CN117081070B - 电网友好型igbt连续调压低压大功率整流装置、水电解制氢电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于整流电路技术领域，公开了一种电网友好型整流电路，包括移相变压器、主控器、输出子电路以及若干结构相同的功率子电路，移相变压器的输入端电性连接有外部的交流电网，且移相变压器的输出端与输出子电路的输入端之间电性连接有若干并联设置的功率子电路，若干功率子电路的控制端均与主控器的输出端电性连接，输出子电路的输出端电性连接有外部的用电设备。本发明解决了现有技术存在的无功污染较大、整机损耗大以及造价高的问题。
Description
技术领域
本发明属于整流电路技术领域，具体涉及一种电网友好型整流电路。
背景技术
现有技术中的整流电路一般采用可控硅整流方式、AFE（主动式前端）整流+PWM（脉冲宽度调制）调压方式或并联24脉波整流+PWM调压方式，其中可控硅整流方式在输出电压较低或者电网电压偏高的时候，功率因数较低，对电网的无功污染较大；AFE整流+PWM调压方式的AFE的造价很高，整机工作效率较低，损耗较大；并联24脉波二极管整流+PWM调压方式变压器的造价很高。
发明内容
为了解决现有技术存在的无功污染较大、整机损耗大以及造价高的问题，本发明目的在于提供一种电网友好型整流电路。
本发明所采用的技术方案为：
一种电网友好型整流电路，包括移相变压器、主控器、输出子电路以及若干结构相同的功率子电路，移相变压器的输入端电性连接有外部的交流电网，且移相变压器的输出端与输出子电路的输入端之间电性连接有若干并联设置的功率子电路，若干功率子电路的控制端均与主控器的输出端电性连接，输出子电路的输出端电性连接有外部的用电设备。
进一步地，移相变压器设置有一个一次绕组和若干二次绕组，一次绕组与外部的交流电网电性连接，每个二次绕组一一对应地与一个功率子电路的输入端电性连接。
进一步地，功率子电路包括串联的功率单元和平波电感组，功率单元的输入端与移相变压器对应的二次绕组电性连接，平波电感组的输出端与输出子电路的输入端电性连接。
进一步地，功率单元包括整流桥、直流母线电容以及至少两个斩波器，整流桥的输入端与移相变压器对应的二次绕组电性连接，且整流桥的正极输出端与负极输出端之间电性连接有并联设置的直流母线电容和至少两个的斩波器，平波电感组包括至少两个平波电感，每个平波电感的输入端一一对应地与一个斩波器的中间点电性连接，且每个平波电感的输出端均与输出子电路的正极输入端电性连接，每个斩波器的负极均与输出子电路的负极输入端电性连接，且每个斩波器的控制端均与主控器的输出端电性连接。
进一步地，斩波器为半桥斩波器，半桥斩波器包括一组斩波桥臂，斩波桥臂包括串联设置的两个IGBT晶体管，两个IGBT晶体管的中间点与对应的平波电感的输入端电性连接，每个IGBT晶体管的控制端均与主控器的输出端电性连接，且IGBT晶体管与整流桥的负极输出端电性连接的该端作为斩波器的负极与输出子电路的负极输入端电性连接。
进一步地，斩波器为全桥斩波器，全桥斩波器包括两组斩波桥臂，每组斩波桥臂包括串联设置的两个IGBT晶体管，每组斩波桥臂的两个IGBT晶体管的中间点均与对应的平波电感的输入端电性连接，每个IGBT晶体管的控制端均与主控器电性连接，且IGBT晶体管与整流桥的负极输出端电性连接的该端作为斩波器的负极与输出子电路的负极输入端电性连接。
进一步地，功率子电路还设置有至少一个电流传感器，每个电流传感器的检测端串联接入平波电感组的输出端。
进一步地，两个功率单元构成一个双功率单元，双功率单元包括散热器和外壳，散热器设置于外壳的内部，两个功率单元对称设置于散热器的两侧。
进一步地，输出子电路为输出滤波电容，输出滤波电容的正极输入端分别与若干功率子电路的所有平波电感的输出端电性连接，输出滤波电容的负极输入端分别与若干功率子电路的所有斩波器的负极电性连接，且输出滤波电容的正极输出端和负极输出端与外部的用电设备对应的正极供电端和负极供电端电性连接。
进一步地，交流电网为三相交流电网，三相二次绕组，整流桥为三相二极管整流桥。
本发明的有益效果为：
本发明采用分布式多脉波多单元整流方式+PWM主动均流控制，不需要变压器具有极高的匝比精度就能够实现较好的均流特性，在保证了低电网谐波、高功率因数的同时，整流器本身的造价和损耗显著降低。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进一步进行说明。
附图说明
图1是实施例1的电网友好型整流电路的电路原理图。
图2是实施例2的功率子电路的电路原理图。
图3是实施例3的双功率单元的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种电网友好型整流电路，包括移相变压器U1、主控器、输出子电路以及若干结构相同的功率子电路，移相变压器的输入端电性连接有外部的交流电网，且移相变压器的输出端与输出子电路的输入端之间电性连接有若干并联设置的功率子电路，若干功率子电路的控制端均与主控器的输出端电性连接，输出子电路的输出端电性连接有外部的用电设备。
移相变压器对交流电网的交流电压进行变压，传输至并联的n个功率子电路进行斩波、滤波后得到直流电流，并传输至输出子电路进行对外输出，为用电设备进行供电，本实施中的用电设备为370V-DC的水电解槽，n为功率子电路的数量，且n=10，即设置10个功率子电路，主控器控制每个功率子电路进行主动均流。
作为优选，移相变压器设置有一个一次绕组和若干二次绕组，一次绕组与外部的交流电网电性连接，每个二次绕组一一对应地与一个功率子电路的输入端电性连接，二次绕组的移相角度为k1 * 60°/n，其中，k1为指示量，k1 = 0,1,2,…,n-1。
作为优选，功率子电路包括串联的功率单元和平波电感组，功率单元的输入端与移相变压器对应的二次绕组电性连接，平波电感组的输出端与输出子电路的输入端电性连接。
作为优选，功率单元（G1-G10）包括整流桥、直流母线电容以及两个斩波器，整流桥的输入端与移相变压器对应的二次绕组电性连接，且整流桥的正极输出端与负极输出端之间电性连接有并联设置的直流母线电容和两个斩波器，平波电感组包括两个平波电感，每个平波电感的输入端一一对应地与一个斩波器的中间点电性连接，且每个平波电感（L1-L20）的输出端均与输出子电路的正极输入端电性连接，每个斩波器的负极均与输出子电路的负极输入端电性连接，且每个斩波器的控制端均与主控器的输出端电性连接。
作为优选，斩波器为半桥斩波器，半桥斩波器包括一组斩波桥臂，斩波桥臂包括串联设置的两个IGBT晶体管，两个IGBT晶体管的中间点与对应的平波电感的输入端电性连接，每个IGBT晶体管的控制端均与主控器的输出端电性连接，且IGBT晶体管与整流桥的负极输出端电性连接的该端作为斩波器的负极与输出子电路的负极输入端电性连接。
作为优选，功率子电路还设置有一个电流传感器，每个电流传感器的检测端（P1-P10）串联接入平波电感组的输出端。
作为优选，输出子电路为输出滤波电容C11，输出滤波电容的正极输入端分别与若干功率子电路的所有平波电感的输出端电性连接，输出滤波电容的负极输入端分别与若干功率子电路的所有斩波器的负极电性连接，且输出滤波电容的正极输出端和负极输出端与外部的用电设备对应的正极供电端DC+和负极供电端DC-电性连接。
作为优选，交流电网为三相交流电网，三相二次绕组，整流桥为三相二极管整流桥。
工作原理：
正常运行时，电流传感器采集每个功率单元输出的直流电流并发送至主控器，主控器将所有直流电流求平均值后得到单元平均电流，并发送至每个功率单元，每个功率单元以单元平均电流作为给定值，对其输出的直流电流进行闭环控制，调整自身输出的占空比，使得其输出的直流电流逐渐等于单元平均电流，达到主动均流控制的效果。
各功率单元工作在交错并联模式下，即各功率单元的载波相位为k2* 360°/(m *n)，其中，m为一个功率单元中斩波桥臂的组数，且m=2，k2为指示量，且k2= 0,1,2,…,m*n-1，具体地，每个功率单元的斩波桥臂的载波相位相差180°，每个功率单元的对应位置的斩波桥臂的载波相位相差18°，最后在输出子电路中进行合并，得到用电设备使用的输出电流。
当某个功率单元发送故障时，仅对该功率单元进行闭锁保护，同时中控器立即调整各功率单元的载波相位，使得除去故障的功率单元，功率子电路仍构成完整的交错并联运行条件，即各运行的功率单元的载波相位为360°整数倍的等分角度，具体地，主控器将各功率单元的载波相位差由18°调整为20，每个双功率单元的对应位置的斩波桥臂的载波相位相差80°（20°×4），以最大限度就近抵消开关频率谐波。
本发明采用分布式多脉波多单元整流方式+PWM主动均流控制，不需要变压器具有极高的匝比精度就能够实现较好的均流特性，在保证了低电网谐波、高功率因数的同时，整流器本身的造价和损耗显著降低。
实施例2：
本实施例基于实施例1提供的技术方案，与实施例的区别技术特征在于：
作为优选，如图2所示，功率单元G11的斩波器为全桥斩波器，全桥斩波器包括两组斩波桥臂，每组斩波桥臂包括串联设置的两个IGBT晶体管，每组斩波桥臂的两个IGBT晶体管的中间点均与对应的平波电感的输入端电性连接，每个IGBT晶体管（D1-D8）的控制端均与主控器电性连接，且IGBT晶体管与整流桥的负极输出端电性连接的该端作为斩波器的负极与输出子电路的负极输入端电性连接。
实施例3：
本实施例基于实施例2提供的技术方案，与实施例的区别技术特征在于：
作为优选，如图3所示，两个功率单元G12、G13构成一个双功率单元SG1，双功率单元包括散热器和外壳，散热器设置于外壳的内部，两个功率单元对称设置于散热器的两侧。
运行时，不同双功率单元中两个功率单元的对应位置的斩波桥臂的载波相位相差90°，发生故障时，每个双功率单元的两个功率单元的载波相位选择最接近90°的角度。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (5)
1.一种电网友好型整流电路，其特征在于：包括移相变压器、主控器、输出子电路以及若干结构相同的功率子电路，所述的移相变压器的输入端电性连接有外部的交流电网，且移相变压器的输出端与输出子电路的输入端之间电性连接有若干并联设置的功率子电路，若干所述的功率子电路的控制端均与主控器的输出端电性连接，所述的输出子电路的输出端电性连接有外部的用电设备；
所述的功率子电路还设置有至少一个电流传感器，每个所述的电流传感器的检测端串联接入平波电感组的输出端；
所述的移相变压器设置有一个一次绕组和若干二次绕组，所述的一次绕组与外部的交流电网电性连接，每个所述的二次绕组一一对应地与一个功率子电路的输入端电性连接；
二次绕组的移相角度为k1 * 60°/n，其中，k1为指示量，k1 = 0，1，2，…，n-1；
每个所述的功率子电路包括串联的功率单元和平波电感组，所述的功率单元的输入端与移相变压器对应的二次绕组电性连接，所述的平波电感组的输出端与输出子电路的输入端电性连接；
每个所述的功率单元包括整流桥、直流母线电容以及至少两个斩波器，所述的整流桥的输入端与移相变压器对应的二次绕组电性连接，且整流桥的正极输出端与负极输出端之间电性连接有并联设置的直流母线电容和至少两个的斩波器，所述的平波电感组包括至少两个平波电感，每个所述的平波电感的输入端一一对应地与一个斩波器的中间点电性连接，且每个平波电感的输出端均与输出子电路的正极输入端电性连接，每个所述的斩波器的负极均与输出子电路的负极输入端电性连接，且每个斩波器的控制端均与主控器的输出端电性连接；
所述的斩波器的每组斩波桥臂包括串联设置的两个IGBT晶体管；
所述电流传感器采集每个所述功率单元输出的直流电流并发送至所述主控器，主控器将所有直流电流求平均值后得到单元平均电流，并发送至每个功率单元，每个功率单元以单元平均电流作为给定值，对其输出的直流电流进行闭环控制，调整自身输出的占空比，使得其输出的直流电流逐渐等于单元平均电流；
所述功率单元的载波相位为k2* 360°/(m * n)，其中，m为一个功率单元中斩波桥臂的组数，且m=2，k2为指示量，且k2= 0，1，2，…，m*n-1；
当某个功率单元发送故障时，仅对该功率单元进行闭锁保护，同时中控器立即调整各功率单元的载波相位，使得除去故障的功率单元后的功率子电路仍构成完整的交错并联运行条件；
两个所述的功率单元构成一个双功率单元，所述的双功率单元包括散热器和外壳，所述的散热器设置于外壳的内部，两个功率单元对称设置于散热器的两侧；
且运行时，不同双功率单元中两个功率单元的对应位置的斩波桥臂的载波相位相差90°，发生故障时，每个双功率单元的两个功率单元的载波相位选择最接近90°的角度。
2.根据权利要求1所述的电网友好型整流电路，其特征在于：所述的斩波器为半桥斩波器，所述的半桥斩波器包括一组斩波桥臂，两个所述的IGBT晶体管的中间点与对应的平波电感的输入端电性连接，每个IGBT晶体管的控制端均与主控器的输出端电性连接，且IGBT晶体管与整流桥的负极输出端电性连接的该端作为斩波器的负极与输出子电路的负极输入端电性连接。
3.根据权利要求1所述的电网友好型整流电路，其特征在于：所述的斩波器为全桥斩波器，所述的全桥斩波器包括两组斩波桥臂，每组斩波桥臂的两个所述的IGBT晶体管的中间点均与对应的平波电感的输入端电性连接，每个IGBT晶体管的控制端均与主控器电性连接，且IGBT晶体管与整流桥的负极输出端电性连接的该端作为斩波器的负极与输出子电路的负极输入端电性连接。
4.根据权利要求1任一所述的电网友好型整流电路，其特征在于：所述的输出子电路为输出滤波电容，所述的输出滤波电容的正极输入端分别与若干功率子电路的所有平波电感的输出端电性连接，输出滤波电容的负极输入端分别与若干功率子电路的所有斩波器的负极电性连接，且输出滤波电容的正极输出端和负极输出端与外部的用电设备对应的正极供电端和负极供电端电性连接。
5.根据权利要求1所述的电网友好型整流电路，其特征在于：所述的交流电网为三相交流电网，所述的二次绕组为三相二次绕组，所述的整流桥为三相二极管整流桥。
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