CN202094811U

CN202094811U - 一种多脉波供电电路

Info

Publication number: CN202094811U
Application number: CN2011202244784U
Authority: CN
Inventors: 周英怀; 邓永华; 邓长春
Original assignee: Sichuan Injet Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Injet Electric Co Ltd
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2021-06-29

Abstract

本实用新型公开了一种多脉波供电电路，其特征在于：三相电网电源输入至端头（RST），分两路供电，一路电源直接供给主变流设备，另一路电源供给相位分离装置( 如多脉波自藕或移相变压器)形成多组辅三相电压电源，每组辅三相电压电源分别连接有一组辅变流设备，经过主、辅变流设备的电源输出并联，通过滤波后输出到负载。本实用新型简洁、可靠、维护方便且具有高效率、低输入谐波、低输出纹波。

Description

一种多脉波供电电路

技术领域

本实用新型涉及供电电路，尤其是涉及一种多脉波供电电路。

背景技术

交流变直流装置即整流电路，是把交流电能转换为直流电能的电路。整流电路通常由变压器、整流主电路、滤波电路组成。它在直流传动、电机励磁、电解、电镀、直流逆变电源、交流逆变电源……等领域得到广泛应用。

常规交流变直流装置采用如下电路，有单相半波、单相全波、单相桥式、三相半波、三相桥式、三相双反星……。

在交流变直流应用场合，由于后续整流元件的单向导通特征，导致输入侧电流非正弦，含有很多高次谐波。为了减小对电网的谐波污染，提高功率因数，必须提高整流设备的脉波数。常见整流电路的脉动系数、纹波、谐波、THD的关系见下表。

整流脉波数	6脉波	12脉波	18脉波	24脉波	36脉波	48脉波
							脉动系数	0.25	0.057	0.025	0.014	0.006	0.0035
纹波系数	0.064	0.042	0.0177	0.0099	0.0042	0.0024
							谐波成分(次)	6K±1	12K±1	18K±1	24K±1	36K±1	48K±1
THD理论值	31.08%	15.2%	10.1%	6.8%	4.6%	3.8%

在单晶硅、多晶硅等晶体加热铸锭、宝石熔炼……行业对直流或交流电源效率、谐波、输出纹波提出了较高要求，同时因晶体或宝石生产周期长，对设备可靠性也提出极高要求。

现有方案：

单相整流辅以LC滤波电路。

三相桥式6脉波整流辅以LC滤波电路。

三相双反星带平衡电抗器整流电路，辅以LC滤波电路减小输入谐波及输出纹波。

12脉波整流滤波电路：采用星连接、角连接的两个绕组，使整流电路的脉波数提高一倍。

1、整流相数少的电路(如单相、三相6脉波整流)，存在如下缺点：

1）、靠LC回路改善输入谐波和输出纹波，滤波电路庞大。

2）、引入LC滤波回路导致成本高，且不易与变化负载系统匹配参数。

3）、LC滤波回路增大线路损耗，存在系统谐振隐患，影响设备安全运行。

4）、供电系统整体谐波含量偏高，功率因素低。

2、采用现有多脉波整流电路存在如下缺点：

1）、多个变压器实现多脉波整流并联电路设备体积大，占用空间大，变压器成本高。

2）、需要无功补偿及谐波治理等多种设备组合使用。造成经济成本高、系统复杂、设备众多、可靠性差、维护工作量大等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有方案存在的问题，考虑到输入侧谐波电流、设备体积重量、输出纹波的要求，提供了一种多脉波供电电路，本实用新型简洁、可靠、维护方便且具有高效率、低谐波、低纹波特性。

本实用新型供电电路的技术方案是：一种多脉波供电电路，三相电网电源输入至端头（RST），一路电源直接供给主变流设备，另一路电源供给相位分离装置( 如多脉波自藕或移相变压器)形成多组辅三相电压电源，每组辅三相电压电源分别连接有一组辅变流设备，经过主、辅变流设备的电源输出到负载。

所述相位分离装置为自耦或移相变压器。

所述自耦或移相变压器每个铁心柱有三个绕组角形连接，原边绕组分三段顺向串联绕制，从原边绕组引出两个抽头用于连接另外两个铁心柱的副边绕组，通过矢量叠加来构造另外两组辅三相电压（Vabc′）和（Vabc″），并分别给两组辅变流设备供电，三组电源（Vabc、Vabc′、Vabc″）通过三组变流设备（主变流、辅变流1、辅变流2）输出直接并联、通过LC滤波后输出到负载。同理可扩展为多组辅三相电源独立变流(直流、交流)供电电路。

所述经过主、辅交流设备的电源输出到负载。经过主、辅交流设备的电源可以分别输出到独立的负载上，即经过主、辅交流设备的电源分别给独立的负载供电，相当于每组电源给独立的一个负载供电，由于电源是多组，因此形成了多个负载。同时，经过主、辅交流设备的电源也可以并联输出给同一个负载供电，即形成了多组电源给1个负载供电。

所述主、辅变流设备为直流或交流变流设备，如整流桥或交流调压设备。

本实用新型利用变压器不同的匝比变换和绕组连接（如三角形连接和星形等等）得到相位不同的电压矢量，经过多组整流电路并联输出，达到等效多脉波整流供电效果。

1、本实用新型中的三组整流桥的电流波形(iabc、iabc1、iabc2)拟合形成18脉波整流电路,降低电源对网侧谐波影响。同理，整流桥通过调整每相电压矢量相差关系，形成更多脉波整流电路方案。网侧电流波形更趋于正弦化，THD更小。

2、本实用新型中的多绕组整流供电，主整流电流不经过变压器，减小自耦或移相变压器体积及容量，节约成本。

3、本实用新型中的多脉波整流减小输出纹波，避免传统滤波电路引起的固定损耗、系统谐振、变化负载参数匹配难的缺点。

4、本实用新型中的自藕或移相变压器只提供辅助绕组功率，相比多绕组并联及多变压器并联方案所采用的变压器总体容量小。以150kW直流电源为例，电流关系见下表。

序号	项目	标号	比例关系	电流值
					1	输出直流电流	Io		DC300 A(500V)
2	输入总电流	Ia Ib Ic	0.816×Io	244A
					3	整流0输入电流	Ia1 Ib1 Ic1	0.666×Io	200A
4	整流1输入电流	Ia′ Ib′ Ic′	0.333×Io	100A
					5	整流2输入电流	Ia″Ib″Ic″	0.333×Io	100A

5、本实用新型相对传统方案具有结构简单、可靠性高、效率高，过载能力强等显著的优点。

本实用新型的技术效果是：

（1）、降低电源对网侧谐波影响。

（2）、减小变压器体积及容量，节约成本。

（3）、减小输出纹波，避免传统滤波电路引起的固定损耗、系统谐振、变化负载难匹配的缺点。

（4）、提供一种结构简单、可靠性高、效率高，过载能力强的电源方案。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型多脉波供电电路；

图2是本实用新型中18脉波自耦变压器整流电路结构；

图3是18脉波自耦变压器整流原理；

图4是自耦变压器绕制图；

图5是自耦变压器电压矢量图；

图6是18脉波自耦变压器整流波形；

图7是等效电路图；

图8是整流电路电流波形图；

图9是6脉波整流滤波、18脉波自耦变压器整流谐波对比图；

图10是本实用新型用于多负载直流电路图；

图11是本实用新型用于多负载交流电路图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，一种多脉波供电电路，三相电网电源输入至端头（RST），分两路供电，一路电源直接供给主变流设备，另一路电源供给相位分离装置形成多组辅三相电压电源（可以是2或3或4或5组电源或其它多组电源），每组辅三相电压电源分别连接有一组辅变流设备，经过主、辅变流设备的电源输出到负载，经过主、辅变流设备的电源输出后可以并联连接在同一负载上，即多组电源给一个负载供电（见图1）。经过主、辅变流设备的电源输出后也可以分别输出到单独负载，即一组电源有一组负载，多组电源给多组负载供电（见图10、图11）。所述相位分离装置可以为自耦或移相变压器，当相位分离装置为自耦或移相变压器时，所述变压器每个铁心柱有三个绕组角形连接，原边绕组分三段顺向串联绕制，从原边绕组引出两个抽头用于连接另外两个铁心柱的副边绕组，通过矢量叠加来构造另外两组辅三相电压（Vabc′）和（Vabc″），并分别给两组辅整流桥供电，三组电源（Vabc、Vabc′、Vabc″）通过三组整流桥（整流0、整流1、整流2）输出直接并联、通过LC滤波后输出到负载。所述电源供给相位分离装置后也可以形成四组辅三相电压电源，也可以形成其它多个辅三相电压电源，每组电源经变流设备输出后可以分别到独立负载上（如图10、图11所示），每组电源经变流设备输出后可以并联输出到同一负载上（如图1所示），此时的相位分离装置也可以为自耦或移相变压器。所述负载为1个或1个以上（如图1，图10和图11所示）。所述主、辅变流设备为直流或交流变流设备，如整流桥或交流调压设备（如图1、图2、图3、图10所示），图11为交流变流设备。

将一组三相电源通过相位分离装置分离成2、3、4、5……多组电源，多组电源经变流设备输出，通过矢量均分方法将电源周期2π等分18、24、36、48……份，达到或等效多脉波整流效果。所述电源周期2π可以等分18、24、36、48份。所述相位分离装置为自耦或移相变压器。所述变流设备为整流桥（如图1、图2、图10所示）。所述多组电源可以经交流设备输出并联到同一负载上，即多组电源为一个负载供电（如图1所示），所述多组电源也可以经变流设备后分别输出到独立的负载上，即每组电源有一个负载，多组电源给多个负载供电（如图10、图11所示）。

为了进一步说明本实用新型，下面以18脉波自耦变压器整流电路结构为例进行说明：

如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，三相电网电源输入至端头（RST），分两路供电，一路直接供给主整流桥0；一路供给自耦变压器，自耦变压器每个铁心柱有三个绕组角形连接，原边绕组分三段顺向串联绕制，从原边绕组引出两个抽头用于连接另外两个铁心柱的副边绕组，通过矢量叠加来构造另外两组辅三相电压（Vabc′）和（Vabc″），并分别给两组辅整流桥供电。三组电源Vabc、Vabc′、Vabc″通过三组整流桥（整流0、整流1、整流2）输出直接并联、通过适量LC滤波后输出到负载。

三相电压Vabc与输入电压幅值相位相同，Vabc'参考Vabc超前37°，Vabc''参考Vabc滞后37°。通过调整变压器Vabc、Vabc'、Vabc″绕组间的匝比关系，使相邻电压矢量等效相差20°。18脉波自耦变压整流线路及其电压矢量图见图5。由于辅矢量短，每个主矢量与相位差较大的辅矢量构成线电压整流后输出。与输出电压相关的矢量包括主矢量形成的线电压矢量、主辅矢量形成的两组线电压矢量共3组电压矢量(Vabc、Vabc'、Vabc″)。为了保证输出电压平滑，各线电压矢量长度相等，且相邻矢量间隔为20°，输出波形如图6所示。三组电压矢量(Vabc Vabc′Vabc″)提供18脉波，所有电压矢量经整流桥并联，则整流后输出电压为任意时刻线电压的最大值，二极管按照相应的线电压矢量的切换次序选通。一个周期内Vac''→Vac→Vac'→Vbc''→Vbc→Vbc'→Vba''→Vba→Vba'→Vca''→Vca→Vca'→Vcb''→Vcb→Vcb'→Vab''→Vab→Vab'每隔20°依次输出。输出18脉波直流电源。

三组整流桥的输入侧Iabc、Iabc1、Iabc2近似为矩形波，以a相为例，Iab1、Iab2、Iab3、Ia'、Ib''、在源侧电流拟合成近似正弦的梯形波Ia，相比普通三相全控桥，或双反星整流电源，本电路结构降低了输入侧谐波。在150KW直流电源样机实施该方案后谐波及效率对比分析如图9所示。

本电路结构提供了一种多脉波供电电路结构即交流变直流装置，如18、24、36、48脉波自耦变压器整流直流电源。为了达到减少材料，降低电网谐波目的，同样适用于多组直供电或交流供电场合。

本电路结构可适用但不限于如下场合

（1）新能源材料加热熔炼：单晶硅、宝石炉用直流电源；

（2）电机传动：直流电机、电动机、发电机励磁电源；

（3）炉窑加热设备供电；

（4）电解电镀。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种多脉波供电电路，其特征在于：三相电网电源输入至端头（RST），一路电源直接供给主变流设备，另一路电源供给相位分离装置形成多组辅三相电压电源，每组辅三相电压电源分别连接有一组辅变流设备，经过主、辅变流设备的电源输出到负载。

2.根据权利要求1所述的多脉波供电电路，其特征在于：所述相位分离装置为自耦或移相变压器。

3.根据权利要求2所述的多脉波供电电路，其特征在于：所述自耦或移相变压器每个铁心柱有三个绕组角形连接，原边绕组分三段顺向串联绕制，从原边绕组引出两个抽头用于连接另外两个铁心柱的副边绕组，通过矢量叠加来构造另外两组辅三相电压（Vabc′）和（Vabc″），并分别给两组辅变流设备供电，三组电源（Vabc、Vabc′、Vabc″）通过三组变流设备：主变流、辅变流1、辅变流2输出直接并联、通过LC滤波后输出到负载。

4.根据权利要求1所述的多脉波供电电路，其特征在于：所述经过主、辅变流设备的电源分别输出到独立负载上。

5.根据权利要求1或3或4所述的多脉波供电电路，其特征在于：所述主、辅变流设备为直流或交流变流设备。

6.根据权利要求1所述的多脉波供电电路，其特征在于：所述经过主、辅变流设备的电源输出并联到同一负载上。