CN114142749B - 一种基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，包括：单相交流输入端Vin、直流输出端Vout以及控制器；带气隙的磁通调节变压器Tr1，其二次侧连接有输出频率及相位可控的单相交流输出装置，所述单相交流输出装置受所述控制器控制给所述磁通调节变压器Tr1的二次侧充电；高压变压器Tr2，所述高压变压器Tr2的一次侧与所述磁通调节变压器Tr1的一次侧串联后跨接于所述单相交流输入端Vin的两端，所述高压变压器Tr2的二次侧经整流滤波模块连接至所述直流输出端Vout。本发明在采用不控整流叠加的基础上，利用磁通变换原理，实现宽范围内连续可调输出。

Description

一种基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源
技术领域
本发明涉及特种电源领域，尤其涉及一种基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源。
背景技术
现有高压直流电源大都采用变压器调档+不控整流+滤波，或者可控模块累加的方式实现。
采用变压器调档+不控整流+滤波方式实现时，受到调档变压器影响，电源输出电压变化范围有限且无法实现连续调节。
采用可控模块累加的方式实现时，可实现宽范围内电压连续可调，但设计者需考虑模块叠加带来的均压、均流等问题，且电源控制属于高压控制领域，设备稳定性需着重考虑。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽范围连续可调高压直流电源的硬件结构，其在软件人员编程后，可实现在采用不控整流叠加的基础上，利用磁通变换原理，进行宽范围内连续可调输出。
为实现所述目的，依据本发明的一个方面，提供一种基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，包括：
单相交流输入端Vin、直流输出端Vout以及控制器；
带气隙的磁通调节变压器Tr1，其二次侧连接有输出频率及相位可控的单相交流输出装置，所述单相交流输出装置受所述控制器控制给所述磁通调节变压器Tr1的二次侧充电；
高压变压器Tr2，所述高压变压器Tr2的一次侧与所述磁通调节变压器Tr1的一次侧串联后跨接于所述单相交流输入端Vin的两端，所述高压变压器Tr2的二次侧经整流滤波模块连接至所述直流输出端Vout。
进一步的，所述单相交流输出装置包括可控逆变器和辅助电源，所述可控逆变器自所述辅助电源取电，并受所述控制器控制输出频率及相位可控的电流给所述磁通调节变压器Tr1的二次侧。
进一步的，所述辅助电源为低压恒压源，和/或所述辅助电源为所述控制器供电。
进一步的，所述可控逆变器为由IGBT管构成的桥式电路。
进一步的，所述高压变压器Tr2为多绕组变压器，其二次侧的每个绕组均连接有一个所述整流滤波模块，各个整流滤波模块的输出端相互串联后跨接于所述直流输出端Vout的两端。
进一步的，在所述多绕组变压器的二次侧绕组中，任意相邻的两个所述绕组之间相互移相。
进一步的，各个所述整流滤波模块结构相同，且均为不可控整流滤波模块。
进一步的，还包括有电连接所述控制器并串联所述单相交流输入端Vin设置的开关KYN1。
进一步的，还包括有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时实现在运行阶段实施的以下步骤：
S1、控制所述单相交流输出装置对所述磁通调节变压器Tr1的二次侧注入与所述磁通调节变压器Tr1的一侧次频率相同、相位相反的电流；
S2、调节所述单相交流输出装置输出电流的大小以改变所述所述磁通调节变压器Tr1的磁通以及其一侧次的阻抗。
进一步的，所述程序被所述控制器执行时还实现在启动阶段实施的以下步骤：
断开串联于所述单相交流输入端Vin的开关KYN1，启动所述单相交流输出装置进行预充电；
在所述整流滤波模块中的电容充满后，吸合所述开关KYN1。
待软件人员编程后，本发明具有以下有益效果：
1、通过调节磁通调节变压器Tr1二次侧的注入电流实现输出高压调节，属于低压控高压模式，系统安全可靠，不需考虑高压控制带来的均压均流以及不可靠性；
2、注入电流可根据一次侧输入电流实现闭环精细调节，进而实现输出直流高压的连续控制。
所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。
在附图中：
图1示出了本发明的宽范围连续可调高压直流电源的电气拓扑电路。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
如图1所示，本发明的宽范围连续可调高压直流电源主要由低压磁通调节部分、高压串联输出部分、单相交流输入端Vin、直流输出端Vout以及控制器组成。
低压磁通调节部分包含带气隙的磁通调节变压器Tr1，其二次侧连接有输出频率及相位可控的单相交流输出装置，单相交流输出装置受控制器控制给磁通调节变压器Tr1的二次侧充电。
高压串联输出部分包含高压变压器Tr2，高压变压器Tr2的一次侧与磁通调节变压器Tr1的一次侧串联后跨接于单相交流输入端Vin的两端，高压变压器Tr2的二次侧经整流滤波模块连接至直流输出端Vout。
本实施例中，单相交流输出装置可以是AC-AC模块、DC-AC模块或是AC输出线路等可以输出单相交流的装置，单相交流输出装置的取电来源可以是从外界取电，也可以是系统设置内部辅助电源，从辅助电源取电，其中，辅助电源可以是发电设备、储能电池或恒压源等，此处不作限定。
本实施例中，高压变压器可以是隔离变压器、脉冲变压器等单个的低压转高压式变压设备，也可以是变压器+升压电路的结构，此处不作限定。
本发明的宽范围连续可调高压直流电源，通过调节磁通调节变压器Tr1二次侧的注入电流实现输出高压调节，属于低压控高压模式，系统安全可靠，不需考虑高压控制带来的均压均流以及不可靠性，并且，注入电流可根据一次侧输入电流实现闭环精细调节，进而实现输出直流电压的宽范围连续控制。
作为一个可选实施例，设置单相交流输出装置主要包括可控逆变器，可控逆变器自辅助电源取电，并受控制器控制其功率器件工作，从而输出频率及相位可控的电流给磁通调节变压器Tr1的二次侧。
在该可选实施例中，单相交流输出装置以可控逆变器为核心，能够方便的实现输出电流频率及相位控制，简化电路结构。
其中，辅助电源优选为低压恒压源，用于提供一个精准、低纹波的恒压给到可控逆变器，确保调整Tr1磁通过程中的稳定及准确性能。当辅助电源选用为低压恒压源时，设置辅助电源平时给控制系统尤其是控制器供电，节省另外设置控制系统供电电源，节省成本。
进一步的，为增强可控逆变器的耐压上限，以及确保可控逆变器在高频关断中可以输入稳定波形，在该可选实施例中，可控逆变器选用为由IGBT管构成的桥式电路。
作为另一个可选实施例，设置高压变压器Tr2具体为多绕组变压器，其二次侧的每个绕组均独立连接有一个所述的整流滤波模块，各个整流滤波模块的输出端相互串联后跨接于直流输出端Vout的两端。
在该可选实施例中，通过设置各个整流滤波模块的输出端相互串联，二次侧多模块一次串联实现高压直流输出。
进一步的，在多绕组变压器的二次侧绕组中，设置任意相邻的两个绕组之间相互移相，也即将高压变压器Tr2进一步设置成多绕组移相变压器，其中，移相的设计可降低串联带来的直流电压纹波，减小输出滤波电容尺寸，减小设备体积。
作为该实施例中一种可选的实施方式，设置各个整流滤波模块结构相同以提升电路拓扑结构的对称性能，确保系统参数稳定，并且，为简化控制及电路布线，避免因多线路导致空间布局上不可避免的线路交错引起磁干扰，在该可选的实施方式中，整流滤波模块全部设置为不可控，如由二极管搭建而成的二极管桥式电路。
优选地的，整流滤波模块中滤波的实现依赖LC滤波器进行直流输出纹波的降低。
本发明的宽范围连续可调高压直流电源还包括有计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有程序，程序被控制器执行时实现在运行阶段实施的以下步骤：
S1、控制单相交流输出装置对磁通调节变压器Tr1的二次侧注入与磁通调节变压器Tr1的一侧次频率相同、相位相反的电流；
S2、调节单相交流输出装置输出电流的大小以改变磁通调节变压器Tr1的磁通以及其一侧次的阻抗。
本发明中，通过在Tr1二次侧注入与一次侧频率相同、相位相反的电流，通过调节该电流的大小实现变压器的磁通连续可调，进而实现变压器一次侧阻抗连续可调。在此基础上，合理设计Tr1与Tr2的一次侧阻抗比，当Tr1阻抗变化时，实现两个变压器的阻抗比变化，进而改变Tr2的一次侧电压，最终实现调整Tr2二次侧的输出电压。
本发明中，上述方法步骤可以被编程为程序步骤及装置存储于计算机可读存储介质中，通过被控制器调用执行的方式进行实施。且计算机可读存储介质中的所述程序被控制器执行时，实现该方法。其中，所述装置应当被理解为计算机程序实现的功能模块。
实施例2
实施例2是在实施例1的基础上，设置一开关KYN1，开关KYN1电连接控制器并串联单相交流输入端Vin设置，其中，开关KYN1可以是继电器、断路器、电控开关、手动开关中的其中一者。
在该实施例中，计算机可读存储介质中的程序被控制器执行时，还实现在启动阶段实施的以下步骤：
断开串联于单相交流输入端Vin的开关KYN1，启动单相交流输出装置进行预充电；
在整流滤波模块中的电容充满后，吸合开关KYN1。
在该实施例中，利用辅助电源经绕组给整流滤波模块中的电容充电，待整流滤波模块中的电容满电后，再吸合开关KYN1，此时单相交流输入端Vin输入电流与辅助电源输出电流一起重叠给高压变压器Tr2供电，可以限制合闸送电过程中的涌流，有效防止励磁涌流给高压变压器Tr2造成上电冲击。
作为一种可选的实施例，可以在磁通调节变压器Tr1的二次侧上串联一电阻R1做限流使用。本实施例中，Tr1二次侧注入的电流需要与一次侧频率相同、相位相反，但即使不一致，由于有电阻R1的限流，也不会出现重大故障，只是上电有励磁涌流现象而已。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (7)

1.一种基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，其特征在于，包括：
单相交流输入端Vin、直流输出端Vout以及控制器；
带气隙的磁通调节变压器Tr1，其二次侧连接有输出频率及相位可控的单相交流输出装置，所述单相交流输出装置受所述控制器控制给所述磁通调节变压器Tr1的二次侧充电；
高压变压器Tr2，所述高压变压器Tr2的一次侧与所述磁通调节变压器Tr1的一次侧串联后跨接于所述单相交流输入端Vin的两端，所述高压变压器Tr2的二次侧经整流滤波模块连接至所述直流输出端Vout；
所述高压变压器Tr2为多绕组变压器，其二次侧的每个绕组均连接有一个所述整流滤波模块，各个整流滤波模块的输出端相互串联后跨接于所述直流输出端Vout的两端；
在所述多绕组变压器的二次侧绕组中，任意相邻的两个所述绕组之间相互移相；
各个所述整流滤波模块结构相同，且均为不可控整流滤波模块。
2.如权利要求1所述的基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，其特征在于，所述单相交流输出装置包括可控逆变器和辅助电源，所述可控逆变器自所述辅助电源取电，并受所述控制器控制输出频率及相位可控的电流给所述磁通调节变压器Tr1的二次侧。
3.如权利要求2所述的基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，其特征在于，所述辅助电源为低压恒压源，和/或所述辅助电源为所述控制器供电。
4.如权利要求2所述的基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，其特征在于，所述可控逆变器为由IGBT管构成的桥式电路。
5.如权利要求1所述的基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，其特征在于，还包括有电连接所述控制器并串联所述单相交流输入端Vin设置的开关KYN1。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，其特征在于，
还包括有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时实现在运行阶段实施的以下步骤：
S1、控制所述单相交流输出装置对所述磁通调节变压器Tr1的二次侧注入与所述磁通调节变压器Tr1的一侧次频率相同、相位相反的电流；
S2、调节所述单相交流输出装置输出电流的大小以改变所述所述磁通调节变压器Tr1的磁通以及其一侧次的阻抗。
7.如权利要求6所述的基于磁通的宽范围连续可调高压直流电源，其特征在于，所述程序被所述控制器执行时还实现在启动阶段实施的以下步骤：
断开串联于所述单相交流输入端Vin的开关KYN1，启动所述单相交流输出装置进行预充电；
在所述整流滤波模块中的电容充满后，吸合所述开关KYN1。
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