CN202107539U

CN202107539U - 一种变化负载的串并联供电电路

Info

Publication number: CN202107539U
Application number: CN2011202380670U
Authority: CN
Inventors: 周英怀; 邓长春; 伍超林; 谭兵
Original assignee: Sichuan Injet Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Injet Electric Co Ltd
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2021-07-07

Abstract

本实用新型公开了一种用于变化负载的串并联供电电路，电功率提供装置(T0)经第一功率调节回路(V11-V15)、第二功率调节回路(V21-V23)、变压器（T1、T2）、多组开关装置组（K1.*、K12、K2.*、K3.*）向变化负载组（R1、R2、R3、R4）供电的一种电路，本电路实现4个负载并联、3个负载并联、2个负载并联、所有负载全串联供电控制。采用本实用新型供电的系统具有连线少、成本低、占地少、系统更简洁、可靠性高、使用维护方便等特点。

Description

一种变化负载的串并联供电电路

技术领域

本实用新型涉及一种供电电路，尤其是涉及一种变化负载的串并联供电电路，它应用于3或4个变化负载组的串并联供电场合，如新能源光伏发电原材料生产领域中的多晶硅还原炉供电系统。

背景技术

在光伏、电子、微电子产业中，多晶硅是其主要原材料。多晶硅是以金属硅为原料，经一系列的物理、化学反应提纯的高纯硅。目前多晶硅生产工艺技术主要有：改良西门子法、硅烷法和流化床法，改良西门子工艺能够兼容电子级和太阳能级多晶硅的生产，以其技术成熟、适合产业化生产等特点，是目前多晶硅生产普遍采用的首选工艺，该生产工艺需要大功率电源加热恒温控制多晶硅棒。

多晶硅在整个生产过程中等效为阻抗变化很大的负载组，电压范围从2000V/m变化至10V/m，电流范围从0～3000A，整个过程电压、电流变化范围大，对电气系统匹配提出较高要求，目前分为两段处理，2000V/m～100V/m电压高电流较小，由高压电源装置处理；200V/m～10V/m电压相对低电流较大，由中低压电源装置处理。

目前具有市场实用价值的中低压电源功率电力电子器件极限电压为7500V，对应的交流功率调节安全电压上限为2500～2700V左右。如多晶硅棒直接串联供电，每个供电回路长度被限制，供电系统复杂、臃肿、庞大、浪费，实用性受到限制。这样的负载（多晶硅）变化环境对电源装置供电结构和器件选型要求独特。

目前成熟运用的供电结构可实现3、4、6、8对棒（等效2个变化负载）供电。通过不同数目的供电回路数组合，可适用于9对棒、12对棒、18对棒、24对棒、36对等多晶硅还原炉供电。如：

9对棒还原炉： 3组3对负载供电结构；

12对棒还原炉：3组4对负载供电结构；

18对棒还原炉：3组6对负载供电，也可采用6组3对负载供电结构；

24对棒还原炉：6组4对负载供电，也可用2组4对负载+2组8对负载或3组8对负载供电；

27对棒还原炉：9组3对负载供电，也可采用3组6对负载供+3组3对负载供电结构；

36对棒还原炉：6组6对负载供电结构；

上述3、4、6、8个变化负载供电回路缺点：

1）、只能实现等效的2个变化负载串并联供电；

2）、变化负载的电阻变化范围受供电极限电压限制，即硅棒长度受限制；

3）、还原炉硅棒对数增多后，系统供电回路连接增多，系统变得更复杂；

4）、还原炉硅棒对数增多后，不能实现供电系统材料、占地面积的节约，受场地限制；

如果能实现3个或4个变化负载供电，将使部分供电电路简化，优化后具有单对棒可加长、供电简洁，占地少等优点，能减弱或消除现有技术存在的不足或缺点。

综上所述，不能局限于2个变化负载串并联供电，需对现有负载供电结构进行创新优化处理，因此本专利提出了一种用于多个阻抗变化大的负载串并联供电电路结构；

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，提供一种成本低，系统更简洁、可靠性高的变化负载的串并联供电电路。

本实用新型采用的技术方案：一种用于变化负载的串并联供电电路，电功率提供装置经功率调节回路、变压器、开关装置给多个变化负载并联和串联供电，所述多个变化负载为4个负载或3个负载或2个负载。该段也表述为电功率提供装置经第一功率调节回路、第二功率调节回路、变压器、多组开关装置向变化负载组供电，实现4个负载并联、3个负载并联、2个负载并联、所有负载串联供电控制。

所述电功率提供装置提供的电流经第一功率调节回路、第一组开关装置、第四负载返回电功率提供装置给第四负载供电；电功率提供装置提供的电流经第二功率调节回路、第一变压器、第二组开关装置、第二负载、第三负载返回电功率提供装置给第二负载和第三负载供电；所述电功率提供装置提供的电流经第二功率调节回路、第一变压器、第三组开关装置、第一负载返回电功率提供装置给第一负载供电；电功率提供装置提供的电流经第一功率调节回路、第四组开关装置、第四负载、第三负载、第二负载、第一负载返回电功率提供装置给第一负载、第二负载、第三负载、第四负载供电。

所述电功率提供装置提供的电流经第一功率调节回路、第二变压器、第一组开关装置、第四负载返回电功率提供装置给第四负载供电；电功率提供装置提供的电流经第一功率调节回路、第二变压器、第二组开关装置、第三负载返回电功率提供装置给第三负载供电；电功率提供装置提供的电流经第二功率调节回路、第一变压器、第三组开关装置、第二负载返回电功率提供装置给第二负载供电；电功率提供装置提供的电流经第二功率调节回路、第一变压器、第四组开关装置、第一负载返回电功率提供装置给第一负载供电；电功率提供装置提供的电流经第一功率调节回路、第五组开关装置、第四负载、第三负载、第二负载、第一负载返回电功率提供装置给第一负载、第二负载、第三负载、第四负载供电。

所述电功率提供装置提供的电流经功率调节回路、第六组开关装置、第四负载、第三负载返回电功率提供装置给第四负载和第三负载供电；电功率提供装置提供的电流经功率调节回路、第七组开关装置、第一负载、第二负载返回电功率提供装置给第一负载和第二负载供电。

所述功率调节回路由晶闸管或其它半导体器件组成；所述电功率提供装置为大功率变压器或电源。

所述开关装置由接触器或半导体电子开关组成。

所述负载为阻抗变化的负载，每个负载由1对或多对多晶硅棒组成。

所述开关装置由接触器或半导体电子开关组成。

本发明使用了第一变压器和第二变压器实现负载自动并联均流控制功能。

本发明中的电功率提供装置(T0)经第一功率调节回路(V11-V15)、第二功率调节回路(V21-V23)、变压器（T1、T2）、多组开关装置组（K1.*、K12、K2.*、K3.*）向变化负载组（R1、R2、R3、R4）供电的电路结构，实现4个负载并联、3个负载并联、2个负载并联、所有负载串联供电控制。

本实用新型的有益效果是：

（1）实现3个或4个变化负载串并联供电；

（2）供电结构改进后，同样的极限电压允许负载变化范围增大，硅棒增长；

（3）减少系统供电回路数量，降低操作及调试难度，系统更简洁可靠性高；

（4）减少还原供电系统占地面积，节约供电装置、连线铜排等材料使用。

附图说明

图1是3组不同负载串并联供电电路图；

图2是4组相同相近负载串并联供电电路图；

图3是3组不同负载串并联供电步骤中3并联时电路图；

图4是3组不同负载串并联供电步骤中2并联时电路图；

图5是3组不同负载串并联供电步骤中串联时电路图；

图6是4组相同相近负载串并联供电步骤中4并联时电路图；

图7是4组相同相近负载串并联供电步骤中2并联时电路图；

图8是4组相同相近负载串并联供电步骤中串联时电路图。

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。

实施例1：

见图1、图3、图4、图5所示，为3组不同负载【R1、(R2+R3)≈R4】串并联供电电路。供电电路由变压器、大功率电源装置（功率调节、串并联切换）及负载（多晶硅棒）组成。硅棒生产前期，负载R1～R4阻值大，直接串联需要供电电压大大高于AC2500V极限值，采用3并联方案（R1∥(R2+ R3)∥R4）可降低至串联供电的1/3左右。硅棒生产中期，采用2并联方案（（R1+ R2）∥(R3+R4)）可降低至串联供电的1/2左右。硅棒生产后期，负载R1～R4阻值小，继续并联会使回路电流增加，应采用全部串联方案供电。

T0：大功率变压器或电源，为变化负载R1～R4提供电功率；

V11～V15：功率调节回路1，由晶闸管组成，3并联时对R4进行功率调节，2并联时对R3+R4进行功率调节，全串联时对R1、R2、R3、R4进行功率调节；

V21～V23：功率调节回路2，由晶闸管组成，3并联步骤时对R1、R2+R3进行功率调节，2并联步骤时对R1+R2进行功率调节；

T1：并联变压器，3并联步骤时对流经R1、(R2+ R3)电流进行均流调节；

K1（K1.1～K1.3）：开关装置，由接触器或半导体电子开关组成，3并联时动作，2并联和全串联时断开；

K12：开关装置，由断路器或半导体电子开关组成，2并联时动作，3并联和全串联时断开；

K2（K2.1 K2.2）：开关装置，由断路器或半导体电子开关组成，2并联时动作，全串联时断开（3并联时，只有K2.2动作，K2.1断开）；

K3（K3.1 K3.2）：开关装置，由断路器或半导体电子开关组成，串联时动作，3并联和2并联时断开；

R1～R4：阻抗变化的负载，每个负载由1对或多对多晶硅棒组成。

3并联供电原理

开关K1和K2中的K2.2动作，K2中的K2.1和K3断开，R1、R2+ R3由V21～V23供电调节，I2、I3电流由变压器T1进行均流控制。R4由V11～V15功率调节单独供电，电流流向如图3所示。

2并联供电原理

开关K12、K2动作，K3和K1断开，R1、R2由V21～V23供电调节。R3、R4由V11～V15功率调节单独供电，电流流向如图4所示。2并联时负载电流小或其他条件允许下，可省略本步骤及相应器件设备，直接进入全串联供电过程，实现3组相同相近负载（R1、R、R4）串并联供电电路。

串联供电原理

串联时开关K3动作，K1、K12、K2断开，V21～V23停止工作，R1、R2、R3、R4由V11～V15功率调节单独供电。电流流向如图5所示。

见图1、图3、图4、图5所示，针对3组不同负载【R1、(R2+R3)≈R4】串并联供电电路， 3并联时：电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V11-V15)、开关装置（K2.2）、第四负载(R4)、开关装置(K1.3) 返回电功率提供装置(T0)，向第四负载(R4)供电；电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V21-V23)、变压器（T1）、开关装置（K1.2）、第二负载(R2)、第三负载(R3)、开关装置(K1.3)返回电功率提供装置(T0)，向第二负载和第三负载(R2+ R3)供电；电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V21-V23)、变压器（T1）、开关装置（K1.2）、第一负载(R1)、开关装置(K1.1)、变压器（T1）、返回电功率提供装置(T0)，向第一负载(R1)供电。2并联时：电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V11-V15)、开关装置（K2.2）、第四负载(R4)、第三负载(R3)、开关装置(K12) 返回电功率提供装置(T0)，向第四负载和第三负载(R4+R3)供电；电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V21-V23)、开关装置（K2.1）、第一负载(R1)、第二负载(R2)、开关装置(K12)返回电功率提供装置(T0)，向第一负载和第二负载(R1+ R2)供电。串联：电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V11-V15)、开关装置（K3.2）、第四负载(R4)、第三负载(R3)、第二负载(R2)、第一负载（R1)、开关装置（K3.1）、返回电功率提供装置(T0)，向第一、第二、第三、第四负载(R1+R2+R3+R4)串联供电。

3组不同负载【R1、(R2+R3)≈R4】串并联供电电路，所述四组负载(R1、R2、R3、R4)中，第三负载(R3)和第二负载(R2)等效为一个负载（R= R2+R3），等效成3个变化负载组(R4、R、R1)供电，实现3组相同相近负载（R1、R、R4）串并联供电电路。

实施例2：

见图2、图6、图7、图8所示，为4组相同相近负载（R1≈R2≈R3≈R4）串并联供电电路，与实施例1同理，区别在于采用两个并联变压器实现4组相同负载并联。

硅棒生产前期，负载R1～R4阻值大，直接串联需要供电电压大大高于AC2500V极限值，采用并联方案（R1∥R2∥R3∥R4）可降低至串联供电的1/4左右。硅棒生产中期，采用2并联方案（（R1+ R2）∥(R3+R4)）可降低至串联供电的1/2左右。硅棒生产后期，负载R1～R4阻值小，继续并联会使回路电流增加，应采用全部串联方案供电。

T0：大功率变压器或电源，为变化负载R1～R4提供电功率；

V11～V15：功率调节回路1，由晶闸管组成，并联步骤时对R3、R4进行供电调节，串联步骤时对R1、R2、R3、R4进行供电调节；

V21～V23：功率调节回路2，由晶闸管组成，并联步骤时对R1、R2进行供电调节；

T1：并联变压器1，并联步骤时对流经R1、R2电流进行均流调节；

T2：并联变压器2，并联步骤时对流经R3、R4电流进行均流调节；

K1（K1.1～K1.4）：开关装置，由接触器或半导体电子开关组成，仅4负载并联时动作；

K12：开关装置，由接触器或半导体电子开关组成，4并联或2并联时动作，串联时断开；

K2（K2.1、K2.2）：开关装置，由接触器或半导体电子开关组成，仅2并联时动作；

K3（K3.1、K3.2）：开关装置，由断路器或半导体电子开关组成，仅串联时动作；

4并联供电原理为：

4并联时开关K1、K12动作，K2、K3断开，R1、R2由V21～V23供电调节，I1、I2电流由变压器T1进行均流控制。R3、R4由V11～V15供电调节，I3、I4电流由变压器T2进行均流控制。电流流向如图6所示。

2并联供电原理为：

2并联时开关K12、K2动作，K1、K3断开，R1、R2由V21～V23供电调节。R3、R4由V11～V15供电调节。电流流向如图7所示。2并联时负载电流小或其他条件允许下，可省略本步骤及相应器件设备，直接进入全串联供电过程。

串联供电原理为：

串联时开关K3动作，K1、K12、K2断开，V21～V23停止工作，R1、R2、R3、R4由V11～V15单独供电调节。电流流向如图8所示。

见图2、图6、图7、图8所示，4组相同相近负载（R1≈R2、R3≈R4）串并联供电电路，4并联：电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V11-V15)、变压器（T2）、开关装置（K1.3）、第四负载(R4)、开关装置(K1.4)、变压器（T2）返回电功率提供装置(T0)，向第四负载(R4)供电；电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V11-V15)、变压器（T2）、开关装置（K1.3）、第三负载(R3)、开关装置(K12)、返回电功率提供装置(T0)，向第三负载(R3)供电；电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V21-V23)、变压器（T1）、开关装置（K1.2）、第二负载(R2)、开关装置(K12)、返回电功率提供装置(T0)，向第二负载(R2)供电；电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V21-V23)、变压器（T1）、开关装置（K1.2）、第一负载(R1)、开关装置(K1.1)、变压器（T1）、返回电功率提供装置(T0)，向第一负载(R1)供电；2并联：电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V11-V15)、开关装置（K2.2）、第四负载(R4)、第三负载(R3)、开关装置(K12) 返回电功率提供装置(T0)，向第四负载和第三负载(R4+R3)供电；电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V21-V23)、开关装置（K2.1）、第一负载(R1)、第二负载(R2)、开关装置(K12)返回电功率提供装置(T0)，向第一负载和第二负载(R1+ R2)供电。串联：电功率提供装置(T0)经功率调节回路(V11-V15)、开关装置（K3.2）、第四负载(R4)、第三负载(R3)、第二负载(R2)、第一负载（R1)、开关装置（K3.1）、返回电功率提供装置(T0)，向第一、第二、第三、第四负载(R1+R2+R3+R4)串联供电。

在实施例1和实施例2中，

3组不同负载【R1、(R2+R3)≈R4】适用于图1方案，采用功率调节回路(V11~V15、V21~V23)、变压器（T1）、多组开关装置组（K1.*、K12、K2.*、K3.*）配合，实现变化负载的串并联供电。

4组相同相近负载（R1≈R2、R3≈R4）适用于图2方案，采用两个变压器（T1、T2）、多组开关装置组（K1.*、K12、K2.*、K3.*）、功率调节回路(V11~V15、V21~V23)配合，实现变化负载的串并联供电。

将实施例1、实施例2对3个或4个变化负载供电方案应用到多晶硅还原供电系统中具有如下特点：

（1）实现3个或4个变化负载串并联供电，减弱大功率电源供电极限值（AC2500V）对硅棒长度、对数的限制；

（2）同样多的变化负载系统（硅棒长短、对数相同的还原炉），采用本供电结构，减少系统供电回路数量；

（3）同样多的变化负载系统，采用本供电结构，降低操作及调试难度，系统更简洁可靠性高；

（4）同样多的变化负载系统，采用本供电结构，减少还原供电系统占地面积，节约供电装置、连线铜排……材料使用。

（5）同样系统条件，相对用变压器全程并联方案，可降低并联变压器额定电流及容量；

以24对棒还原炉为例，可由6组4负载供电结构，结合实施例2改进为3组8负载供电结构，减少了50%供电系统占地面积（少3个大功率电源），减少了30%大电流铜排(少6组3000A左右)。

以27对棒还原炉为例，可由9组3负载供电结构，结合实施例1改进为3组9负载供电结构，减少了60%供电系统占地面积（少6个大功率电源），减少了66%大电流铜排(少12组3000A左右)。

以36对棒还原炉为例，可由6组6负载供电结构，结合实施例1改进为3组12负载供电结构，减少了50%供电系统占地面积（少3个大功率电源），减少了40%大电流铜排(少6组3000A左右)。

以48对棒还原炉为例，可由6组8负载供电结构，结合实施例2改进为3组16负载供电结构，减少了50%供电系统占地面积（少3个大功率电源），减少了50%大电流铜排(少6组3000A左右)。

主要应用：光伏材料行业，多晶硅还原炉供电系统。

扩展应用：等效3个或4个变化负载供电的任何电源场合、因供电电压限制需3个或4个变化负载串并联运行场合。

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

1.一种变化负载的串并联供电电路，其特征在于：电功率提供装置经功率调节回路、变压器、开关装置给多个变化负载并联和串联供电。

2.根据权利要求1所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述多个变化负载为4个负载或3个负载或2个负载。

3.根据权利要求1所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述电功率提供装置(T0)提供的电流经第一功率调节回路(V11-V15)、第一组开关装置（K2.2、K1.3）、第四负载(R4)返回电功率提供装置(T0)给第四负载(R4)供电；电功率提供装置(T0)提供的电流经第二功率调节回路(V21-V23)、第一变压器（T1）、第二组开关装置（K1.2、K1.3）、第二负载(R2)、第三负载(R3)返回电功率提供装置(T0)给第二负载（R2）和第三负载(R3)供电；所述电功率提供装置(T0)提供的电流经第二功率调节回路(V21-V23)、第一变压器（T1）、第三组开关装置（K1.1、K1.2）、第一负载(R1)返回电功率提供装置(T0)给第一负载(R1)供电；电功率提供装置(T0)提供的电流经第一功率调节回路(V11-V15)、第四组开关装置（K3.1、K3.2）、第四负载(R4)、第三负载(R3)、第二负载(R2)、第一负载（R1)返回电功率提供装置(T0)给第一负载（R1）、第二负载（R2）、第三负载（R3）、第四负载(R4)供电。

4.根据权利要求1所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述电功率提供装置(T0) 提供的电流经第一功率调节回路(V11-V15)、第二变压器（T2）、第一组开关装置（K1.3、K1.4）、第四负载(R4)返回电功率提供装置(T0)给第四负载(R4)供电；电功率提供装置(T0) 提供的电流经第一功率调节回路(V11-V15)、第二变压器（T2）、第二组开关装置（K1.3、K12）、第三负载(R3)返回电功率提供装置(T0)给第三负载(R3)供电；电功率提供装置(T0) 提供的电流经第二功率调节回路(V21-V23)、第一变压器（T1）、第三组开关装置（K1.2、 K12）、第二负载(R2)返回电功率提供装置(T0)给第二负载(R2)供电；电功率提供装置(T0) 提供的电流经第二功率调节回路(V21-V23)、第一变压器（T1）、第四组开关装置（K1.2、K1.1）、第一负载(R1)返回电功率提供装置(T0)给第一负载(R1)供电；电功率提供装置(T0) 提供的电流经第一功率调节回路(V11-V15)、第五组开关装置（K3.1、K3.2）、第四负载(R4)、第三负载(R3)、第二负载(R2)、第一负载（R1)返回电功率提供装置(T0)给第一负载（R1）、第二负载（R2）、第三负载（R3）、第四负载(R4)供电。

5.根据权利要求3或4所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述电功率提供装置(T0)提供的电流经功率调节回路(V11-V15)、第六组开关装置（K12、K2.2）、第四负载(R4)、第三负载(R3)返回电功率提供装置(T0)给第四负载（R4）和第三负载(R3)供电；电功率提供装置(T0)提供的电流经功率调节回路(V21-V23)、第七组开关装置（K2.1、K12)、第一负载(R1)、第二负载(R2)返回电功率提供装置(T0)给第一负载（R1）和第二负载( R2)供电。

6.根据权利要求1或3或4所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述功率调节回路由晶闸管或其它半导体器件组成；所述电功率提供装置为大功率变压器或电源。

7.根据权利要求1或3或4所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述开关装置由接触器或半导体电子开关组成。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述负载为阻抗变化的负载，每个负载由1对或多对多晶硅棒组成。

9.根据权利要求5所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述功率调节回路由晶闸管或其它半导体器件组成；所述电功率提供装置为大功率变压器或电源。

10.根据权利要求5所述的变化负载的串并联供电电路，其特征在于：所述开关装置由接触器或半导体电子开关组成。