CN113938033A - 基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器 - Google Patents

基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器 Download PDF

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Abstract

基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，属于电力电子技术领域。本发明解决了如何在基本不增加整流器复杂程度和导通损耗的前提下，有效抑制串联型12脉波整流器的输入电流谐波含量和输出电压脉动的问题。本发明通过增加一个基于双辅助单相变压器电流注入电路，即可将常规串联型12脉波整流器脉波数倍增为24脉波，有效抑制整流器的输入电流谐波含量和输出电压脉动；且基于双辅助单相变压器电流注入电路中的辅助单相整流桥并联在负载两端，不仅避免了辅助单相整流桥直接串联在负载通路承受大的电流应力，而且显著降低了它产生的附加导通损耗。本发明主要用于实现整流。

Description

基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种24脉波整流器。
背景技术
为了同时有效地抑制串联型12脉波整流器的输入电流谐波和输出电压脉动，增加整流器脉波数是一种最有效的方法。目前增加整流器脉波数的方法主要有3种：
第一种是通过加倍移相变压器输出绕组的个数，来将整流器的脉波数提高一倍，实现对输入电流谐波和输出电压脉动的抑制，但该方法需要成倍增加移相变压器输出绕组或移相变压器的个数，这增加了变压器的制造难度和整流器的复杂度，此外，整流器件的个数也被成倍增加，这提高了整流器成本。
第二种是在整流器的负载通路中串联抽头变换器，它通过抽头变换器中两个二极管的交替导通，在直流侧形成特定环流来抵消输入电流中的某些特征次谐波，进而实现整流器脉波数的倍增，该方法具有电路结构简单，可靠性高等优点，但抽头变换器中的两个辅助二极管串联在负载通路，不仅使得辅助二极管承受大的电流应力而且会产生较大的附加导通损耗。
第三种是采用辅助电压注入电路将整流器的输入电压台阶数增加到24，进而抑制输入电流的谐波，该方法具有辅助二极管电流等级低，可靠性高等优点，但该方法需要在输入侧串联三个大电感，不仅会降低整流器的位移因数，而且还会导致负载变化时，整流器的输出电压不稳定，即输出特性很软。
因此，以上增加整流器脉波数的方法，存在增加整流器复杂程度或导通损耗的问题，因此，如何在基本不增加整流器复杂程度和导通损耗的前提下，有效抑制串联型12脉波整流器的输入电流谐波含量和输出电压脉动的问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决如何在基本不增加整流器复杂程度和导通损耗的前提下，有效抑制串联型12脉波整流器的输入电流谐波含量和输出电压脉动的问题，本发明提供了一种基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器。
基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，包括移相变压器、第一二极管整流桥和第二二极管整流桥；24脉波整流器还包括基于双辅助单相变压器电流注入电路；
其中，基于双辅助单相变压器电流注入电路包括第一辅助单相变压器、第二辅助单相变压器、辅助单相整流桥、电容C1和电容C2；
移相变压器，用于对接收的电网三相电压进行移相，生成两组相位相差30°、幅值相同的三相电压，并将其生成的两组三相电压分别发送至第一二极管整流桥和第二二极管整流桥；
第一二极管整流桥的正极性输出端与电容C1的一端和辅助单相整流桥的正极性输出端同时连接后，作为串联型24脉波整流器的正输出端与负载的正输入端连接；
第二二极管整流桥的负极性输出端与电容C2的一端和辅助单相整流桥的负极性输出端同时连接后，作为串联型24脉波整流器的负输出端与负载的负输入端连接；
第一辅助单相变压器的原边绕组的一端与电容C1的另一端连接，第一辅助单相变压器的原边绕组的另一端与第二辅助单相变压器的原边绕组的一端、第一二极管整流桥的负极性输出端以及第二二极管整流桥的正极性输出端同时连接；
第二辅助单相变压器的原边绕组的另一端与电容C2的另一端连接；
第一辅助单相变压器的副边绕组的一端和第二辅助单相变压器的副边绕组的一端分别与辅助单相整流桥的两个输入端连接；
第一辅助单相变压器的副边绕组的另一端与第二辅助单相变压器的副边绕组的另一端连接；
使辅助单相整流桥的导通时间为其输入电压周期的二分之一。
原理分析：
本发明所提出的基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，其中，可通过合理设置第一辅助单相变压器4和第二辅助单相变压器5的原副边匝数比，使得辅助单相整流桥6的导通时间为其输入电压周期的二分之一。
当第一辅助单相变压器4和第二辅助单相变压器5的原副边匝数比均大于13.39时，辅助单相整流桥6开始导通；
当第一辅助单相变压器4和第二辅助单相变压器5的原副边匝数比均等于28.35时，辅助单相整流桥6的导通时间为其输入电压周期的二分之一，此时，整流器的输入电流总谐波畸变率和输出电压脉动系数都处于最低值，整流器处于最佳工作状态。通过第一辅助单相变压器4和第二辅助单相变压器5的副边绕组提取直流侧的方波电流来调制第一二极管整流桥2和第二二极管整流桥3的输出电流和输出电压状态，然后根据交直流侧电流关系和直流侧电压关系，实现脉波数增倍，并达到同时降低多脉波整流器的输入电流谐波和输出电压脉动的效果，也即实现本发明24脉波整流器在基本不增加整流器复杂程度和导通损耗的前提下，有效降低脉波整流器的输入电流谐波和输出电压纹波。
本发明带来的有益效果是：
本发明提供了一种基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，其结构简单，易于实现，它仅需在串联型12脉波整流器的直流侧增加一个基于双辅助单相变压器电流注入电路，基于双辅助单相变压器电流注入电路包括第一辅助单相变压器4、第二辅助单相变压器5、辅助单相整流桥6、电容C1和电容C2，即可将常规串联型12脉波整流器脉波数倍增为24脉波，形成24脉波整流器，有效抑制串联型12脉波整流器的输入电流谐波含量和输出电压脉动。
本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，无需使用有源开关器件，也不需要增加移相变压器的输出绕组个数，即可实现脉波整流器脉波数的倍增，并达到同时降低多脉波整流器的输入电流谐波和输出电压脉动的效果。本发明具有电路结构简单，附加导通损耗小，可靠性高，输出电压稳定性好等优点，在中高压大功率场合具有较好的应用价值。
本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，属于一种直流侧电流注入方案，无需在整流器的输入侧串联电感，避免了采用辅助电压注入电路时需要在交流侧串联电感而引起的位移因数低和输出电压特性软的问题，本发明提出的基于双辅助单相变压器电流注入电路中的辅助单相整流桥6并联在负载两端，不仅避免了辅助单相整流桥直接串联在负载通路承受大的电流应力，而且显著降低了它产生的附加导通损耗，本发明提出的基于双辅助单相变压器电流注入电路的串联型24脉波整流器具有电路结构简单、附加导通损耗小、可靠性高、成本低廉和输出电压稳定性好等优点，在中高压大功率场合具有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器的原理示意图；
图2是本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器工作于模式Ⅰ时的电流回路示意图；
图3是本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器工作于模式Ⅱ时的电流回路示意图；
图4是本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器工作于模式Ⅲ时的电流回路示意图；
其中，图1至图4中，
ic1表示流经过电容C1的电流；
ic2表示流经过电容C2的电流；
id1为第一二极管整流桥2的正极性输出端输出的电流；
id2为输入至第二二极管整流桥3的负极性输出端的电流；
up1为第一辅助单相变压器4的原边绕组的两端电压；
us1为第一辅助单相变压器4的副边绕组的两端电压；
up2为第二辅助单相变压器5的原边绕组的两端电压；
us2为第二辅助单相变压器5的副边绕组的两端电压；
ip为流过输入至第一辅助单相变压器4的原边绕组和第二辅助单相变压器5的原边绕组的电流之和；
is为流过辅助单相整流桥6的电流；
id为输入至负载7的正输入端的电流。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，包括移相变压器1、第一二极管整流桥2、第二二极管整流桥3和基于双辅助单相变压器电流注入电路；
其中，基于双辅助单相变压器电流注入电路包括第一辅助单相变压器4、第二辅助单相变压器5、辅助单相整流桥6、电容C1和电容C2；
移相变压器1，用于对接收的电网三相电压进行移相，生成两组相位相差30°、幅值相同的三相电压，并将其生成的两组三相电压分别发送至第一二极管整流桥2和第二二极管整流桥3；
第一二极管整流桥2的正极性输出端与电容C1的一端和辅助单相整流桥6的正极性输出端同时连接后，作为串联型24脉波整流器的正输出端与负载7的正输入端连接；
第二二极管整流桥3的负极性输出端与电容C2的一端和辅助单相整流桥6的负极性输出端同时连接后，作为串联型24脉波整流器的负输出端与负载7的负输入端连接；
第一辅助单相变压器4的原边绕组的一端与电容C1的另一端连接，第一辅助单相变压器4的原边绕组的另一端与第二辅助单相变压器5的原边绕组的一端、第一二极管整流桥2的负极性输出端以及第二二极管整流桥3的正极性输出端同时连接；
第二辅助单相变压器5的原边绕组的另一端与电容C2的另一端连接；
第一辅助单相变压器4的副边绕组的一端和第二辅助单相变压器5的副边绕组的一端分别与辅助单相整流桥6的两个输入端连接；
第一辅助单相变压器4的副边绕组的另一端与第二辅助单相变压器5的副边绕组的另一端连接；
使辅助单相整流桥6的导通时间为其输入电压周期的二分之一。
本实施方式中，移相变压器1可采用现有的隔离型移相变压器实现，也可采用输出侧移相角度相差30°的各种绕组结构的常规移相变压器或者电力电子移相变压器实现。仅需在串联型12脉波整流器的直流侧增加一个基于双辅助单相变压器电流注入电路，基于双辅助单相变压器电流注入电路包括第一辅助单相变压器4、第二辅助单相变压器5、辅助单相整流桥6、电容C1和电容C2，即可将串联型12整流器倍增为串联型24脉波整流器，有效抑制串联型12脉波整流器的输入电流谐波含量和输出电压脉动。
本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，无需使用有源开关器件，也不需要增加移相变压器1的输出绕组个数，即可实现多脉波整流器脉波数的倍增，并达到同时降低多脉波整流器的输入电流谐波和输出电压脉动的效果。本发明具有电路结构简单，附加导通损耗小，可靠性高，输出电压稳定性好等优点，在中高压大功率场合具有较好的应用价值。
本发明提出的基于双辅助单相变压器电流注入电路中的辅助单相整流桥6并联在负载两端，不仅避免了辅助单相整流桥6直接串联在负载通路承受大的电流应力，而且显著降低了它产生的附加导通损耗，本发明提出的基于双辅助单相变压器电流注入电路的串联型24脉波整流器具有电路结构简单、附加导通损耗小、可靠性高、成本低廉和输出电压稳定性好等优点，在中高压大功率场合具有较好的应用前景。
进一步的，所述的辅助单相整流桥6包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；
二极管D1的阳极同时与二极管D3的阴极和第一辅助单相变压器4的副边绕组的一端相连接，二极管D1的阴极与二极管D2的阴极连接后，作为辅助单相整流桥6的正极性输出端；其中，二极管D1的阳极和二极管D3的阴极均作为辅助单相整流桥6的一个输入端；
二极管D2的阳极同时与二极管D4的阴极和第二辅助单相变压器5的副边绕组的一端相连接，二极管D3的阳极与二极管D4的阳极连接后，作为辅助单相整流桥6的负输出端；其中，二极管D2的阳极和二极管D4的阴极均作为辅助单相整流桥6的另一个输入端。
更进一步的，辅助单相整流桥6的导通时间为其输入电压周期的二分之一时，第一辅助单相变压器4和第二辅助单相变压器5的原副边匝数比均等于28.35。
更进一步的，所述的第一二极管整流桥2和第二二极管整流桥3均可采用单个三相全桥整流器和带平衡电抗器的2个三相半波整流器构成的整流桥组实现。
更进一步的，24脉波整流器具有三种工作模式，具体参见图2至图4，具体为：
工作模式Ⅰ：参见图2，第一辅助单相变压器4的副边绕组的输出电压为us1，第二辅助单相变压器5的副边绕组的输出电压为us2，负载7两端的电压为ud；
当|us1-us2|<ud时，第一辅助单相变压器4和第二辅助单相变压器5均处于非工作状态，辅助单相整流桥6反向截止，流过电容C1的电流ic1和电容C2的电流ic2趋近于0，此时，第一二极管整流桥2和第二二极管整流桥3共同为负载7两端供电；
工作模式Ⅱ：参见图3，第一辅助单相变压器4的副边绕组的输出电压为us1，第二辅助单相变压器5的副边绕组的输出电压为us2，负载7两端的电压为ud；
当(us1-us2)>ud时，辅助单相整流桥6正向导通，其中，辅助单相整流桥6中二极管D1和二极管D4导通，二极管D2和二极管D3反向截止，此时，流经辅助单相整流桥6的电流is＞0，电流is注入负载7的正输入端为其供电；而第二二极管整流桥3不工作，且其输出电流为零，第一二极管整流桥2导通，第一二极管整流桥2为负载7两端供电；
工作模式Ⅲ：参见图4，第一辅助单相变压器4的副边绕组的输出电压为us1，第二辅助单相变压器5的副边绕组的输出电压为us2，负载7两端的电压为ud，且us1＜us2；
当-(us1-us2)>ud时，辅助单相整流桥6正向导通，其中，辅助单相整流桥6中二极管D1和二极管D4反向截止，二极管D2和二极管D3导通，流经辅助单相整流桥6的电流is＞0，电流is注入负载7的正输入端为其供电；此时，第一二极管整流桥2不工作，且其输出电流为零，第二二极管整流桥3导通，第二二极管整流桥3为负载7两端供电。
本优选实施方式中，所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的应用，使得串联型12整流器由单一的工作模式转变为具有三种不同的工作模式的串联型24脉波整流器，这三种工作模式能够形成特定的方波电流注入至整流器的直流测，从而两组二极管整流桥的输出电流和输出电压状态发生改变，根据整流器直流测与交流侧的关系，使得整流器的输入电流台阶数和输出电压脉波数倍增。
本发明与串联抽头变换器方案相比，双辅助单相变压器电流注入电路的中的辅助单相整流桥6与负载并联，避免了辅助二极管串联在负载通路需要承受大的电流应力和产生严重导通损耗的问题。
与采用辅助电压注入电路的方案相比，无需在输入侧串联三个大电感，避免了串联电感引起的位移因数降低和输出特性变软的问题。
本发明所述基于双辅助单相变压器电流注入电路的应用，不仅避免了辅助二极管直接串联在负载通路承受大的电流应力和产生高的导通损耗，而且避免了在多脉波整流器输入侧串联电感导致的整流器位移因数降低和输出电压特性变软的问题，本发明提出的基于双辅助单相变压器电流注入电路，具有辅助二极管电流应力低，附加导通损耗小，成本低廉等优点，此外辅助单相变压器原副边绕组匝数比低，更易于生产制造。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，包括移相变压器(1)、第一二极管整流桥(2)和第二二极管整流桥(3)；其特征在于，24脉波整流器还包括基于双辅助单相变压器电流注入电路；
其中，基于双辅助单相变压器电流注入电路包括第一辅助单相变压器(4)、第二辅助单相变压器(5)、辅助单相整流桥(6)、电容C1和电容C2；
移相变压器(1)，用于对接收的电网三相电压进行移相，生成两组相位相差30°、幅值相同的三相电压，并将其生成的两组三相电压分别发送至第一二极管整流桥(2)和第二二极管整流桥(3)；
第一二极管整流桥(2)的正极性输出端与电容C1的一端和辅助单相整流桥(6)的正极性输出端同时连接后，作为串联型24脉波整流器的正输出端与负载(7)的正输入端连接；
第二二极管整流桥(3)的负极性输出端与电容C2的一端和辅助单相整流桥(6)的负极性输出端同时连接后，作为串联型24脉波整流器的负输出端与负载(7)的负输入端连接；
第一辅助单相变压器(4)的原边绕组的一端与电容C1的另一端连接，第一辅助单相变压器(4)的原边绕组的另一端与第二辅助单相变压器(5)的原边绕组的一端、第一二极管整流桥(2)的负极性输出端以及第二二极管整流桥(3)的正极性输出端同时连接；
第二辅助单相变压器(5)的原边绕组的另一端与电容C2的另一端连接；
第一辅助单相变压器(4)的副边绕组的一端和第二辅助单相变压器(5)的副边绕组的一端分别与辅助单相整流桥(6)的两个输入端连接；
第一辅助单相变压器(4)的副边绕组的另一端与第二辅助单相变压器(5)的副边绕组的另一端连接；
使辅助单相整流桥(6)的导通时间为其输入电压周期的二分之一。
2.根据权利要求1所述的基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，其特征在于，所述的辅助单相整流桥(6)包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；
二极管D1的阳极同时与二极管D3的阴极和第一辅助单相变压器(4)的副边绕组的一端相连接，二极管D1的阴极与二极管D2的阴极连接后，作为辅助单相整流桥(6)的正极性输出端；其中，二极管D1的阳极和二极管D3的阴极均作为辅助单相整流桥(6)的一个输入端；
二极管D2的阳极同时与二极管D4的阴极和第二辅助单相变压器(5)的副边绕组的一端相连接，二极管D3的阳极与二极管D4的阳极连接后，作为辅助单相整流桥(6)的负输出端；其中，二极管D2的阳极和二极管D4的阴极均作为辅助单相整流桥(6)的另一个输入端。
3.根据权利要求1所述的基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，其特征在于，辅助单相整流桥(6)的导通时间为其输入电压周期的二分之一时，第一辅助单相变压器(4)和第二辅助单相变压器(5)的原副边匝数比均等于28.35。
4.根据权利要求1所述的基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，其特征在于，所述的第一二极管整流桥(2)和第二二极管整流桥(3)均可采用单个三相全桥整流器和带平衡电抗器的2个三相半波整流器构成的整流桥组实现。
5.根据权利要求2所述的基于双辅助单相变压器电流注入电路的24脉波整流器，其特征在于，该24脉波整流器具有三种工作模式，具体为：
工作模式Ⅰ：第一辅助单相变压器(4)的副边绕组的输出电压为us1，第二辅助单相变压器(5)的副边绕组的输出电压为us2，负载(7)两端的电压为ud；
当|us1-us2|<ud时，第一辅助单相变压器(4)和第二辅助单相变压器(5)均处于非工作状态，辅助单相整流桥(6)反向截止，流过电容C1的电流ic1和电容C2的电流ic2趋近于0，此时，第一二极管整流桥(2)和第二二极管整流桥(3)共同为负载(7)两端供电；
工作模式Ⅱ：第一辅助单相变压器(4)的副边绕组的输出电压为us1，第二辅助单相变压器(5)的副边绕组的输出电压为us2，负载(7)两端的电压为ud；
当(us1-us2)>ud时，辅助单相整流桥(6)正向导通，其中，辅助单相整流桥(6)中二极管D1和二极管D4导通，二极管D2和二极管D3反向截止，此时，流经辅助单相整流桥(6)的电流is＞0，电流is注入负载(7)的正输入端为其供电；而第二二极管整流桥(3)不工作，且其输出电流为零，第一二极管整流桥(2)导通，第一二极管整流桥(2)为负载(7)两端供电；
工作模式Ⅲ：第一辅助单相变压器(4)的副边绕组的输出电压为us1，第二辅助单相变压器(5)的副边绕组的输出电压为us2，负载(7)两端的电压为ud，且us1＜us2；
当-(us1-us2)>ud时，辅助单相整流桥(6)正向导通，其中，辅助单相整流桥(6)中二极管D1和二极管D4反向截止，二极管D2和二极管D3导通，流经辅助单相整流桥(6)的电流is＞0，电流is注入负载(7)的正输入端为其供电；此时，第一二极管整流桥(2)不工作，且其输出电流为零，第二二极管整流桥(3)导通，第二二极管整流桥(3)为负载(7)两端供电。
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