CN220510966U - 直流负载的电源系统及直流用电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种直流负载的电源系统及直流用电系统，直流负载的电源系统包括：有载调压器和脉冲宽度调制整流器；有载调压器的输入端与交流电源电连接，有载调压器的输出端与脉冲宽度调制整流器的输入端电连接，脉冲宽度调制整流器的输出端与直流负载电连接；有载调压器用于对交流电源的电压幅值进行调整，将调整后得到的交流电输出至脉冲宽度调制整流器。只需在交流侧增加一个有载调压器，实现交流/交流的电压调节，有载调压器输出低电压幅值的交流电，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较低，有载调压器输出高电压幅值的交流电，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较高，最终满足直流负载的宽电压范围需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源技术领域，具体涉及一种直流负载的电源系统及直流用电系统。
背景技术
脉冲宽度调制整流器因其交流侧谐波更优、电能利用率更高的优势而被广泛使用，而脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值较高，导致其无法满足直流负载对于低电压幅值的需求。
在现有技术中，通常就这一问题的解决方案是在脉冲宽度调制整流器的后级加入斩波降压电路，与脉冲宽度调制整流器共同形成两级式的电路拓扑；在实际运行中，当需要在低压低电流工作区间时，则启用斩波降压电路，从而对脉冲宽度调制整流器输出的直流电进行降压，然后将降压后的直流电作用至直流负载；当需要在高压高电流工作区间时，则旁路掉斩波降压电路，使脉冲宽度调制整流器输出的直流电直接作用至直流负载。然而现有技术中的这种方式，需要的器件较多，造价高，还会带来额外的能耗，进而需要增加额外的散热设计，此外设备的占地面积也会增加。
实用新型内容
针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供一种直流负载的电源系统及直流用电系统。
第一方面，在一个实施例中，本实用新型提供一种直流负载的电源系统，直流负载的电源系统包括：
有载调压器和脉冲宽度调制整流器；
有载调压器的输入端与交流电源电连接，有载调压器的输出端与脉冲宽度调制整流器的输入端电连接，脉冲宽度调制整流器的输出端与直流负载电连接；
有载调压器用于对交流电源的电压幅值进行调整，将调整后得到的交流电输出至脉冲宽度调制整流器。
在一个实施例中，有载调压器包括变压器和开关元件；
变压器的初级绕组与交流电源电连接，变压器的次级绕组与脉冲宽度调制整流器的输入端电连接，开关元件与变压器电连接；
开关元件用于控制变压器接入回路的匝数比。
在一个实施例中，开关元件包括电磁开关。
在一个实施例中，直流负载的电源系统还包括：
缓冲整流器；
缓冲整流器与脉冲宽度整流器并联，且缓冲整流器分别与有载调压器和直流负载串联；
脉冲宽度调制整流器用于根据有载调压器输出的交流电，向直流负载输出第一直流电源；
缓冲整流器用于根据有载调压器输出的交流电，向直流负载输出第二直流电源。
在一个实施例中，缓冲整流器包括晶闸管整流器。
在一个实施例中，直流负载的电源系统还包括：
第一开关和第二开关；
第一开关与交流电源、脉冲宽度调制整流器、直流负载串联，且第一开关与缓冲整流器并联；
第二开关与交流电源、缓冲整流器、直流负载串联，且第二开关与脉冲宽度调制整流器并联。
在一个实施例中，直流负载的电源系统还包括：
保护装置；
保护装置并联在第二开关两端；
保护装置用于降低第二开关的电弧。
在一个实施例中，第二开关串联在缓冲整流器和直流负载之间；保护装置包括电阻和第三开关；
电阻和第三开关电连接，电阻远离第三开关的一端与第二开关的一端电连接，第三开关远离电阻的一端与第二开关的另一端电连接。
第二方面，在一个实施例中，本实用新型提供一种直流用电系统，直流用电系统包括：
交流电源、直流负载以及上述任一种实施例中的直流负载的电源系统。
在一个实施例中，直流负载包括制氢电解槽。
通过上述直流负载的电源系统及直流用电系统，只需在交流侧增加一个有载调压器，从而实现交流/交流的电压幅值调节，当直流负载需要工作在低压低电流区间时，有载调压器输出电压幅值较低的交流电至脉冲宽度调制整流器，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较低，同理的，当直流负载需要工作在高压高电流区间时，有载调压器输出电压幅值较高的交流电至脉冲宽度调制整流器，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较高，最终满足了直流负载的宽电压范围需求。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一个实施例中直流负载的电源系统的结构示意图；
图2为本实用新型一个实施例中直流负载的电源系统的具体结构示意图；
图3为本实用新型一个实施例中匝数可调变压器输出的交流电的电压幅值与脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值之间的关系示意图；
图4为本实用新型一个实施例中包含缓冲整流器的直流负载的电源系统的结构示意图；
图5为本实用新型一个实施例中包含第一开关、第二开关以及保护装置的直流负载的电源系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本实用新型，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本实用新型。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本实用新型的描述变得晦涩。因此，本实用新型并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
第一方面，如图1所示，在一个实施例中，本实用新型提供一种直流负载的电源系统，直流负载的电源系统包括：
有载调压器和脉冲宽度调制整流器；
有载调压器的输入端与交流电源电连接，有载调压器的输出端与脉冲宽度调制整流器的输入端电连接，脉冲宽度调制整流器的输出端与直流负载电连接；
有载调压器用于对交流电源的电压幅值进行调整，将调整后得到的交流电输出至脉冲宽度调制整流器；
其中，脉冲宽度调制整流器(PWM整流器)是应用脉宽调制技术发展起来的一种新型电源变流器，其基本原理是通过控制功率开关管的通断状态，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波并使功率因数接近于1；
其中，有载调压器主要是通过开关的方式实现交流/交流的电压幅值调节，其可以采用各种符合要求的AC-AC电路实现；
其中，需要注意的是，无论是有载调压器还是脉冲宽度调制整流器，都需要对应的控制器进行控制，具体的，控制器可分别发送对应的控制信号至有载调压器和脉冲宽度调制整流器，从而使有载调压器和脉冲宽度调制整流器导通，具体控制细节可参照相关现有技术，在此不再赘述。
通过上述直流负载的电源系统，只需在交流侧增加一个有载调压器，从而实现交流/交流的电压幅值调节，当直流负载需要工作在低压低电流区间时，有载调压器输出电压幅值较低的交流电至脉冲宽度调制整流器，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较低，同理的，当直流负载需要工作在高压高电流区间时，有载调压器输出电压幅值较高的交流电至脉冲宽度调制整流器，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较高，最终满足了直流负载的宽电压范围需求。
如图2所示，在一个实施例中，有载调压器包括变压器和开关元件(即有载调压器为图2中的匝数可调变压器T)；
控制器U分别与匝数可调变压器T和脉冲宽度调制整流器BR电连接，匝数可调变压器T的初级绕组与交流电源AC电连接，匝数可调变压器T的次级绕组与脉冲宽度调制整流器BR的输入端电连接，脉冲宽度调制整流器BR的输出端与直流负载R电连接；
匝数可调变压器T中的开关元件部分用于控制变压器部分接入回路的匝数比；
其中，匝数可调变压器T中的变压器部分的初级绕组和次级绕组都是固定的，但匝数可调变压器T中的开关元件部分可以控制变压器部分的初级绕组或次级绕组中的部分绕组接入回路，以改变匝数比，从而实现调压的目的；具体的，匝数可调变压器T中的开关元件部分由至少一个开关构成，开关两端分别接在初级绕组或次级绕组的不同触点处，当某个开关闭合时，与该开关并联的绕组被短路，从而使剩余部分的绕组接入回路，而控制器则用于控制这些开关的通断；匝数可调变压器T中的开关元件部分还可以由一个单刀多掷的开关单独构成，控制器能够通过控制信号来使该单刀多掷的开关处于不同的状态，以改变匝数比；
其中，无论匝数可调变压器T中的开关元件部分采用何种具体结构，其都能够实现多档位的调节，从而使匝数可调变压器T输出多种档位电压幅值的交流电；
具体的，假设匝数可调变压器T可以设置N个档位，从小到大，第1档可输出的相电压峰值为u1，第n档可输出的相电压峰值为un，特别地，u0＝0，n为正整数，则脉冲宽度调制整流器BR输出的直流电的电压幅值可分割为N+1个工作区间，其中第n个工作区间为(vnStart，vnEnd]，其中vnStart＝un-1，vnEnd＝un，特别地，v1Start＝u0＝0，v(N+1)Start＝un，v(N+1)End＝vdc,max，其中vdc,max为直流负载的最大工作电压幅值；从而控制器能够根据直流负载R的需求实时控制匝数可调变压器T的档位；
其中，如图3所示，图3中的上半部分波形为匝数可调变压器T输出的交流电的电压波形，图3中的下半部分波形为脉冲宽度调制整流器BR输出的直流电的电压波形，由此可见，在不改变脉冲宽度调制整流器BR的调制比的情况下，匝数可调变压器T输出的交流电的电压幅值升高，对应的脉冲宽度调制整流器BR输出的直流电的电压幅值也升高。
在一个实施例中，开关元件包括电磁开关；
其中，本实施例中的电磁开关即为有载分接开关，是一种能在励磁状态下变换分接位置的电器装置；有载分接开关调压的基本原理，就是在变压器绕组中引出若干分接头或触点后，通过它在不中断负载电流的情况下，由一个分接头切换到另一个分接头，来改变有效匝数，即改变变压器的电压比，从而实现调压的目的。
如图4所示，在一个实施例中，直流负载的电源系统还包括：
缓冲整流器；
缓冲整流器与脉冲宽度整流器并联，且缓冲整流器分别与有载调压器和直流负载串联；
脉冲宽度调制整流器用于根据有载调压器输出的交流电，向直流负载输出第一直流电源；
缓冲整流器用于根据有载调压器输出的交流电，向直流负载输出第二直流电源；
其中，在交流侧输出的交流电不改变的情况下，缓冲整流器输出的直流电的电压幅值小于脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值，从而使缓冲整流器缓冲直流负载输入端的母线电容的电容电压，进而起到保护器件的目的；此外，当直流负载为轻负载时，也可以由缓冲整流器进行驱动。
如图4所示，在一个实施例中，缓冲整流器包括晶闸管整流器；
其中，晶闸管整流器(SCR整流器)采用相控整流，所谓相控整流就是通过控制晶闸管的触发延时角来将交流的电网电压整流成直流电压；晶闸管属于半控器件，加上触发信号开通之后，需要借助电网电压进行反压关断；
其中，晶闸管整流器具有可控性好的特点，因此，将其作为缓冲整流器，能够提升整流的效果；
具体的，结合上述实施例中对于匝数可调变压器的档位划分方式，对于控制器而言，其具体控制逻辑可包括：
(1)当n为1时，即工作区间为(0，u1]，控制器控制匝数可调变压器中的有载分接开关切换至档位1，并使用缓冲整流器，从而缓冲母线电容，以低功率输出供给直流负载；
(2)当n为其他时，关闭缓冲整流器，控制器控制匝数可调变压器中的有载分接开关切换至档位n-1，使用脉冲宽度调制整流器输出功率到直流负载。
如图5所示，在一个实施例中，直流负载的电源系统还包括：
第一开关和第二开关；
第一开关与交流电源、脉冲宽度调制整流器、直流负载串联，且第一开关与缓冲整流器并联；
第二开关与交流电源、缓冲整流器、直流负载串联，且第二开关与脉冲宽度调制整流器并联；
其中，无论是脉冲宽度调制整流器，还是缓冲整流器(比如晶闸管整流器)，都能够通过控制器输出的控制信号来控制其通断；由于脉冲宽度调制整流器和缓冲整流器为并联，且分别用于向直流负载输出第一电源和第二电源，且第一电源和第二电源只有在脉冲宽度调制整流器和缓冲整流器进行切换时，才会同时输出，在其他时间段内都是单独输出，针对该情况，控制器可通过改变控制信号的方式来实现脉冲宽度调制整流器和缓冲整流器择一接入的目的，但该方式可能存在控制误差，进而影响直流负载的性能和效率；因此，在本实施例中，针对该情况，增设第一开关和第二开关，第一开关用于控制交流电源、脉冲宽度调制整流器、直流负载这一回路的通断，第二开关用于控制交流电源、缓冲整流器、直流负载这一回路的通断，直接通过开关的形式来实现脉冲宽度调制整流器和缓冲整流器择一接入的目的，相对于通过改变控制信号的方式，具有更高的可靠性；
其中，无论是第一开关，还是第二开关，都可采用接触器等开关器件；当然在其他实施例中，也可以采用其他类型的开关器件。
在一个实施例中，缓冲整流器除了是晶闸管整流器外，其还可以是二极管整流器；无论是晶闸管整流器还是二极管整流器，都可以为单相整流器或三相整流器，可根据实际需求进行选择，比如考虑成本等原因，在此不再赘述。
如图5所示，在一个实施例中，直流负载的电源系统还包括：
保护装置；
保护装置并联在第二开关两端；
保护装置用于降低第二开关的电弧；
其中，第二开关在处于闭合状态时，其上会流过正常的运行电流，而第二开关在处于断开状态时，由于第二开关两端的电压差以及第二开关两端触点的距离，可能会在第二开关两端触点之间产生电弧，从而在第二开关上流过非正常的电弧电流，电弧的温度极高，对第二开关的触点会产生强烈的烧蚀作用，从而影响第二开关的性能；因此，在本实施例中，通过并联保护装置来降低第二开关的电弧；具体的，若第二开关串联在交流电源和缓冲整流器之间，即说明第二开关处于交流侧，则保护装置可以为一个单独的电阻，该电阻具有适当的阻值，利用电阻来破坏第二开关产生的电弧的稳定性，从而达到降低电弧甚至熄灭电弧的目的。
如图5所示，在一个实施例中，第二开关串联在缓冲整流器和直流负载之间；保护装置包括电阻和第三开关；
电阻和第三开关电连接，电阻远离第三开关的一端与第二开关的一端电连接，第三开关远离电阻的一端与第二开关的另一端电连接；
其中，第二开关串联在缓冲整流器和直流负载之间，即说明第二开关处于直流侧，与上述实施例中针对交流侧的举例有所区别，针对直流侧，还需增设一个与电阻串联的第三开关；
其中，在图5中，电阻远离第三开关的一端分别与第二开关的一端和直流负载电连接，第三开关远离电阻的一端与第二开关的另一端和缓冲整流器电连接；在其他实施例中，电阻和第三开关还可以采用其他位置关系，在此不再赘述。
第二方面，如图1所示，在一个实施例中，本实用新型提供一种直流用电系统，直流用电系统包括：
交流电源、直流负载以及上述任一种实施例中的直流负载的电源系统。
通过上述直流用电系统，只需在交流侧增加一个有载调压器，从而实现交流/交流的电压幅值调节，当直流负载需要工作在低压低电流区间时，有载调压器输出电压幅值较低的交流电至脉冲宽度调制整流器，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较低，同理的，当直流负载需要工作在高压高电流区间时，有载调压器输出电压幅值较高的交流电至脉冲宽度调制整流器，进而使脉冲宽度调制整流器输出的直流电的电压幅值也较高，最终满足了直流负载的宽电压范围需求。
在一个实施例中，直流负载包括制氢电解槽；
其中，制氢电解槽是一种常见的直流负载，其作用在于利用电能进行电解，从而得到所需要的氢能源；当然，在其他实施例中，直流负载还可以为化工业内的其他场景中的用电设备。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。
以上对本实用新型所提供的一种直流负载的电源系统及直流用电系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
Claims (9)
1.一种直流负载的电源系统，其特征在于，所述直流负载的电源系统包括：
有载调压器和脉冲宽度调制整流器；
所述有载调压器的输入端与交流电源电连接，所述有载调压器的输出端与所述脉冲宽度调制整流器的输入端电连接，所述脉冲宽度调制整流器的输出端与直流负载电连接；
所述有载调压器用于对所述交流电源的电压幅值进行调整，将调整后得到的交流电输出至所述脉冲宽度调制整流器；
所述有载调压器包括变压器和开关元件；
所述变压器的初级绕组与所述交流电源电连接，所述变压器的次级绕组与所述脉冲宽度调制整流器的输入端电连接，所述开关元件与所述变压器电连接；
所述开关元件用于控制所述变压器接入回路的匝数比。
2.根据权利要求1所述的直流负载的电源系统，其特征在于，所述开关元件包括电磁开关。
3.根据权利要求1所述的直流负载的电源系统，其特征在于，所述直流负载的电源系统还包括：
缓冲整流器；
所述缓冲整流器与所述脉冲宽度整流器并联，且所述缓冲整流器分别与所述有载调压器和所述直流负载串联；
所述脉冲宽度调制整流器用于根据所述有载调压器输出的交流电，向所述直流负载输出第一直流电源；
所述缓冲整流器用于根据所述有载调压器输出的交流电，向所述直流负载输出第二直流电源。
4.根据权利要求3所述的直流负载的电源系统，其特征在于，所述缓冲整流器包括晶闸管整流器。
5.根据权利要求3或4所述的直流负载的电源系统，其特征在于，所述直流负载的电源系统还包括：
第一开关和第二开关；
所述第一开关与所述交流电源、所述脉冲宽度调制整流器、所述直流负载串联，且所述第一开关与所述缓冲整流器并联；
所述第二开关与所述交流电源、所述缓冲整流器、所述直流负载串联，且所述第二开关与所述脉冲宽度调制整流器并联。
6.根据权利要求5所述的直流负载的电源系统，其特征在于，所述直流负载的电源系统还包括：
保护装置；
所述保护装置并联在所述第二开关两端；
所述保护装置用于降低所述第二开关的电弧。
7.根据权利要求6所述的直流负载的电源系统，其特征在于，所述第二开关串联在所述缓冲整流器和所述直流负载之间；所述保护装置包括电阻和第三开关；
所述电阻和所述第三开关电连接，所述电阻远离所述第三开关的一端与所述第二开关的一端电连接，所述第三开关远离所述电阻的一端与所述第二开关的另一端电连接。
8.一种直流用电系统，其特征在于，所述直流用电系统包括：
交流电源、直流负载以及权利要求1至7任一项所述的直流负载的电源系统。
9.根据权利要求8所述的直流用电系统，其特征在于，所述直流负载包括制氢电解槽。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |