TW201304373A

TW201304373A - 用於整流的電源設備

Info

Publication number: TW201304373A
Application number: TW101102802A
Authority: TW
Inventors: Peter Wallmeier; Paul Maiberg; Gregor Dueppe
Original assignee: Aeg Power Solutions Bv
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本發明涉及將三相電流整流為多脈衝直流電流的電源設備(A，B)，具有至少一個帶一變壓器芯的三相交流變壓器或分別具有一變壓器芯的三個單相交流變壓器，三相交流變壓器包括分別設置在變壓器芯一芯柱上的三個第一次級側線圈(L21，L22，L23)或這三個單相交流變壓器中每一個都包括一第一次級側線圈，每個次級側線圈設置在變壓器芯一芯柱上，還具有至少一個包括第一整流閥(D1，D2，D3)的整流器，第一整流閥(D1，D2，D3)與第一次級側線圈(L21，L22，L23)連接為第一整流器，電源設備(A，B)具有改變三相交流變壓器變壓比或這三個單相交流變壓器變壓比的裝置(S1，S2，S3)。

Description

用於整流的電源設備

本發明涉及一種用於將三相電流整流為多脈波(mehrpulsig)直流電流的電源設備，具有至少一個帶有一個變壓器芯(Transformatorkern)的三相交流變壓器或者三個分別具有一個變壓器芯的單相交流變壓器，其中三相交流變壓器包括分別設置在變壓器芯的一個芯柱(Schenkel)上的三個第一次級側線圈，或者這三個單相交流變壓器中每一個都包括一個第一次級側線圈，其中每個次級側線圈設置在變壓器芯的一個芯柱上，並且該電源設備還具有至少一個包括第一整流閥(Stromrichterventile)的整流器(Gleichrichter)，其中第一整流閥與第一次級側線圈連接為第一整流器。

教科書中已經介紹了這樣的電源設備。因此，例如在K. Heumann所著的教科書《Grundlagen der Leistungselektronik》，ISBN 3-519-06110-4中介紹了一種電源設備，其中三相交流變壓器的次級側線圈與第一整流閥連接為M3整流器。

利用該教科書中所述的電源設備，可以利用來自交流電路的電流對直流負載進行供電。在電源設備的輸出端能分接(abgreifbar)大小基本上由變壓器的變壓比決定的直流電壓。直流電壓的大小是不可變的。

但是已知直流負載在不同的情形下必須被供給以不同大小的直流電壓。在一簡單的情形下，直流負載應被施加以具有兩個不同大小的直流電壓。

通過使用可控的整流閥使得能夠簡單地實現M3整流器輸出端上的不同直流電壓，這在同一教科書中有介紹。可控的整流閥例如可以以相位截止(Phasenanschnitt)來運行。因此，整流器輸出端上的電壓至少在一範圍中可以無級地調節。

但是，借助於相位截止對電壓進行調節具有以下缺點：功率因數因為對可控的整流閥進行控制的控制角越大諧振分量就越高以及由此導致的失真無功功率(Verzerrungsblindleistung)而降低。

因此，本發明要解決的技術問題是改進開頭所提類型的電源設備，使得可以在功率因數高的情況下提供至少兩個輸出電壓。本發明的另一任務是在整流器的輸出端提供盡可能恒定的直流電壓。

根據本發明，該結束問題是通過以下方式解決的：電源設備具有用於改變三相交流變壓器或三個單相交流變壓器的變壓比的裝置。通過改變三相交流變壓器或三個單相交流變壓器的變壓比，可以在整流器的輸出端提供不同的電壓，而使得能夠實現次級側相位截止的變壓器次級側上的整流閥對此不是必須的。由此可以在具有由變壓器的所設置的變壓比預先給定的輸出電壓的電源設備運行時可以實現高的功率因數。

根據本發明的電源設備因此可以被構造為使得：三相交流變壓器具有分別與一個第一次級側線圈一起設置在一個芯柱上的三個第一初級側線圈和三個第二初級側線圈，或者三個單相交流變壓器中每一個都在其變壓器芯的一個芯柱上具有第一初級側線圈和第二初級側線圈。

這樣的電源設備的用於改變變壓比的裝置可以包括可控開關。在一根據本發明的電路結構中，借助於可控開關，每個第二初級側線圈可以與三相交流變壓器的同一芯柱上或一個單相交流變壓器的同一變壓器芯上的第一初級側線圈直接地或者間接地串聯連接。

根據本發明的電源設備可以具有三個第三初級側線圈。借助於可控開關，每個第三初級側線圈可以與三相交流變壓器的同一芯柱上或單相交流變壓器之一的同一變壓器芯上的第一初級側線圈或與三相交流變壓器的同一芯柱上或單相交流變壓器之一的同一變壓器芯上的第一初級側線圈和第二初級側線圈直接地或間接地串聯連接。在該上下文中，直接地串聯連接是指與同一芯柱上的第一初級側線圈、並且在可能的情況下還有第二初級側線圈相同的電流流過每個第三初級側線圈。在該上下文中，間接地串聯連接是指同一芯柱上的第一初級側、並且在可能的情況下還有第二初級側線圈的部分電流(Teilstrom)流過每個第三初級側線圈。

對於根據本發明的一電源設備，借助於第一可控開關和第二可控開關，可以將第二初級側線圈和第三初級側線圈的並聯電路與三相交流變壓器的同一芯柱上或單相交流變壓器之一的同一變壓器芯上的第一初級側線圈串聯連接。

電源設備可以具有功率調節器，利用功率調節器能調節從三相交流變壓器的初級側能傳輸到其次級側或從這三個單相交流變壓器的初級側能傳輸到其次級側的功率。利用該功率調節器，可以調節從電源設備傳輸到連接到整流器輸出端的負載的功率。

如果變壓器的變壓比被選擇為使得高的初級側電壓被轉換為例如9V到15V的低的次級側電壓並且小的初級側電流被轉換為例如9kA的大的次級側電流，則有利地在初級側進行功率調節，以便避免對大電流的調節。

功率調節器可以具有可控開關。第一、第二並且在可能的情況下還有第三初級側線圈的串聯連接以及在可能的情況下還有並聯連接可以因此由功率調節器承擔。功率調節器於是還是用於改變三相交流變壓器或這三個單相交流變壓器的變壓比的裝置。

電壓設備可以具有控制裝置，利用該控制裝置能夠例如以電壓隨動控制(Spannungsfolgesteuerung)來控制功率調節器。

三相交流變壓器可以在初級側進行三角形連接。同樣也可以的是三相交流變壓器在初級側進行星形連接。初級側的星形匯接點於是可以經由一個串聯諧振電路與電源設備的外饋線端子(Auβenleiteranschluss)連接。

第一整流閥可以與第一次級側線圈連接為M3整流器。但是整流器也可以以其他拓撲結構被連接。

在電源設備的一特別的實施方式中，三相交流變壓器可以具有三個第二次級側線圈，它們分別設置在變壓器芯的一個芯柱上。這樣的一個電源設備可以具有至少一個包括第二整流閥的第二整流器。該第二整流閥可以與第二次級側線圈連接為第二整流器，尤其是連接為M3整流器。

包括第一整流閥的第一M3整流器和包括第二整流閥的第二M3整流器可以並聯連接。有利地，第一M3整流器和第二M3整流器連接為M3.2整流器電路。M3.2整流器電路也被稱為吸收扼流電路(Saugdrosselschaltung)。M3.2整流器電路相對於兩個M3整流器的並聯電路的優點在於流過設置在一芯柱上的次級側線圈的電流的180°的相移。因此可以獲得6脈衝整流器。吸收扼流電路例如在開頭所提到的教科書中有介紹。M3.2整流器電路相對於B6橋電路的特徵並且在可能的情況下的優點在於：其在整流閥的電壓負載相同的情況下在直流電流加倍的情況下只提供一半的直流電壓。

由第一根據本發明的電源設備和第二根據本發明的電源設備構成的設備被證明是特別有利的，其中第一電源設備的三相交流變壓器和第二電源設備的三相交流變壓器連接到同一外饋線，並且第一電源設備的三相交流變壓器在初級側是三角形連接的，而第二電源設備的三相交流變壓器在初級側是星形連接的。通過初級側的三角形連接和初級側的星形連接，三相變壓器的次級側上的電流之間得到30°的相移。如果M3.2整流器電路連接到這兩個三相交流變壓器，則在根據本發明的由第一電源設備和第二電源設備構成的設備的輸出端上可以得到12脈衝輸出電壓。整流器或整流器電路的輸出端優選地並聯連接。

在介紹根據本發明的第二電路裝置B以及在圖1中所示出的整個設備A、B之前，首先借助於圖1介紹在上半圖中示出的根據本發明的第一電路裝置A。

圖1中所示出的根據本發明的第一電路裝置A包括第一三相交流變壓器，對於其僅僅詳細地示出了次級側。代替三相交流變壓器的初級側線圈，示出了電路P1、P2、P3。在圖2、3、4和5中詳細地示出了這些電路可以如何構造，其中這些圖中每一個展示了在第一電路裝置中可以應用的一種可能的變形方案。在圖2、3、4和5中所示的電路P1、P2、P3中每一個都具有第一端子1和第二端子2，它們在圖1中也被示出。

電路P1、P2、P3在第一電源設備A的三相交流變壓器中三角形地連接，並且連接到交流電網L1、L2、L3的外饋線。

電路P1、P2、P3的變形方案包括第一電路裝置A的三相交流變壓器的至少兩個初級側線圈L11、L12、L13，它們設置在三相交流變壓器的變壓器芯的一芯柱上。因此，電路P1的初級側線圈設置在第一芯柱上，電路P2的初級側線圈設置在第二芯柱上，電路P3的初級側線圈設置在第三芯柱上。

在圖2中所示變形方案中，在三相交流變壓器的變壓器芯的這三個芯柱中每一個上設置有兩個初級側線圈，即第一初級側線圈L11和第二初級側線圈L12。第一初級側線圈L11與電路P1、P2、P3的第一端子連接，並且經由節點與第二初級側線圈L12連接。該節點還經由功率調節器S1與電路P1、P2、P3的第二端子2連接。第二初級側線圈L12經由功率調節器S2同樣與電路P12、P23、P31的第二端子2連接。第一端子1和第二端子2以圖1所示的方式方法與外饋線L1、L2、L3之一連接。功率調節器S1、S2經由控制端子與圖1中所示的控制裝置C連接。但是在圖1中沒有示出與控制裝置的連接線，以便不影響清楚性。

圖3中所示變形方案與圖2中所示變形方案的區別在於：三個初級側線圈L11、L12、L13設置在三相交流變壓器的一個芯柱上。第三初級側線圈L3與功率調節器S3串聯。該串聯電路與功率調節器S2並聯，並且因此也與電路P1、P2、P3的第二端子連接。

初級側線圈L11、L12、L13或者根據圖2的變形方案中的初級側線圈L11、L12可以在一個具有構成初級側線圈L11、L12、L13之間節點的一個中間抽頭或兩個中間抽頭的變壓器繞組中實現。

優選使用具有兩個反並聯連接的閘流體(Thyristor)Th1、Th2的閘流體調節器(Thyristorsteller)作為功率調節器S1、S2、S3，如圖5中所示。但是也可以使用三端雙向可控矽開關元件(Triacs)、IGBT或其他合適的可控開關。

功率調節器S1、S2或S1、S2、S3可以以全調節方式(Vollaussteuerung)被操作。於是它們用作為用於轉換三相交流變壓器的初級側的繞組數(Wicklungszahl)的可控開關。但是有意義的是使得能夠實現相位截止控制(Phasenanschnittsteuerung)。於是，不僅繞組數被改變，而且能利用三相交流變壓器傳輸的功率也被改變。有利地，功率調節器然後以電壓隨動控制而被控制，如例如在G. K. Dubey,S. R. Doradla,A. Joshi,R. M. K. Sinha所著的教科書《Thyristorized Power Controller》，ISBN 0-85226-190-x中5.1.4節“Sequence Control of AC Regulators”中所描述的那樣。

在圖4中所示的電路P1、P2、P3的變形方案中也設置有三個初級側線圈L11、L12、L13和三個功率調節器S1、S2、S3。但是，電路的拓撲結構不同於圖3中所示的變形方案。功率調節器S1、S2、S3和線圈L11、L12、L13被設置為使得線圈L11、L12、L13在功率調節器S2、S3關斷的情況下與功率調節器S1串聯連接。於是可以通過功率調節器S1調節功率。

而如果功率調節器S1被關斷並且這兩個功率調節器S2、S3工作，則第二初級側線圈L12與功率調節器S2串聯連接，並且第三初級側線圈L13與功率調節器S3串聯連接。串聯電路L12、S2和L13、S3並聯連接並且與第一初級側線圈L11串聯連接。功率調節器S2、S3於是可以同步地被操作，以便調節要傳輸的功率。

在第三變形方案中，功率調節器也可以以全調節方式作為可控開關、以相位截止控制或者以電壓隨動控制被操作，以便調節初級側的繞組數，並且在可能的情況下調節功率。

在圖5中所示的電路P1、P2、P3的第四變形方案中，第一初級側線圈L11、第二初級側線圈L12、第一功率調節器S1、第二功率調節器S2和第三功率調節器S3被連接為使得在第一功率調節器S1被觸發的情況下只有第一初級側線圈L11用於將電能從初級側傳輸到三相交流變壓器的次級側，而在第二功率調節器S2被觸發的情況下，只有第二初級側線圈L12被用於將電能從初級側傳輸到三相交流變壓器的次級側。而如果第三功率調節器S3被觸發，則初級側電流流經兩個初級側線圈L11、L12。如果初級側線圈L11、L12的大小尺寸不同，則可以利用電路P1、P2、P3的第四變形方案以兩個初級側線圈和三個功率調節器S1、S2、S3作為用於改變變壓比的裝置來設置三相交流變壓器的三個變壓比。

在第四變形方案中，功率調節器S1、S2、S3也可以以全調節方式作為可控開關、以相位截止控制或者以電壓隨動控制被操作，以便調節初級側的繞組數，並且在可能的情況下還調節功率。

第一電源設備的三相交流變壓器的次級側在第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱上各具有兩個線圈，即各一個第一次級側線圈L12、L22、L23和一個第二次級側線圈L12’、L22’、L23’，其中在第一芯柱上設置線圈L21、L21’，在第二芯柱上設置線圈L22、L22’，並且在第一芯柱上設置線圈L23、L23’。

第一次級側線圈L21、L22、L23星形連接。第一次級側線圈L21、L22、L23的不與星形匯接點連接的端子分別與一第一整流閥D1、D2、D3連接。整流閥可以是二極體D1、D2、D3，其陰極與第一次級側線圈L21、L22、L23的端子連接，其陽極匯接在一起。第一次級側線圈L21、L22、L23和整流閥D1、D2、D3連接為第一M3整流器。

第二次級側線圈L21’、L22’、L23’也星形連接。第二次級側線圈L21’、L22’、L23’的不與星形匯接點連接的端子分別與一第二整流閥D1’、D2’、D3’連接。整流閥同樣可以是二極體D1’、D2’、D3’，其陰極與第二次級側線圈L21’、L22’、L23’的端子連接，其陽極匯接在一起。第二次級側線圈L21’、L22’、L23’和整流閥D1’、D2’、D3’也連接為第二M3整流器。

設置在一芯柱上的第一次級側線圈L21、L22、L23和設置在同一芯柱上的第二次級側線圈L21’、L22’、L23’相位偏移180°，並且第一M3整流器和第二M3整流器的星形匯接點經由扼流圈(Drossel)Lk相互連接。扼流圈Lk被稱為吸收扼流圈(Saugdrossel)，並且具有中間抽頭，該中間抽頭與第一電源設備A的輸出端的負端子A-連接。第一電源設備A的正端子A+與第一和第二整流閥D1、D2、D3、D1’、D2’、D3’的陰極連接。第一M3整流器和第二M3整流器以該方式構成M3.2整流器，其在技術檔中也被稱為吸收扼流電路。

在圖1下半圖中所示的第二電源設備B在很多方面對應於在上半圖中所示的第一電源設備。其尤其具有對應於第一電源設備A的三相交流變壓器的三相交流變壓器。因此，構成三相變壓器的部件被相同地標記。第二電源設備B的變壓器的次級側(即第一和第二線圈L21、L22、L23、L21’、L22’、L23’)同樣與整流閥D1、D2、D3、D1’、D2’、D3’以及扼流圈Lk連接為M3.2整流器，如第一電源設備的三相交流變壓器的次級側那樣。兩個M3.2整流器的輸出端並聯連接。

此外，電路P1、P2、P3在第二電源設備B的三相交流變壓器的初級側也與第一電源設備A的三相交流變壓器的初級側完全一樣地構造。區別僅僅在於電路P1、P2、P3的設置方式。在第一電源設備A中，電路P1、P2、P3三角連接，而在第二電源設備B中，電路P1、P2、P3星形地設置。這在第二電源設備B的三相交流變壓器的次級側導致相對於第一電源設備A的三相交流變壓器的次級側偏移30°的電流和電壓。

這導致在整個設備A、B的輸出端A+、A-上產生12脈衝直流電壓。

電路P1、P2、P3的星形連接如圖1中所示是在沒有中性線的情況下實現的。但是同樣可能的是將星形匯接點N與外饋線L1、L2、L3連接。這於是有利地如圖7中所示的那樣通過由扼流圈L1s、L2s、L3s和電容器C1s、C2s、C3s構成的串聯諧振電路來實現，以便避免由諧振導致的電網反作用(Netzrckwirkung)。歐姆電阻R1s、R2s、R3s可以與電容器C1s、C2s、C3s並聯連接。

(1)．．．第一端子

(2)．．．第二端子

(A)．．．第一電路裝置

(B)．．．第二電路裝置

(C)．．．控制裝置

(D1)．．．第一整流閥(二極體)

(D2)．．．第一整流閥(二極體)

(D3)．．．第一整流閥(二極體)

(D1’)．．．第二整流閥(二極體)

(D2’)．．．第二整流閥(二極體)

(D3’)．．．第二整流閥(二極體)

(L1)．．．交流電網(外饋線)

(L2)．．．交流電網(外饋線)

(L3)．．．交流電網(外饋線)

(L11)．．．第一初級側線圈

(L12)．．．第二初級側線圈

(L13)．．．第三初級側線圈

(L21)．．．第一次級側線圈

(L22)．．．第一次級側線圈

(L23)．．．第一次級側線圈

(L21’)．．．第二次級側線圈

(L22’)．．．第二次級側線圈

(L23’)．．．第二次級側線圈

(P1)．．．電路

(P2)．．．電路

(P3)．．．電路

(P12)．．．電路

(P23)．．．電路

(P31)．．．電路

(S1)．．．功率調節器

(S2)．．．功率調節器

(Th1)．．．閘流體

(Th2)．．．閘流體

借助於以下參考附圖的描述可以瞭解本發明的其他特徵和優點。在附圖中：

圖1示出了根據本發明的由根據本發明的第一電壓設備和根據本發明的第二電壓設備構成的設備的簡化電路圖；

圖2示出了三相交流變壓器的初級側線圈和功率調節器的電路的第一示例；

圖3示出了三相交流變壓器的初級側線圈和功率調節器的電路的第二示例；

圖4示出了三相交流變壓器的初級側線圈和功率調節器的電路的第三示例；

圖5示出了三相交流變壓器的初級側線圈和功率調節器的電路的第四示例；

圖6示出了功率調節器的構造；

圖7示出了用於將中性線(Neutralleiter)與外饋線連接的串聯諧振電路。