CN105226957A - 一种无工频变压器的三相-单相变压装置 - Google Patents

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刘亮
魏斌
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Abstract

本发明公开了一种无工频变压器的三相-单相变压装置，该装置采用单相-单相变换器多模块级联结构承受三相电网高压，三相级联后串联输出取消工频变压器，直接与单相供电网络相连，提高了输出电压等级。所述单相-单相变换器主要由整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路组成。本发明单相-单相变换器结构简洁，可以大大减轻系统的结构，实现了三相电网到单相供电网功率的双向流动，提高能量传输效率，因此，不会造成三相电网不平衡。此外，通过选择适当的控制策略，变换器具有无功及谐波补偿功能，可改善三相电网侧的电能质量以及为单相供电网补偿无功和谐波。

Description

一种无工频变压器的三相-单相变压装置
技术领域
本发明涉及一种三相-单相电力电子变压器装置，特别是在将电网三相电转换为所需单相电中的应用。
背景技术
目前，在诸多工业领域存在着大量的单相负荷，而单相负荷一般具有重载、低功率因数、高谐波的特点，从而导致电网不对称运行，影响电网可靠性，降低供电质量，增加损耗，这些单相负荷包括电气化铁道牵引供电系统和感应加热、石化供电等，为了满足这种负荷需要，常使用三相变单相的变压装置，其中包括斯科特变压器，其原理图如图1所示，但是斯科特变压器只有在两相侧负载平衡时，三相侧的电流才能实现，而且原边接地电位随负载变化而产生漂移，严重时还有零序电流流经电网，可能会引起电力系统零序电流继电保护误动作，同时引起变压器各相绕组电压不平衡，而加重绕组的绝缘负担。
为了有效解决上述问题，提出了一种基于变换器的电力电子变压装置，该变换器控制自由度大，输出电压可调；不受负载的限制；输入电流波形为正弦，对电网无谐波污染；能量可双向流动等特点。
但是由于受到电力电子器件发展水平的限制，在诸多实际应用中仅凭单个的变换器也无法直接与三相电网相连，从而需要三相降压变压器和单相升压变压器。变压器的存在使得电力电子装置系统对变换器、导线等相应的配套设备要求更高，设备以及线路损耗也随之变大，也较复杂，体积和重量难以降低。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的就是提供一种无工频变压器的三相-单相变压装置，该装置可在无工频变压器的条件下既可以从三相电网吸收并向单相电网提供功率，也可以从单相电网吸收并向三相电网回馈功率，实现三相电向单相电的变换，而且该装置结构简单，成本低，体积小，其使用，维护方便。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：
1、一种无工频变压器的三相-单相变压装置，三相电网的每一相(A，B，C)经电抗器(LA，LB，LC)再级联n(n>1)个变换器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，其中A相第一个变换器正端口a1P的输出接在B相第n个变换器负端口bnN，同样的B相第一个变换器正端口b1P的输出接在C相第n个变换器负端口cnN，最后C相的第一个变换器正端口c1P经电抗器连接到单相电网，形成单相供电网络。其特征在于：
a、A相支路第一个变换器A1电网侧正端口A1P经电抗器LA与三相电网A相相连，A1的电网侧负端口A1N与第二个变换器的电网侧正端口A2P相连……第n-1个变换器A(n-1)的电网侧负端口A(n-1)N与第n个变换器An的电网侧正端口AnP相连，B、C相支路连接与A相相同；每一相(A，B，C)第n个变换器的电网侧负端口AnN，BnN，CnN共同连接于O点。
b、A相支路第一个变换器A1的逆变侧负端口a1N与第二个变换器A2的逆变侧正端口a2P相连……第n-1个变换器A(n-1)的逆变侧负端口a(n-1)N与第n个变换器An的逆变侧正端口anP相连，B、C相支路连接与A相相同；A相第一个变换器逆变侧正端口a1P的输出接在B相第n个变换器逆变侧负端口bnN，同样的B相第一个变换器逆变侧正端口b1P的输出接在C相第n个变换器逆变侧负端口cnN，最后C相第一个变换器逆变侧正端口c1P经电抗器连接到单相供电网络。A相的第n个变换器的逆变侧负端口anN连接到单相电网的负端N点。
2、实现本发明的单个单相-单相变换器框图如图3所示，该变换器主要由整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路组成，每个单相-单相变换器都是本发明装置的一个模块。实现本发明的变换器方案有以下基本结构：图4为可实现本发明的基于两电平H桥单相-单相变换器结构图、图5为可实现本发明的基于两电平半桥单相-单相变换器结构图、图6为可实现本发明的基于三电平H桥单相-单相变换器结构图、图7为可实现本发明的基于三电平半桥单相-单相变换器结构图。以上所述的变换器中都含有整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路，变换器中的电力电子开关器件都采用PWM控制方式。其中整流电路的基本功能是通过对开关管的控制，对三相电网的交流电压进行整流，实现输出直流电压可调；双向DC-DC变换器中变压器一次侧桥臂实现逆变功能，将直流电压逆变成交流电压供给变压器，变压器二次侧桥臂实现整流功能，将变压器输出的交流电变成直流电；逆变电路主要功能是通过对开关管的控制将双向DC-DC变换器的输出直流逆变成特定的交流电。每一相的多个单相-单相变换器整流侧与逆变侧分别级联获得高电压等级的输入和输出。需要说明的是，变换器中的整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路可以是三电平、两电平甚至是多电平和半桥、全桥的组合，另外双向DC-DC变换电路中还可以具有谐振网络或者无谐振网络，其中谐振网络以两电平H桥谐振双向DC-DC变换电路为例，如图8所示。图中Smn表示第m个桥臂的第n个编号的开关器件，C1…Cn表示直流电容。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
1、本发明提出的无工频变压器的三相-单相变压装置可以取消输入、输出的工频变压器，由于双向DC-DC变换电路中采用中高频变压器(MFT)，相对于传统的工频变压器系统，可以大大减轻系统的体积，提高工作效率，并且系统受控，不易引起谐振等不良后果。
2、每相的单相-单相变换器级联再串联输出，提高了输出电压等级，在实际工作中每相电路的功率都能够控制使之平衡，从而可保证三相电网的平衡。
3、由于单相逆变器的输出电压相位、频率和幅值完全可控，因此可以根据供电网络的电压信息调整逆变器输出的电压相位、频率和幅值，使之满足用户要求，提高电能质量，并且能量可以在三相电网和单相供电网之间双向流动。
附图说明
图1是传统的斯科特变压器原理图；
图2是本发明级联型无工频变压器的三相-单相变压装置结构图；
图3是单个单相-单相PWM变换器结构图；
图4是本发明基于两电平H桥结构的单相-单相PWM变换器；
图5是本发明基于两电平半桥结构的单相-单相PWM变换器；
图6是本发明基于三电平二极管箝位H桥结构的单相-单相PWM变换器；
图7是本发明基于三电平二极管箝位半桥结构的单相-单相PWM变换器；
图8是本发明基于两电平H桥结构的谐振双向DC-DC变换电路。
具体实施方式
图2所示，本发明的一种具体实施方式为：一种无工频变压器的三相-单相变压装置，三相电网的每一相(A，B，C)经电抗器(LA，LB，LC)再级联n(n>1)个变换器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，其中A相第一个变换器正端口a1P的输出接在B相第n个变换器负端口bnN，同样的B相第一个变换器正端口b1P的输出接在C相第n个变换器负端口cnN，最后C相的第一个变换器正端口c1P经电抗器连接到单相电网，形成单相供电网络。其中：
a、A相支路第一个变换器A1电网侧正端口A1P经电抗器LA与三相电网A相相连，A1的电网侧负端口A1N与第二个变换器的电网侧正端口A2P相连……第n-1个变换器A(n-1)的电网侧负端口A(n-1)N与第n个变换器An的电网侧正端口AnP相连，B、C相支路连接与A相相同。每一相(A，B，C)第n个变换器的电网侧负端口AnN，BnN，CnN共同连接于O点。
b、A相支路第一个变换器A1的逆变侧负端口a1N与第二个变换器A2的逆变侧正端口a2P相连……第n-1个变换器A(n-1)的逆变侧负端口a(n-1)N与第n个变换器An的逆变侧正端口anP相连，B、C相支路连接与A相相同。A相第一个变换器逆变侧正端口a1P的输出接在B相第n个变换器逆变侧负端口bnN，同样的B相第一个变换器逆变侧正端口b1P的输出接在C相第n个变换器逆变侧负端口cnN，最后C相第一个变换器逆变侧正端口c1P经电抗器连接到单相供电网络。A相的第n个变换器的逆变侧负端口anN连接到单相电网的负端N点。
2、以上所述三相-单相变压装置是基于星形接法的三相电网，但是只需做出部分修改，三角形接法的三相电网同样可以使用。该装置使用的变换器主要由整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路组成。从调制电平角度，电路可以是两、三电平结构，也可以是多电平结构，从桥路结构角度，电路可以是全桥、半桥结构。需要说明的是，变换器中的整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路可以是三电平、两电平甚至是多电平和半桥、全桥的组合，另外双向DC-DC变换电路中还可以具有谐振网络或者无谐振网络。
本发明提出的一种无工频变压器的三相-单相变压装置，该装置采用单相-单相变换器多模块级联结构承受三相电网高压，三相级联后串联输出取消工频变压器，直接与单相供电网络相连，提高了输出电压等级。所述单相-单相变换器主要由整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路组成。本发明单相-单相变换器结构简洁，可大大减轻系统的结构，实现了三相电网到单相供电网功率的双向流动，提高能量传输效率，因此，不会造成三相电网不平衡。此外，通过选择适当的控制策略，变换器具有无功及谐波补偿功能，可改善三相电网侧的电能质量以及为单相供电网补偿无功和谐波。
显然,虽然以上所述三相-单相变压装置是基于星形接法的三相电网，但是只需做出部分修改，对三角形接法的三相电网同样可以使用。

Claims (4)

1.一种无工频变压器的三相-单相变压装置，三相电网的每一相(A，B，C)经电抗器(LA，LB，LC)再级联n(n>1)个变换器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，其中A相第一个变换器正端口a1P的输出接在B相第n个变换器负端口bnN，同样的B相第一个变换器正端口b1P的输出接在C相第n个变换器负端口cnN，最后C相的第一个变换器正端口c1P经电抗器连接到单相电网，形成单相供电网络,其特征在于：
a、A相支路第一个变换器A1电网侧正端口A1P经电抗器LA与三相电网A相相连，A1的电网侧负端口A1N与第二个变换器的电网侧正端口A2P相连……第n-1个变换器A(n-1)的电网侧负端口A(n-1)N与第n个变换器An的电网侧正端口AnP相连，B、C相支路连接与A相相同。每一相(A，B，C)第n个变换器的电网侧负端口AnN，BnN，CnN共同连接于O点；
b、A相支路第一个变换器A1的逆变侧负端口a1N与第二个变换器A2的逆变侧正端口a2P相连……第n-1个变换器A(n-1)的逆变侧负端口a(n-1)N与第n个变换器An的逆变侧正端口anP相连，B、C相支路连接与A相相同。A相第一个变换器逆变侧正端口a1P的输出接在B相第n个变换器逆变侧负端口bnN，同样的B相第一个变换器逆变侧正端口b1P的输出接在C相第n个变换器逆变侧负端口cnN，最后C相第一个变换器逆变侧正端口c1P经电抗器连接到单相供电网络。A相的第n个变换器的逆变侧负端口anN连接到单相电网的负端N点。
2.根据权利要求1所述的无工频变压器的三相-单相变压装置,其特征在于,所述变换器为主要由整流电路、双向DC-DC变换电路和逆变电路顺序组成的单相-单相变换器，其电力电子开关器件均采用PWM控制方式。
3.根据权利要求2所述的无工频变压器的三相-单相变压装置,其特征在于,所述单相-单相变换器采用包括但不限于如下类型：基于两电平H桥结构的单相-单相PWM变换器、两电平半桥单相-单相变换器、三电平H桥单相-单相变换器。
4.根据权利要求2所述的无工频变压器的三相-单相变压装置,其特征在于,所述双向DC-DC变换电路可采用包含谐振网络的两电平H桥谐振双向DC-DC变换电路。
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