CN111786582A - 一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器 - Google Patents

一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，属于电力电子技术领域。该串联型12脉波整流器电力电子变换器与中高频移相变压器共同组成电力电子变压器。电力电子变换器包括两组三相二极管整流桥、开关管、二极管、钳位电路和控制电路。电力电子变换器由控制电路控制两个开关管通断，对输入的交流电进行升频，中高频变压器主要用来移相与隔离，两组三相全桥整流电路串联连接，输出电压加倍，直流侧采用大电容滤波。本发明所述基于低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，减小了移相变压器的体积，减轻了其重量，且电力电子变换器的结构简单，无源器件少，可靠性高，效果稳定。本发明适应于中高频大功率整流场合。

Description

一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器
技术领域
本发明涉及一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，属于电力电子技术领域。
背景技术
多脉波整流器可靠性高，稳定性强，多应用于电解，电镀，电力系统等大功率场合。移相变压器是多脉波整流电路的必需器件，其主要作用是为整流桥提供几组存在相位差的三相电压。但是其移相变压器体积大，质量重，多脉波整流器的功率密度不高等问题严重限制了多脉波整流器的应用场合。为此将电力电子变压器应用于多脉波整流电路中，进而解决移相变压器体积庞大，质量重等问题，但是电力电子变压器中的电力电子变换器开关器件复杂程度高，不易控制，又一定程度上限制了多脉波整流器的应用场合。于是将低复杂度的电力电子变换器与传统的移相变压器相结合，既能降低电力电子变换器的复杂程度，易于控制，又可拥有中高频变压器的小体积与轻质量的优点。所以，一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器应运而生。
发明内容
本发明的目的是为了减小移相变压器的体积和降低其重量，提升多脉波整流器的功率密度，以及降低电力电子变换器开关器件的复杂程度，进而提供一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，所述使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器包括输入电感、电力电子变换器、中高频移相变压器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第一个直流侧电容、第二个直流侧电容、负载和PWM控制电路；电力电子变换器与中高频移相变压器共同组成电力电子变压器；输入电感左端分别与三相电压源相连，输入电感右端分别与中高频移相变压器的每相原边双绕组的中心点相连；中高频移相变压器的两组绕组的异名端分别与电力电子变换器的两组三相整流桥相连；电力电子变换器的两个开关管的通断受控于PWM控制电路的控制信号；中高频移相变压器的两个副边绕组分别采用星型联结和角型联结，中高频移相变压器的两个副边绕组输出两组相位相差30°的三相电压；第一组三相全桥整流电路的输入端与中高频移相变压器的输出端a1、b1、c1相连，第二组三相全桥整流电路的输入端与中高频移相变压器的输出端a2、b2、c2相连；第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路串联连接，输出电压加倍；第一个直流侧电容与第二个直流侧电容串联连接；第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路与第一个直流侧电容和第二个直流侧电容及负载并联连接。
本发明一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，输入电感Ls为包括高频变压器漏感在内的整流器总电感，并分别与三相交流电压源usa、usb、usc串联连接。
本发明一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于：电力电子变换器与中高频移相变压器共同组成电力电子变压器，电力电子变换器由三相二极管整流桥、开关管、二极管以及钳位电路共同组成，中高频移相变压器一次侧的两组绕组相位相差180°，第一组绕组连接三相二极管整流桥Rec3，第二组绕组连接三相二极管整流桥Rec4；整流桥Rec3和Rec4分别与开关管S1和S2并联连接，通过二极管D1、D2和D3、D4共用一个钳位电路。
本发明一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，所述控制电路由电压相位采样电路、控制信号生成电路以及驱动电路三部分组成，采样电路对电压usa相位进行采样，将采集到的相位信息送入到控制信号生成电路中；PWM控制电路使用占空比为0.5的高频方波信号控制开关管S1和S2的开通关断，将输入工频交流电变换为高频交流电；开关管S1和S2的控制信号严格同步，以确保整流器的三相平衡。
本发明一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，所述中高频移相变压器采用隔离式变压器结构来提高整流器的可靠性，中高频移相变压器由3根芯柱组成，每根芯柱上有2个原边绕组和2个副边绕组，高频变压器原边两组绕组的匝比满足N1:N2＝1:1，相位相差180°，副边2个绕组分别采用星型联结和角型联结，星型联结的绕组与角型联结的绕组匝比为1:1.73，电力电子变压器副边绕组输出的两组三相电压幅值相等；星型联结的绕组与原边绕组电压相位相同，角型联结的绕组与原边绕组相位相差30°。
本发明一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路串联连接，输出电压加倍；第一个直流侧电容与第二个直流侧电容采用大电容滤波。
本发明一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，电力电子变换器与中高频移相变压器共同组成电力电子变压器，通过使用占空比为0.5的高频方波信号控制开关管S1和S2的开通关断，将输入工频交流电变换为高频交流电，从而降低移相变压器的体积与质量。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)相对于工频自耦变压器，该变压器原副边隔离，可靠系数高，可以实现电压等级的变换。
2)电力电子变换器复杂度低，仅适用于两个有源开关器件。
3)控制方式为开环控制，控制方法简单，控制效果稳定。
4)本发明所采用的两个整流桥串联连接，整流器输出电压加倍，适用于高压场合。
5)本发明所采用的输出电容为大电容，由于大电容的稳压作用，整流器输出电压维持恒定。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明所采用的隔离变压器绕组结构图；
图3为本发明电力电子变换器开关管S1和S2控制信号的开关函数；
图4为本发明a相高频变压器输入电压波形；
图5为本发明的电力电子变换器的工作模态I的电路图；
图6为本发明的电力电子变换器的工作模态II的电路图；
图7为本发明所采用的控制电路图；
图1中，usa、usb、usc为三相交流电源，ia、ib、ic为三相输入电流，ia3、ib3、ic3，ia4、ib4、ic4，为隔离变压器原边输出绕组电流，ia1、ib1、ic1为中高频移相变压器角形联结副边绕组输出电流，也即第一组三相全桥整流电路的输入电流，ia2、ib2、ic2为中高频移相变压器星形联结副边绕组输出电流，也即第二组三相全桥整流电路的输入电流，iRec1是第一组三相全桥整流电路的输出电流，iRec2是第二组三相全桥整流电路的输出电流，io为负载电流。uo为负载电压。图2中，a、b、c为中高频移相变压器原边绕组，a1、b1、c1、a2、b2、c2为中高频移相变压器副边绕组。N1，N2为原边绕组匝数，N3为副边星形联结绕组匝数，N4为副边角形联结绕组匝数。
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。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式所述的一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于，它包括：输入电感、电力电子变换器、中高频移相变压器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第一个直流侧电容、第二个直流侧电容、负载和PWM控制电路；电力电子变换器与中高频移相变压器共同组成电力电子变压器；输入电感左端分别与三相电压源相连，输入电感右端分别与中高频移相变压器的每相原边双绕组的中心点相连；中高频移相变压器的两组绕组的异名端分别与电力电子变换器的两组三相整流桥相连；电力电子变换器的两个开关管的通断受控于PWM控制电路的控制信号，从而实现对输入电压进行升频；中高频移相变压器的两个副边绕组分别采用星型联结和角型联结，中高频移相变压器的两个副边绕组输出两组相位相差30°的三相电压；第一组三相全桥整流电路的输入端与中高频移相变压器的输出端a1、b1、c1相连，第二组三相全桥整流电路的输入端与中高频移相变压器的输出端a2、b2、c2相连；第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路串联连接，输出电压加倍；第一个直流侧电容与第二个直流侧电容串联连接；第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路与第一个直流侧电容和第二个直流侧电容及负载并联连接。第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路串联连接，输出电压加倍；第一个直流侧电容与第二个直流侧电容采用大电容滤波，负载电压纹波系数小。
本发明解决了解决电力电子变换器的有源开关管数量多，以及移相变压器的体积大，质量重的问题。
电力电子变换器与中高频移相变压器共同组成电力电子变压器，电力电子变换器由三相二极管整流桥、开关管、二极管以及钳位电路共同组成，中高频移相变压器一次侧的两组绕组相位相差180°，第一组绕组连接三相二极管整流桥Rec3，第二组绕组连接三相二极管整流桥Rec4；整流桥Rec3和Rec4分别与开关管S1和S2并联连接，通过二极管D1、D2和D3、D4共用一个钳位电路。
电力电子变换器的三相二极管整流桥Rec3连接移相变压器原边第一组绕组，三相二极管整流桥Rec4连接移相变压器的原边第二组绕组；整流桥Rec3和Rec4分别与开关管S1和S2并联连接，通过二极管D1、D2和D3、D4共用一个钳位电路。该电力电子变换器包括两种工作模态，第一种工作模态：当控制开关管S1导通S2关断时，高频变压器一次侧的第一组绕组a3、b3和c3星形联结，第二组绕组a4、b4和c4通过三相二极管整流桥Rec4和二极管D3、D4连接钳位电路，钳位电路用于吸收整流器上个工作模态结束后绕组剩余的能量；第二种工作模态：当控制开关管S2导通S1关断时，高频变压器一次侧的第二组绕组a4、b4和c4星形联结，第一组绕组a3、b3和c3通过三相二极管整流桥Rec3和二极管D1、D2连接钳位电路，钳位电路用于吸收整流器上个工作模态结束后绕组剩余的能量。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，所述的一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器其中高频隔离变压器由3根芯柱组成，每根芯柱上有2个原边绕组和2个副边绕组，高频变压器原边两组绕组的匝比满足N1:N2＝1:1，相位相差180°，副边2个绕组分别采用星型联结和角型联结，星型联结的绕组与角型联结的绕组匝比为1:1.73，电力电子变压器副边绕组输出的两组三相电压幅值相等。星型联结的绕组与原边绕组电压相位相同，角型联结的绕组与原边绕组相位相差30°。
具体实施方式三：下面结合图3与图7说明本发明控制实施方式，低复杂度PET的控制电路由电压相位采样电路、控制信号生成电路以及驱动电路三部分组成。使用采样电路对电压usa进行采样，将采样电路采集到的电压usa送入单锁相环模块，通过单相锁相环获取a相输入电压的相位信息，将其输入到一维查表模块，一维查表模块已经设定好对应相位输出的控制信号，一维查表模块输出的控制信号经驱动电路送给开关管S1，一维查表模块输出的控制信号经数据类型转换和逻辑运算符取反后，再经过数据类型转换模块连接驱动电路送给开关管S2，以达到精确控制开关管S1和S2的目的。在升频过程中，PWM控制电路使用占空比为0.5的高频方波信号控制开关管S1和S2的开通关断，将输入工频交流电变换为高频交流电；开关管S1和S2的控制信号严格同步，以确保整流器的三相平衡。图3为开关管S1和S2控制信号的开关函数，开关管S1和S2互补导通。整流器在开关管S1和S2高频切换导通时，为避免出现相与相之间短路等问题，在S1和S2高频切换时设置一个死区时间(如图3所示)，使两个开关管S1和S2均处于关断状态。在死区时间内，电力电子变换器中的钳位电路给高频变压器一次侧绕组中的剩余能量提供通路，保护开关管。
具体实施方式四：下面结合图4说明本发明中高频变压器输入电压波形。图4为a相高频变压器输入电压波形。其中，usa为a相输入电压，ua3pri为高频变压器一次侧第一组绕组中a3的输入电压，ua4pri为第二组绕组中a4的输入电压，以三相交流电压输入端为正，a相一次侧两组绕组输入电压之间的相位差为180°。
具体实施方式五：下面结合图5说明本发明中电力电子变换器工作模态I。电力电子变换器由三相二极管整流桥、开关管、二极管以及钳位电路共同组成，中频变压器一次侧的两组绕组相位相差180°，第一组绕组连接三相二极管整流桥Rec3，第二组绕组连接三相二极管整流桥Rec4；整流桥Rec3和Rec4分别与开关管S1和S2并联连接，通过二极管D1、D2和D3、D4共用一个钳位电路。当控制开关管S1导通S2关断时，高频变压器一次侧的第一组绕组a3、b3和c3星形联结，第二组绕组a4、b4和c4通过三相二极管整流桥Rec4和二极管D3、D4连接钳位电路，钳位电路用于吸收整流器上个工作模态结束后绕组剩余的能量。由图5可知，当整流器运行于第一种工作模态下，高频变压器二次侧感应到的三相电压与一次侧三相输入电压的电压极性相反。
具体实施方式六：下面结合图6说明本发明中电力电子变换器工作模态II。当控制开关管S2导通S1关断时，高频变压器一次侧的第二组绕组a4、b4和c4星形联结，第一组绕组a3、b3和c3通过三相二极管整流桥Rec3和二极管D1、D2连接钳位电路，钳位电路用于吸收整流器上个工作模态结束后绕组剩余的能量。由图6可知，当整流器运行于第二种工作模态下，高频变压器二次侧感应到的三相电压与一次侧三相输入电压的电压极性相同。
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 (6)

1.一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于，它包括：输入电感(1)、电力电子变换器(2)、中高频移相变压器(3)、第一组三相全桥整流电路(4)、第二组三相全桥整流电路(5)、第一个直流侧电容(6)、第二个直流侧电容(7)、负载(8)和PWM控制电路(9)；电力电子变换器(2)与中高频移相变压器(3)共同组成电力电子变压器；输入电感(1)左端分别与三相电压源相连，输入电感(1)右端分别与中高频移相变压器(3)的每相原边双绕组的中心点相连；中高频移相变压器(3)的两组绕组的异名端分别与电力电子变换器(2)的两组三相整流桥相连；电力电子变换器(2)的两个开关管的通断受控于PWM控制电路(9)的控制信号；中高频移相变压器(3)的两个副边绕组分别采用星型联结和角型联结，中高频移相变压器(3)的两个副边绕组输出两组相位相差30°的三相电压；第一组三相全桥整流电路(4)的输入端与中高频移相变压器(3)的输出端a1、b1、c1相连，第二组三相全桥整流电路(5)的输入端与中高频移相变压器(3)的输出端a2、b2、c2相连；第一组三相全桥整流电路(4)和第二组三相全桥整流电路(5)串联连接，输出电压加倍；第一个直流侧电容(6)与第二个直流侧电容(7)串联连接；第一组三相全桥整流电路(4)和第二组三相全桥整流电路(5)与第一个直流侧电容(6)和第二个直流侧电容(7)及负载(8)并联连接。
2.根据权利要求1所述一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于：输入电感Ls(1)为包括高频变压器漏感在内的整流器总电感，并分别与三相交流电压源usa、usb、usc串联连接。
3.根据权利要求1所述一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于：所述电力电子变换器(2)与中高频移相变压器(3)共同组成电力电子变压器，电力电子变换器(2)由三相二极管整流桥、开关管、二极管以及钳位电路共同组成，中高频移相变压器(3)一次侧的两组绕组相位相差180°，第一组绕组连接三相二极管整流桥Rec3，第二组绕组连接三相二极管整流桥Rec4；整流桥Rec3和Rec4分别与开关管S1和S2并联连接，通过二极管D1、D2和D3、D4共用一个钳位电路。
4.根据权利要求1所述一种使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于：所述控制电路由电压相位采样电路、控制信号生成电路以及驱动电路三部分组成，采样电路对电压usa相位进行采样，将采集到的相位信息送入到控制信号生成电路中；PWM控制电路(9)使用占空比为0.5的高频方波信号控制开关管S1和S2的开通关断，将输入工频交流电变换为高频交流电。
5.根据权利要求1所述使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于：所述中高频移相变压器(3)采用隔离式变压器结构，中高频移相变压器(3)由3根芯柱组成，每根芯柱上有2个原边绕组和2个副边绕组，高频变压器(3)原边两组绕组的匝比满足N1:N2＝1:1，相位相差180°，副边2个绕组分别采用星型联结和角型联结，星型联结的绕组与角型联结的绕组匝比为1:1.73，电力电子变压器(2)副边绕组输出的两组三相电压幅值相等；星型联结的绕组与原边绕组电压相位相同，角型联结的绕组与原边绕组相位相差30°。
6.根据权利要求1所述使用低复杂度电力电子变压器的串联型12脉波整流器，其特征在于：所述第一组三相全桥整流电路(4)和第二组三相全桥整流电路(5)串联连接，输出电压加倍；第一个直流侧电容(6)与第二个直流侧电容(7)采用大电容滤波。
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