CN113014123B - 一种大功率多输出可调稳压直流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率多输出可调稳压直流电源，包括移相变压器、变流器模块和滤波回路；其中，所述移相变压器具有三相原边绕组和多个三相副边绕组，所述三相原边绕组连接高压进线单元，每个所述三相副边绕组分别对应连接一个变流器模块；每个所述变流器模块的输出端分别对应连接一个滤波回路，所述滤波回路将变流器模块输出的直流电流进行滤波处理后通过接线端子输出；各变流器模块之间通过各自对应的滤波回路的接线端子以并联或者串联的方式连接，以实现在额定功率恒定的条件下，对外部负载提供不同等级的电压。本发明的直流电源具有可提供多种电压输出模式、电压连续可调范围宽、对电网谐波污染少等优点。

Description

一种大功率多输出可调稳压直流电源
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种大功率多输出可调稳压直流电源。
背景技术
大功率高性能直流电源涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域，在通信领域、各行各业的工厂、试验室等等领域的应用日益广泛。电源本身除了需要满足各种应用要求以外，还要满足对电网的影响小，对设备的干扰小，抵抗外部电磁干扰的能力强等等。
目前工业加热炉基本上都是采用电力电子调节电源，随着电力电子调节电源的大量使用，其产生的高次谐波对电网的危害也越来越严重，特别是对电网质量要求严格的高精度设备，高次谐波直接降低产品的合格率。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种大功率多输出可调稳压直流电源，其目的在于解决电力电子调节电源产生的高次谐波危害电网、降低电网质量的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大功率多输出可调稳压直流电源，包括移相变压器、变流器模块和滤波回路；
其中，所述移相变压器具有三相原边绕组和多个三相副边绕组，所述三相原边绕组连接高压进线单元，每个所述三相副边绕组分别对应连接一个变流器模块；每个所述变流器模块的输出端分别对应连接一个滤波回路，所述滤波回路将变流器模块输出的直流电流进行滤波处理后通过接线端子输出；
各变流器模块之间通过各自对应的滤波回路的接线端子以并联或者串联的方式连接，以实现在额定功率恒定的条件下，对外部负载提供不同等级的电压。
优选的，所述变流器模块包括三相二极管全波整流桥、直流滤波电容器、一组或多组并联设置的IGBT全控桥。
优选的，每个所述滤波回路包括直流平波电抗器、直流滤波电容器和放电电阻，所述直流平波电抗器的一端与变流器模块的第一输出端连接，另一端连接所述直流平波电容器后与变流器模块的第二输出端相连；所述放电电阻与所述直流滤波电容器并联设置。
优选的，所述高压进线单元包括避雷器、第一真空接触器、第二真空接触器、充电电阻器和电流互感器；所述第一真空接触器的一端接避雷器后连接进线电缆，所述第一真空接触器的另一端接所述电流互感器后作为电流输出端与所述移相变压器的三相原边绕组连接；所述第二真空接触器的一端接所述充电电阻器与所述第一真空接触器形成并联回路，所述第二真空接触器的另一端连接进线电缆。
优选的，所述移相变压器的每个三相副边绕组的移相角度相差15°。
优选的，所述移相变压器的每个三相副边绕组的连接方式采用星形连接、三角形连接或不同方式的延边三角形连接中的任意一种。
优选的，还包括控制器；所述控制器分别与每个变流器模块光纤相连，用于调节每个变流器模块的输出功率、电流或电压。
优选的，每个滤波回路的接线与外部负载之间设置有保护开关或平衡电抗器。
优选的，移相变压器的每个三相副边绕组及与之相连的变流器模块之间互相绝缘独立，对地无电连接，且每个三相副边绕组对地保持10kV绝缘和耐压等级。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的大功率多输出可调稳压直流电源，包括移相变压器、变流器模块和滤波回路，移相变压器具有三相原边绕组和多个三相副边绕组，三相原边绕组连接高压进线单元，每个三相副边绕组分别对应连接一个变流器模块；每个变流器模块的输出端分别对应连接一个滤波回路，滤波回路将变流器模块输出的直流电流进行滤波处理后通过接线端子输出；变流器模块产生的高次谐波通过移相变压器内部隔离、相互叠加与抵消，达到降低系统谐波含量的最佳效果，减少了对电网的谐波污染。
(2)本发明提供的大功率多输出可调稳压直流电源，各变流器模块之间通过各自对应的滤波回路的接线端子以并联或者串联的方式连接，以实现在额定功率恒定的条件下，对外部负载提供不同等级的电压，具有单机额定容量大、多种输出模式、输出电压可调范围宽、恒压恒流恒功率、调节精度高的优点，能够满足各种高标准输出的要求。
(3)本发明提供的大功率多输出可调稳压直流电源额定对地电压10kV，在需要的时候还可以进行装置之间的串并联使用，以满足更大功率或更高电压的使用要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种大功率多输出可调稳压直流电源结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种直流电源输出模式拓扑结构图；
图3是本发明实施例提供的又一种直流电源输出模式拓扑结构图；
图4是本发明实施例提供的又一种直流电源输出模式拓扑结构图；
图5是本发明实施例提供的一种变流器模块拓扑结构图；
图6是本发明实施例提供的又一种变流器模块拓扑结构图；
图7是本发明实施例提供的又一种变流器模块拓扑结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本实施例提供的一种大功率多输出可调稳压直流电源的结构示意图，如图1所示，该大功率多输出可调稳压高性能直流电源包括依次串并连接的高压进线单元、移相变压器T、与移相变压器T输出端连接的变流器模块PWM1～PWM4以及与每个变流器模块对应连接的滤波回路；
其中，高压进线单元包括避雷器F、第一真空接触器KM1、第二真空接触器KM2、充电电阻器R、电流互感器TA1和TA2；第一真空接触器KM1的一端接避雷器F后连接进线电缆，第一真空接触器KM1的另一端接电流互感器TA1和TA2后作为电流输出端与移相变压器T的三相原边绕组连接；第二真空接触器KM2的一端接充电电阻器R后与第一真空接触器KM1形成并联回路，第二真空接触器KM2的另一端进线电缆；在一个优选示例中，第二真空接触器KM2的另一端还连接显示器DXN，用于显示输出电流、电压等。
通过控制真空接触器KM1和KM2的关合，来控制整个电路与进线电缆侧之间的连接；第一真空接触器KM1的作用是为电源装置长期运行提供电源；第二真空接触器KM2和充电电阻器R回路的作用是为装置运行提供软起动电源，避免直接启动对装置的冲击；另外在进线电缆侧接入避雷器F，防止进线电缆侧电压过高损坏装置；电流互感器TA1和TA2的作用是采集进线部分总电流，反馈到控制部分。
高压进线单元控制逻辑是：启动控制第二真空接触器KM2投入运行，第二真空接触器KM2、充电电阻器R和电流互感器TA1和TA2回路接通，高压进线经过该回路，网侧电源通过该回路流向移相变压器T的三相原边绕组，此过程为变压器软启动工位；软启动完成后，启动控制第一真空接触器KM1投入运行，然后控制第二真空接触器KM2关闭退出运行，此过程为变压器软启动工位转换为运行工位。
移相变压器T包括铁芯和线包，线包环绕铁芯，通过对绕组的合理布置，使四个三相副边绕组的输出设置为平衡结构，阻抗相等。移相变压器T的形状不作具体限制，本实施例优选采用多边形自耦变压器。
移相变压器T具有三相原边绕组和多个三相副边绕组，三相原边绕组连接高压进线单元，其输出端包括多个三相副边绕组，每个三相副边绕组分别对应连接一个变流器模块；每个所述变流器模块的输出端分别对应连接一个滤波回路，滤波回路将变流器模块输出的直流电流进行滤波处理后通过接线端子输出；
各变流器模块之间通过各自对应的滤波回路的接线端子以并联或者串联的方式连接，以实现在额定功率恒定的条件下，对外部负载提供不同等级的电压。
在本实施例中，移相变压器T的输出端包括四个三相副边绕组，分别对应连接一个变流器模块，如图1中所示的PWM1～PWM4,共向外输出四组直流电源，四组直流电源通过接线端子可以实现四个并联、四个串联、两串两并共三种输出方式，对应三种电压等级，如图2、3、4所示，其中图2代表四组直流电源互相并联输出，最终输出电压为600V，输出电流唯2000A；图3代表相邻两组直流电源并联后再串联输出，最终输出电压为1200V，输出电流为1000A；图4代表相邻四组直流电源互相串联输出，最终输出电压为2400V，输出电流唯500A，三种输出方式的额定输出功率均可达到额定满功率，通过调节电流输出端的连接方式，可以实现在额定输出功率维持恒定的条件下，调节对外部负载输出电压的等级大小，以满足实际应用场景中的不同需求。
每个滤波回路包括一组并列运行的直流平波电抗器，如图1中所示的K11～K12、K21～K22、K31～K32、K41～K42，直流平波电抗器的一端与变流器模块的第一输出端连接，另一端连接直流平波电容器C1～C4后与变流器模块的第二输出端连接，在一个优选的实施例中，直流平波电容器C1～C4还并联设置有放电电阻R1～R4，变流器模块输出的电流经过滤波回路的直流平波电抗器、直流滤波电容器C1～C4、放电电阻R1～R4后输出直流电源到负载设备；滤波回路中直流平波电抗器和直流滤波电容器C1～C4可以使输出的直流纹波平稳，减小直流电压波动；放电电阻在停机后可以消纳电容器内的剩余电能，减少出线电缆侧触电风险。
变流器模块包括三相二极管全波整流桥、直流滤波电容器C和一组或多组并联设置的IGBT全控桥。如图5所示，其中三相二极管全波整流桥包括三组并联设置的二极管，分别为串联连接的二极管D1和第二二极管D2、串联连接的第三二极管D3和第四二极管D4、串联连接的第五二极管D5和第六二极管D6；每一组串联连接的两个二极管中间引出输出端子与移相变压器T的三相副边绕组连接。
IGBT全控桥包括功率开关管VT1、功率开关管VT2、第七二极管D7、第八二极管D8；功率开关管VT1、VT2构成桥臂，其中，功率开关VT1的集电极连接第七二极管D7的阴极，功率开关VT1的发射极连接第七二极管D7的阳极、功率开关VT2的集电极、第八二极管D8的阴极；功率开关VT2的发射极连接第八二极管D8的阳极，并作为变流器模块的第一输出端，功率开关VT2的集电极连接第八二极管D8的阴极并作为变流器模块的第二输出端；该第一输出端与滤波回路的直流平波电抗器连接，经直流滤波电容器后，连接外部负载的正极，第二输出端连接外部负载的负极；功率开关管VT1、功率开关管VT2为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率开关器件。
IGBT全控桥可以多组进行并联设置，其组数不做具体限定，所有并联的IGBT全控桥皆工作于直流斩波调压模式。如图5所示的变流器模块包括一组IGBT全控桥，图6所示的变流器模块包括两组并联设置的IGBT全控桥，比一组IGBT全控桥输出容量大一倍，图7所示的变流器模块包括三组并联设置的IGBT全控桥，比一组IGBT全控桥输出容量大两倍。变流器模块采用模块化标准结构，互换性好、检修更换方便。
变流器模块在受控条件下调节其输出的功率、电流、电压等参数，变流器模块产生的谐波经过移相变压器T内部叠加和抵消，达到降低系统谐波含量的最佳效果，减少了对电网的谐波污染。在本实施例提供的移相变压器T具有四个三相副边绕组的条件下，谐波含量次数为24k±1次，K＝1、2、3、…，最低次谐波为23次，电流谐波含量低至6％以下。
移相变压器T的四个三相副边绕组输出的三相电压的移相角度相差X°，在本实施例中X的取值为15。
移相变压器T的每个三相副边绕组的连接方式可以采用星形连接、三角形连接或不同方式的延边三角形连接中的任意一种，并且该移相变压器的四个三相副边绕组的连接方式可以相同或不同，本实施例不做具体限制。
在一个优选的实施例中，移相变压器T的输出端还包括辅助绕组，辅助绕组输出低压控制电源，可以用于预充电和调试时接工频低压电输入，例如接风机、控制器用电等，辅助绕组容量满足使用即可。
上述一种大功率多输出可调稳压高性能直流电源主回路元器件对地采用10kV绝缘等级，方便多台一种大功率多输出可调稳压高性能直流电源的串并联使用，以满足更大功率或更高电压的使用要求。变流器模块控制采用光电隔离，亦能隔离主控件和控制回路之间的绝缘能使主回路元器件都能达到10kV绝缘等级。
作为一个具体示例，上述一种大功率多输出可调稳压直流电源还包括控制器，该控制器分别与每个变流器模块相连，用于调节每个变流器模块的输出功率、电流或电压。变流器模块是应用晶闸管(又称可控硅)及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元，一般采用数字电路触发可控硅实现调压和调功，调压采用移相控制方式，调功有定周期调功和变周期调功两种方式。控制器可以多种控制输出模式，恒压、恒流、恒功率、以及各种高标准输出功能。
作为一个优选的示例，上述一种大功率多输出可调稳压高性能直流电源中，移相变压器T的三相原边绕组与高压进线单元之间设置有保护开关，该保护开关优选采用电流型保护开关，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护；另外，该保护开关可以替换为输入电抗器，输入电抗器的加入可以使整个电路的短路阻抗大幅提升，使四个三相副边绕组的输出趋于平衡，进一步降低其谐波释放。
作为一个优选的示例，上述一种大功率多输出可调稳压高性能直流电源中，移相变压器T的每个三相副边绕组与变流器模块之间设置有保护开关，该保护开关优选采用电流型保护开关，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护；另外，该保护开关可以替换为平衡电抗器，平衡电抗器主要用于对四个三相副边绕组的输出电压进行均压均流，并有利于降低电流总谐波含量。
作为一个优选的示例，上述一种大功率多输出可调稳压高性能直流电源中，每个滤波回路的直流平波电抗器、直流滤波电容器、放电电阻后输出到负载具有与负载相连的输出端子，且输出端子与负载之间串接有保护开关，该保护开关优选采用电流型保护开关，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护；另外，该保护开关可以替换为输出电抗器，输出电抗器主要作用是补偿长线分布电容的影响，抑制输出谐波电流；有效地保护变流器模块和改善功率因数，能阻止来自电网的干扰，减少电力电子变流器产生的谐波电流对电网的污染。除抑制系统谐波、改善电网质量以外，输出电抗器还可用于三相的动态平衡，以便调节容易引起三相失调的设备。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大功率多输出可调稳压直流电源，其特征在于，包括一个移相变压器、多个变流器模块和滤波回路；
其中，所述移相变压器具有三相原边绕组和多个三相副边绕组，所述三相原边绕组连接高压进线单元，每个所述三相副边绕组分别对应连接一个变流器模块；每个所述变流器模块的输出端分别对应连接一个滤波回路，所述滤波回路将变流器模块输出的直流电流进行滤波处理后通过接线端子输出；移相变压器的每个三相副边绕组的连接方式采用星形连接、三角形连接或不同方式的延边三角形连接中的任意一种；
各变流器模块之间通过各自对应的滤波回路的接线端子以并联或者串联的方式连接，以实现在额定功率恒定的条件下，对外部负载提供不同等级的电压；
每个所述滤波回路包括直流平波电抗器、直流滤波电容器和放电电阻，所述直流平波电抗器的一端与变流器模块的第一输出端连接，另一端连接所述直流滤波电容器后与变流器模块的第二输出端相连；所述放电电阻与所述直流滤波电容器并联设置；
所述移相变压器的多个三相副边绕组输出的三相电压的移相角度相差15°，各变流器模块产生的谐波在移相变压器内部进行叠加和抵消，降低系统谐波含量。
2.如权利要求1所述的大功率多输出可调稳压直流电源，其特征在于，所述变流器模块包括三相二极管全波整流桥、直流滤波电容器、一组或多组并联设置的IGBT全控桥。
3.如权利要求1所述的大功率多输出可调稳压直流电源，其特征在于，所述高压进线单元包括避雷器、第一真空接触器、第二真空接触器、充电电阻器和电流互感器；所述第一真空接触器的一端接避雷器后连接进线电缆，所述第一真空接触器的另一端接所述电流互感器后作为电流输出端与所述移相变压器的三相原边绕组连接；所述第二真空接触器的一端接所述充电电阻器与所述第一真空接触器形成并联回路，所述第二真空接触器的另一端连接进线电缆。
4.如权利要求1～3任一项所述的大功率多输出可调稳压直流电源，其特征在于，还包括控制器；所述控制器分别与每个变流器模块光纤相连，用于调节每个变流器模块的输出功率、电流或电压。
5.如权利要求1～3任一项所述的大功率多输出可调稳压直流电源，其特征在于，每个滤波回路的接线与外部负载之间设置有保护开关或平衡电抗器。
6.如权利要求1～3任一项所述的大功率多输出可调稳压直流电源，其特征在于，所述移相变压器的每个三相副边绕组及与之相连的变流器模块之间互相绝缘独立，对地无电连接，且每个三相副边绕组对地保持10kV绝缘和耐压等级。
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