CN113708649A - 一种大功率多输出可调中频电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率多输出可调中频电源，包括移相变压器、整流电路、分单元调压回路、中频逆变回路和中频逆变器；移相变压器包括一组三相原边绕组和多组三相副边绕组，三相原边绕组连接高压进线单元；多组三相副边绕组之间按照预设的相位角相互错相，每组三相副边绕组对应连接一组整流电路；整流电路的输出端连接一组或多组分单元调压回路；每组分单元调压回路的输入端以共第一直流母线的方式互相并联，其输出端依次连接中频逆变回路和中频逆变器，从而形成多个独立的输出支路对负载提供中频电源；本发明提供的中频电源，具有可提供多种输出模式、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中频电源
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中频电源。
背景技术
中频电源是一种静止变频装置，将三相工频电源变换成单相电源，目前，中频电源在各种金属的熔炼、保温、烧结、焊接、淬火、回火、透热、金属液净化、热处理、弯管、以及晶体生长等领域被广泛的应用，随着各行各业的工厂车间，用电负荷越来越多样化，对电源的技术性能要求也越来越高；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。中频电源的整流装置往往会产生大量的高次谐波电流，其产生的高次谐波对电网的危害也越来越严重；另外很多应用场景中例如工业加热炉对电源调节范围要求很宽，在大电流低功率负荷时，电力电子自身损耗不变而有效输出功率降低，造成效率低下。因此，提出一种能够避免高次谐波干扰和满足各种高性能输出的中频电源是当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供一种大功率多输出可调中频电源，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，同时又提高了系统输出功率节约了制造成本。
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中频电源，包括：
移相变压器、整流电路、分单元调压回路、中频逆变回路和中频逆变器；
所述移相变压器包括一组三相原边绕组和多组三相副边绕组，所述三相原边绕组连接高压进线单元；多组所述三相副边绕组之间按照预设的相位角相互错相，每组所述三相副边绕组对应连接一组整流电路；
所述整流电路的输出端连接一组或多组分单元调压回路；每组所述分单元调压回路的输入端以共第一直流母线的方式互相并联，其输出端依次连接中频逆变回路和中频逆变器，从而形成多个独立的输出支路对负载提供中频电源。
优选的，所述整流电路包括并联设置的三相二极管全波整流桥和直流滤波电容器，每组所述整流电路的输出端经所述直流滤波电容器后以共第二直流母线的方式互相并联输出直流电流。
优选的，所述分单元调压回路包括一组或多组并联设置的IGBT全控桥、滤波电抗器和电容器，每组所述IGBT全控桥由至少两个IGBT元件串联形成，所述串联的两个IGBT元件之间的连接点引出端子串接滤波电抗器后与所述电容器并联。
优选的，所述IGBT全控桥均工作于直流斩波调压模式。
优选的，所述中频逆变回路包括两个串联的逆变单元，两个所述逆变单元之间的连接点引出端子与中频变压器相连；每个所述逆变单元包括相互并联设置的晶闸管桥臂、电容桥臂和二极管；所述晶闸管桥臂分别由两个晶闸管串联而成，所述电容桥臂由电容器串接放电电阻后组成。
优选的，还包括控制器；所述控制器分别与每组分单元调压回路相连，用于调节分单元调压回路的输出功率、电流或电压。
优选的，每组所述三相副边绕组与所述三相原边绕组之间的变比相同，且每组所述三相副边绕组之间的相位角为60除以所述三相副边绕组的数量。
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。
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中频电源，通过每组三相副边绕组之间相互错相，并且对应连接多个相互并联的整流电路，整流电路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中频电源，通过每组三相副边绕组分别连接独立的整流电路、分单元调压回路等形成多个独立的输出支路，可实现对外部负载提供多种输出模式的中频电源，具有单机额定容量大、输出电压可调范围宽、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中频电源，各电路模块采用集成化、标准化配置，系统容裕、容错能力强，方便备用设备元件更换。
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中频电源的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种大功率多输出可调中频电源的分单元调压回路结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种大功率多输出可调中频电源另一种结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-移相变压器；2-整流电路；3-分单元调压回路；4-中频逆变电路；5-中频逆变器；6-第一直流母线；7-第二直流母线。
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中频电源的结构示意图，如图1所示，该大功率多输出可调中频电源包括移相变压器1、整流电路 2、分单元调压回路3、中频逆变回路4和中频变压器5；
其中，移相变压器1包括铁芯和线包，线包环绕铁芯，通过对绕组的合理布置，使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1具有一组三相原边绕组和多组三相副边绕组，具体的，移相变压器1的三相原边绕组经开关柜和预充电回路连接10KV配电网，多组三相副边绕组彼此相互独立，并相互错相一定的相位角。在一个优选的实施例中，每组所述三相副边绕组与所述三相原边绕组之间的变比相同，且相邻两组所述三相副边绕组之间的相位角为60除以所述三相副边绕组的数量。例如三相副边绕组数量为n时，各组三相副边绕组之间的相位角相互错开60/n，这里n为大于2的偶数。三相副边绕组的连接方式不受具体限制，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。移相变压器将电网侧的高压电源分解为若干个相互错位一定角度的低压电源，由于副边绕组相互错位一定的角度差，使得电网侧谐波污染小，功率系数高，无需功率因数补偿及谐波抑制装置。
每个三相副边绕组连接一组整流电路2，每组整流电路2包括并联设置的三相二极管全波整流桥和直流滤波电容器。其中三相二极管全波整流桥包括三组并联设置的二极管，每一组二极管包括互相串联连接的两个二极管，串联连接的两个二极管中间引出端子与移相变压器的三相副边绕组连接。整流电路的输出端连接一组或多组分单元调压回路3，在一个优选的实施例中，n个三相副边绕组对应连接的n组整流电路2，其输出端全部共统一的第二直流母线7互相并联设置，以获得更高的容量和电流输出能力。
应当说明的是，上述的每组整流电路2和分单元调压回路3的直流侧均采用共直流母线的方式并联连接，第一直流母线6和第二直流母线在电子电力回路中可共负极，回路电压较低，可集成散热，结构简单可靠。
在上述实施例中，整流电路2产生的系统整流脉波数为6n，增加整流装置的整流脉波数是抑制谐波的主要措施。在本实施例中的中频电源装置采用 6脉动整流，其产生的谐波次数为6n±1，经过6脉动整流系统整流后，将只有6n±1次谐波回传到外部电网系统中，成功抑制了绝大部分谐波，电流谐波含量大大降低，减少了对电网的谐波污染，能够满足不同供电系统的需求。
各组分单元调压回路3的输入端共第一直流母线6互相并联，分单元调压回路3包括一组或多组并联设置的IGBT全控桥、滤波电抗器和电容器，每组所述IGBT全控桥由至少两个IGBT元件串联形成，所述串联的两个 IGBT元件之间的连接点引出端子串接滤波电抗器，然后并联连接后经滤波电容器输出。IGBT全控桥和滤波电抗器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2 所示的分单元调压回路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。每一组IGBT全控桥的中间连接处引出端子串接一个滤波电抗器，三组滤波电抗器互相并联后连接电容器后对外进行输出，分单元调压回路3采用分单元的模块化标准结构，互换性好、检修更换方便。
分单元调压回路3的输出端分别连接中频逆变回路4和中频逆变器5 后，形成多个独立的输出支路对负载提供中频电源。具体的，整流电路2的直流侧分接m组分单元调压回路3，经过中频逆变回路4和中频逆变器5 后，对负载输出m个独立可调电压。m为不小于1的正整数。
中频逆变回路4包括两个串联的逆变单元，两个逆变单元之间的连接点引出端子与中频变压器相连；每个逆变单元包括相互并联设置的晶闸管桥臂、电容桥臂和二极管；晶闸管桥臂分别由两个晶闸管串联而成，电容桥臂由电容器串接放电电阻后组成。晶闸管桥和电容桥互相并联共同构成一个非对称H桥拓扑，其逆变效率更高。
在本实施例中，相比同容量的工频变压器，选用中频变压器来进行变压，其体积大大减小，且效率高，方便多个中频变压器集成后与负荷安装。在一个优选的实施例中，中频变压器与负荷就近安装，与最大限度的减小大电流的传输距离，降低能量损耗。
由上述描述可知，通过每组三相副边绕组分别连接独立的整流电路、分单元调压回路等形成多个独立的输出支路，输出支路的数量可以灵活进行设置，因此可实现对外部负载提供多种输出模式的中频电源，具有单机额定容量大、输出电压可调范围宽、调节精度高的优点，能够满足各种高标准输出的要求。尤其适合单机额定容量较大的负荷，或者有多个独立可调功率输出的应用场景，例如石英玻璃熔炼炉等。
另外各电路模块采用集成化、标准化配置，系统容裕、容错能力强，方便备用设备元件更换。
在一个具体的实施例中，如图3所示，是一种大功率24脉波四路的独立可调中频电源，在本实施例中，n为4，m为4，来自高压电网侧的高压电源通过移相变压器移相后会在副边绕组侧产生四路幅值相等、相位角依次相差 15°的移相电压，经过整流电路的整流和滤波后，输出四路直流电压至分单元调压回路，经过中频逆变电路将直流电转换成中频交流电压，然后输出到中频变压器，经中频变压器升压、整流得到中频直流电压，对外部负载共输出四路独立可调的中频直流电压，共形成24路脉冲。
在一个优选的实施例中，中频电源还包括控制器；控制器与分单元调压回路相连，用于调节分单元调压回路的输出功率、电流或电压，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，以满足不同场景下的实际需求。
在本发明的描述中，提及的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
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 (8)

1.一种大功率多输出可调中频电源，其特征在于，包括移相变压器、整流电路、分单元调压回路、中频逆变回路和中频逆变器；
所述移相变压器包括一组三相原边绕组和多组三相副边绕组，所述三相原边绕组连接高压进线单元；多组所述三相副边绕组之间按照预设的相位角相互错相，每组所述三相副边绕组对应连接一组整流电路；
所述整流电路的输出端连接一组或多组分单元调压回路；每组所述分单元调压回路的输入端以共第一直流母线的方式互相并联，其输出端依次连接中频逆变回路和中频逆变器，从而形成多个独立的输出支路对负载提供中频电源。
2.如权利要求1所述的大功率多输出可调中频电源，其特征在于，所述整流电路包括并联设置的三相二极管全波整流桥和直流滤波电容器，每组所述整流电路的输出端经所述直流滤波电容器后以共第二直流母线的方式互相并联输出直流电流。
3.如权利要求1所述的大功率多输出可调中频电源，其特征在于，所述分单元调压回路包括一组或多组并联设置的IGBT全控桥、滤波电抗器和电容器，每组所述IGBT全控桥由至少两个IGBT元件串联形成，所述串联的两个IGBT元件之间的连接点引出端子串接滤波电抗器后与所述电容器并联。
4.如权利要求3所述的大功率多输出可调中频电源，其特征在于，所述IGBT全控桥均工作于直流斩波调压模式。
5.如权利要求1所述的大功率多输出可调中频电源，其特征在于，所述中频逆变回路包括两个串联的逆变单元，两个所述逆变单元之间的连接点引出端子与中频变压器相连；每个所述逆变单元包括相互并联设置的晶闸管桥臂、电容桥臂和二极管；所述晶闸管桥臂分别由两个晶闸管串联而成，所述电容桥臂由电容器串接放电电阻后组成。
6.如权利要求1任一项所述的大功率多输出可调中频电源，其特征在于，还包括控制器；所述控制器分别与每组分单元调压回路相连，用于调节分单元调压回路的输出功率、电流或电压。
7.根据权利要求1所述的大功率多输出可调中频电源，其特征在于，每组所述三相副边绕组与所述三相原边绕组之间的变比相同，且每组所述三相副边绕组之间的相位角为60除以所述三相副边绕组的数量。
8.如权利要求1所述的大功率多输出可调中频电源，其特征在于，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。
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