CN201726318U - 无直流环节单相电力电子变压器 - Google Patents

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张永鑫
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Abstract

一种整流变压技术领域的一种无直流环节单相电力电子变压器,包括:输入滤波电路、交流斩波电路、高频变压器电路和输出滤波电路,其中:输入滤波电路的输入端和输出端分别与单相高压正弦电源和交流斩波电路相连接,交流斩波电路输出端连接高频变压器电路,高频变压器电路输出端连接输出滤波电路,输出滤波电路的输出端与负载相连。本实用新型适用于电力系统中的输配电应用场合,具有体积小、重量轻、成本低廉、设计简单等优点。

Description

无直流环节单相电力电子变压器
技术领域
本实用新型涉及的是一种整流变压技术领域的装置,具体是一种无直流环节单相电力电子变压器。
背景技术
传统的电力变压器是一种用来将某一数值的交流电压(电流)变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压(电流)的设备。当一次绕组通以交流电时,就产生交变的磁通,交变的磁通通过铁芯导磁作用,就在二次绕组中感应出交流电动势。主要由铁芯、原副边线圈、冷却装置、各种保护装置等组成,具有体积庞大、笨重、成本高,维护检修麻烦等缺点。新出现的电力电子变压器也存在着各种各样的问题,亟待解决。
经过对电力电子变压器技术的检索发现,中国专利申请号02139030.4,公开日:2003.03.12.,记载了一种“电力电子变压器”,采用了结构和控制原理复杂的矩阵变换器结构,理论复杂,技术难度复杂。
进一步检索发现,中国专利申请号200910025824.3,公开日:2009.11.04.,记载了一种“多功能电力电子变压器”,同样采用了结构和控制原理复杂的变换器结构,理论复杂,技术难度复杂,网侧功率因数难以控制。
WANG JUN等,在“智能电网技术”IEEE Trans.on Industry Electronics Magzine.2009年6月,公开了一种电力电子变压器结构和控制原理,采用了可控整流器、高频链变压器、高频整流器和逆变器结构,控制复杂,效率难以控制。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的上述不足,提供一种无直流环节单相电力电子变压器,适用于电力系统中的输配电应用场合,具有体积小、重量轻、成本低廉、设计简单等优点。
本实用新型通过以下技术方案实现,本实用新型包括:输入滤波电路、交流斩波电路、高频变压器电路和输出滤波电路,其中:输入滤波电路的输入端和输出端分别与单相高压正弦电源和交流斩波电路相连接,交流斩波电路输出端连接高频变压器电路,高频变压器电路输出端连接输出滤波电路,输出滤波电路的输出端与负载相连。
所述的交流斩波电路包括:八个晶体管和八个功率二极管,其中:第一晶体管的集电极、第五晶体管的集电极、第一功率二极管的阴极与第五功率二极管的阴极相连,第一晶体管的发射极、第一功率二极管的阳极、第二晶体管的发射极与第二功率二极管的阳极相连,第五晶体管的发射极、第五功率二极管的阳极、第六晶体管的发射极与第六功率二极管的阳极相连,第二晶体管的集电极、第二功率二极管的阴极、第三晶体管的集电极、第三功率二极管的阴极相连后与高频变压器电路中的高频变压器初级绕组的一端相连,第六晶体管的集电极、第六功率二极管的阴极、第七晶体管的集电极、第七功率二极管的阴极相连后与高频变压器电路中的高频变压器初级绕组的另一端相连,第三晶体管的发射极、第三功率二极管的阳极、第四晶体管的发射极与第四功率二极管的阳极相连,第七晶体管的发射极、第七功率二极管的阳极、第八晶体管的发射极与第八功率二极管的阳极相连,第四晶体管的集电极、第四功率二极管的阴极、第八晶体管的集电极与第八功率二极管的阴极相连。
所述的晶体管均为SiC型绝缘栅双极型晶体管。
所述的输入滤波电路包括:一个电感和一个交流电容,其中:第一电感的一端与交流电源的一端相连,第一交流电容的一端与第一电感的另一端相连后与交流斩波电路的第一晶体管的集电极相连,第一交流电容的另一端与交流电源的另一端相连后与交流斩波电路的第四晶体管的集电极相连。
所述的高频变压器电路为高频变压器,其初级绕组一端与交流斩波电路的第一桥臂中点相连,初级绕组另一端与交流斩波电路的第二桥臂中点相连,次级绕组的一端与输出滤波电路的第九功率二极管的阳极相连,频变压器次级绕组的另一端与输出滤波电路的第十功率二极管的阳极相连,高频变压器次级绕组的中心抽头与输出滤波电路中的第一电解电容负极与第二电解电容负极相连。
所述的输出滤波电路包括:两个电感和两个交流电容,其中:第二电感的一端与高频变压器电路中高频变压器次级的一端相连,第二电感的另一端与第二交流电容的一端相连,第三电感的一端与高频变压器电路中高频变压器次级的另一端相连,第三电感的另一端与第三交流电容的一端相连,第二交流电容的另一端与第三交流电容的一端相连后与高频变压器电路中的高频变压器次级绕组的中间抽头相连。
本实用新型中的输入滤波电路负责滤除高频电流,获得正弦电流波形;交流斩波电路负责将单相正弦电压斩波成为正弦半波包络的脉冲电压;高频变压器电路负责将正弦半波包络的脉冲电压降压为低幅值、低纹波的正弦半波包络直流电压;输出滤波电路输出正弦半波电压。根据高频交流斩波、高频变压器工作原理以及采用高压大功率晶体管来提高电力电子变压器的电压等级,设计制作了支持高压大功率的新型电力电子变压器,因而具有设计构思新颖、通用性强等特征,同时具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、实现容易等优点,尤其适用于电力系统中的输配电变压器场合。
附图说明
图1为本实用新型的电路图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明,本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实施例包括:输入滤波电路1、交流斩波电路2、高频变压器电路3、输出滤波电路4,其中:输入滤波电路1与单相高压正弦电源连接,后接交流斩波电路2,交流斩波电路2输出端连接高频变压器电路3,高频变压器电路3输出端连接输出滤波电路4,输出滤波电路4后接交流负载。
所述的输入滤波电路1包括:第一电感L1和第一交流电容C1,其中第一电感L1的一端与交流电源的一端相连,第一交流电容C1的一端与第一电感L1的另一端相连后与交流斩波电路2的第一晶体管S1的集电极相连,第一交流电容C1的另一端与交流电源的另一端相连后与交流斩波电路2的第四晶体管S4的集电极相连。
所述的交流斩波电路2包括:第一晶体管管S1~第八晶体管管S8、第一功率二极管D1~第八功率二极管D8,其中:第一晶体管S1的集电极、第五晶体管S5的集电极、第一功率二极管D1的阴极与第五功率二极管D5的阴极相连,第一晶体管S1的发射极、第一功率二极管D1的阳极、第二晶体管S2的发射极与第二功率二极管D2的阳极相连,第五晶体管S5的发射极、第五功率二极管D5的阳极、第六晶体管S6的发射极与第六功率二极管D2的阳极相连。第二晶体管S2的集电极、第二功率二极管D2的阴极、第三晶体管S3的集电极、第三功率二极管D3的阴极相连后与高频变压器电路3中的高频变压器T1初级绕组的一端相连,第六晶体管S6的集电极、第六功率二极管D2的阴极、第七晶体管S7的集电极、第七功率二极管D7的阴极相连后与高频变压器电路3中的高频变压器T1初级绕组的另一端相连,第三晶体管S3的发射极、第三功率二极管D3的阳极、第四晶体管S4的发射极与第四功率二极管D4的阳极相连,第七晶体管S7的发射极、第七功率二极管D7的阳极、第八晶体管S8的发射极与第八功率二极管D8的阳极相连,第四晶体管S4的集电极、第四功率二极管D4的阴极、第八晶体管S8的集电极与第八功率二极管D8的阴极相连。
所述的高频变压器电路3为高频变压器T1,其中:高频变压器T1的初级绕组一端与交流斩波电路2的第一桥臂中点相连,其初级绕组另一端与交流斩波电路2的第二桥臂中点相连。高频变压器T1的次级绕组的一端与输出滤波电路4的第九功率二极管D9的阳极相连,高频变压器T1次级绕组的另一端与输出滤波电路4的第十功率二极管D10的阳极相连。高频变压器T1次级绕组的中心抽头与输出滤波电路4中的第一电解电容E1负极与第二电解电容负极E2相连。
所述的输出滤波电路4包括第二电感L2~第五电感L5、第一电解电容E1、第二电解电容E2、第二交流电容C2、第三交流电容C3,第九功率二极管D9,第十功率二极管D10,其中:第九功率二极管D9的阳极与高频变压器电路3中高频变压器T1次级绕组的一端相连,第十功率二极管D10的阳极与高频变压器电路3中高频变压器T1次级绕组的另一端相连,第九功率二极管D9的阴极与第二电感L2的一端相连,第十功率二极管D10的阴极与第三电感L3的一端相连,第二电感L2的另一端、第一电解电容E1的阳极与第四电感L4的一端相连,第三电感L3的另一端、第二电解电容E2的阳极与第五电感L5的一端相连,第一电解电容E1的阴极、第二电解电容E2的阴极、第二交流电容C2的一端和第三交流电容C3的一端相连,第四电感L4的另一端与第二交流电容C2的另一端相连,第五电感L5的另一端与第三交流电容C3的另一端相连。
所述的输出滤波电路4包括第二电感L2、第三电感L3、第二交流电容C2、第三交流电容C3,其中:第二电感L2的一端与高频变压器电路3中高频变压器T1次级的一端相连,其另一端与第二交流电容C2的一端相连,形成交流输出端La。第三电感L3的一端与高频变压器电路3中高频变压器T1次级的另一端相连,其另一端与第三交流电容C3的一端相连,形成交流输出端Lb。第二交流电容C2的另一端与第三交流电容C3的一端相连后与高频变压器电路3中的高频变压器T1次级绕组的中间抽头相连,形成交流输出端N。
本实施例的工作原理为:交流斩波电路中,采用单相矩阵变换器结构,将输入的高压工频交流电压变换成包络线为交流工频的高频PWM电压脉冲,输入到后级高频变压器电路。输入滤波电路将交流斩波形成的脉冲电流滤波成为光滑的电流,降低网侧电流谐波,提高功率因数。带中间抽头的高频变压器将原边的高压交流高频脉冲电压转换为两路相位相反的低压交流高频脉冲电压。输出滤波电路将高频交流脉冲电压滤波为工频交流电压,从而实现单相电力电子变压器的功能。
本实施例中的输入交流电压6kV,输出两路相位相反的、有效值为120V的交流正弦电压,额定输出功率10kW。高压电感L1取1mH,电感L2和L3取2mH。高压交流电容C1取4x100nF,6kV耐压,实际上每两个并联后串联,分散就近布置。交流电容C2和C3取47nF,400V。晶体管S1~S8和二极管D1~D8耐压15kV,允许通过电流10A。高频变压器T1为高压高频开关变压器,电压变比为50∶1。

Claims (6)

1.一种无直流环节单相电力电子变压器,包括:输入滤波电路、交流斩波电路、高频变压器电路和输出滤波电路,其特征在于:输入滤波电路的输入端和输出端分别与单相高压正弦电源和交流斩波电路相连接,交流斩波电路输出端连接高频变压器电路,高频变压器电路输出端连接输出滤波电路,输出滤波电路的输出端与负载相连。
2.根据权利要求1所述的无直流环节单相电力电子变压器,其特征是,所述的交流斩波电路包括:八个晶体管和八个功率二极管,其中:第一晶体管的集电极、第五晶体管的集电极、第一功率二极管的阴极与第五功率二极管的阴极相连,第一晶体管的发射极、第一功率二极管的阳极、第二晶体管的发射极与第二功率二极管的阳极相连,第五晶体管的发射极、第五功率二极管的阳极、第六晶体管的发射极与第六功率二极管的阳极相连,第二晶体管的集电极、第二功率二极管的阴极、第三晶体管的集电极、第三功率二极管的阴极相连后与高频变压器电路中的高频变压器初级绕组的一端相连,第六晶体管的集电极、第六功率二极管的阴极、第七晶体管的集电极、第七功率二极管的阴极相连后与高频变压器电路中的高频变压器初级绕组的另一端相连,第三晶体管的发射极、第三功率二极管的阳极、第四晶体管的发射极与第四功率二极管的阳极相连,第七晶体管的发射极、第七功率二极管的阳极、第八晶体管的发射极与第八功率二极管的阳极相连,第四晶体管的集电极、第四功率二极管的阴极、第八晶体管的集电极与第八功率二极管的阴极相连。
3.根据权利要求2所述的无直流环节单相电力电子变压器,其特征是,所述的晶体管均为SiC型绝缘栅双极型晶体管。
4.根据权利要求2所述的无直流环节单相电力电子变压器,其特征是,所述的输入滤波电路包括:一个电感和一个交流电容,其中:第一电感的一端与交流电源的一端相连,第一交流电容的一端与第一电感的另一端相连后与交流斩波电路的第一晶体管的集电极相连,第一交流电容的另一端与交流电源的另一端相连后与交流斩波电路的第四晶体管的集电极相连。
5.根据权利要求2所述的无直流环节单相电力电子变压器,其特征是,所述的高频变压器电路为高频变压器,其初级绕组一端与交流斩波电路的第一桥臂中点相连,初级绕组另一端与交流斩波电路的第二桥臂中点相连,次级绕组的一端与输出滤波电路的第九功率二极管的阳极相连,频变压器次级绕组的另一端与输出滤波电路的第十功率二极管的阳极相连,高频变压器次级绕组的中心抽头与输出滤波电路中的第一电解电容负极与第二电解电容负极相连。
6.根据权利要求5所述的无直流环节单相电力电子变压器,其特征是,所述的输出滤波电路包括:两个电感和两个交流电容,其中:第二电感的一端与高频变压器电路中高频变压器次级的一端相连,第二电感的另一端与第二交流电容的一端相连,第三电感的一端与高频变压器电路中高频变压器次级的另一端相连,第三电感的另一端与第三交流电容的一端相连,第二交流电容的另一端与第三交流电容的一端相连后与高频变压器电路中的高频变压器次级绕组的中间抽头相连。
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