第一组控制电路(16)、第二组控制电路(17)的采样端分别与两组注入变压器的同名端相连，两组控制电路的输出端分别与两个开关管的栅极相连。
2.根据权利要求1所述一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于：所述输入电感(1)由三个大小相同的大电感构成，输入电源等效为三相平衡的电流源。
3.根据权利要求1所述一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于：所述隔离变压器(2)为移相变压器，变压器原、副边存在电气隔离，隔离变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有6个绕组，包括1个原边绕组和5个副边绕组，各绕组相互独立，各绕组匝比为N1:N2:N3:N4:N5:N6＝1.73:1:0.742:0.395:0.742:0.395，原边绕组组成三角形联结，副边绕组构成星形联结，产生三组大小相等，相位相差20°的三相电压。
4.根据权利要求1所述一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于：所述第一组三相全桥整流电路(3)、第二组三相全桥整流电路(4)和第三组三相全桥整流电路(5)采用不控整流器件。
5.根据权利要求1所述一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于：所述直流侧电容(6)由三个大小相同的大电容组成，整流器输出电压为恒定的直流电压。
6.根据权利要求1所述一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于：所述第一组注入变压器(8)和第二组注入变压器(9)分别由一个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组。
7.根据权利要求1所述一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于：所述第一组单相全波整流电路(10)和第二组单相全波整流电路(11)由两个二极管组成。
8.根据权利要求1所述一种使用直流侧混合谐波注入法的大功率整流器，其特征在于：所述谐波抑制电路由无源谐波抑制电路和有源谐波抑制电路组成，当开关管发生故障时，整流器仍对谐波有较好的抑制作用。
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