节能型全功率系列整流直流电源装置的制造方法
【专利说明】节能型全功率系列整流直流电源装置发明领域
[0001 ] 本发明属于电技术领域中的直流电源系统，涉及将电网或交流发电机输入的单相或三相交流电功率高效变换为直流电的整流电源装置。
【背景技术】
[0002]在电源变流技术中，整流是用得最多的变流形式，在直流电的应用中，需要将单相或三相交流电整流成直流电流以满足各种不同功率等级负荷的用电需要。由于需将电网供电的交流电转换为直流电存在多种电能损耗，例如，整流器损耗、谐波损耗、滤波损耗、变压器损耗、低功率因数的电阻损耗等等，现有传统技术和设备的电能转换效率低，浪费多，设备功率容量潜能没有充分利用，不符合当今节能减排的总趋势要求，少有低成本提高效率的系列节能技术。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提高直流整流设备的电源效率，达到减少电能消耗，节电节能的目标。
[0004]本发明是这样实现的，一种主要由整流器或者加上变压器构成的直流电源系列装置，其特征为，如采用单相供电，则整流为移相式低纹波整流器；如采用三相供电，则整流为虚拟六相整流器；对于特大功率直流电源，则采用一台三相变多相的旋转磁场变压器和多相整流器代替传统的多脉波变压器和整流器构成的低谐波直流整流电源。
[0005]本发明的效果是明显的，对于任何一种功率等级要求的直流电源，本发明所对应的整流器或变压器都具有比传统设备更节能的优势。例如，对于小功率的直流电源装置，采用单相供电的低纹波整流器可有效增加电压输出、降低滤波损耗。对于中功率直流电源装置，虚拟六相整流器可以克服电网三相电的“线电压损失”，增加整流器的功率效率，有非常特殊的节能贡献。对特大功率直流电源装置来说，采用本发明的带旋转磁场变压器和多相整流器的直流电源装置，将大功率的交流电整流成直流电，可有效减少因谐波电流所产生的电网电压畸变，减少电磁噪音和谐波损耗，一台三相变多相的旋转磁场变压器可以代替多台多脉波整流变压器，还能减少多脉波变压器接线的麻烦，降低系统的造价。
【附图说明】
[0006]图1、传统单相桥式整流器线路结构和整流波形图。
[0007]图2、本发明的低纹波整流器拓朴结构和整流波形图。
[0008]图3、用电感移相的低纹波整流器拓朴结构图。
[0009]图4、理想移相后的单相供电准三相整流器的电压相量图。
[0010]图5、本发明的虚拟六相整流器拓朴结构图和相量图。
[0011]图6、四相、五相交流电压相量图。
[0012]图7、六相、七相交流电压相量图。
[0013]图8、本发明的旋转磁场多相变压器的外形结构示意图。
[0014]图9、旋转磁场多相变压器的整体线路结构图。
[0015]图10、本发明的采用旋转磁场多相变压器的特大功率直流母线供电的电源结构框图。
【具体实施方式】
[0016]图la)为传统单相桥式整流器线路结构图，图lb)为整流前后的电压波形图。整流器为由四个二极管(整流管)D1?D4组成的整流器桥路，形成四个端口，中间两个端口通入单向交流电，两顶端口分别为直流电的正负端输出。如果将一个正弦交流电压Ua输入整流器交流端口，就相当于通过整流管将交流电的负半周反转后成为直流电的正半周，波形见右下端的Ud曲线。如果没有滤波电容器，则在输出的直流电压波形中，Ud从最高端电压到零电压，峰谷间的电压差非常大，也就是说Ud有一个很大的缺口，直流电所含的交流纹波值很大，只有用很大的电解电容器才能使含交流纹波这么大的的直流电符合稳定供电应用的要求，所以其滤波损耗也很大，电解电容器很容易发热，而发热正是这种整流电源滤波电能损耗的反映。
[0017]图2为本发明的低纹波整流器拓朴结构图和整流波形图。在图2a)的线路中，增加了移相电路(2)，和增加的二个整流管D5和D6与原有四个整流管组成新的整流器(1)，D1?D4与图1相同，本发明所增加的一个移相电容器C和二个整流管D5和D6组成了另一条并联整流支路，相当于由C将交流电压移相后送入整流器中的D5和D6支路，而移相后的交流电压经整流后刚好座落于原有直流电压波形的谷区，如果电容值合适，可使相当大一块谷区被填补，这样复合的结果，谷区面积大为缩减，其Ud包络线呈现较平坦的波形，纹波大大减小。图2b)为本发明的低纹波整流器整流波形图，图中实体部分就是增加的电压量，可见，低纹波整流器的特征为，单相供电，整流器前有移相电路(2)，整流器增加D5和D6支路，移相后的交流电压经整流后刚好落入原有直流电压波形的谷区。低纹波整流器非但波形好，电压平均值也比传统单相整流器高。采用低纹波整流器，就不需要用很大的滤波电容，当然滤波损耗将大为减小，这是产生节能效果的一大原因。
[0018]移相电容器C的数值需要根据直流负载电流的大小而定，以使移相的效果最好，纹波最小。
[0019]在本发明中，虽然增加了一个移相电容器和二个整流管，成本会有所增加，但滤波电容器的容量可大大减小，所以合理设计就可以使低纹波整流器成本不至于增加，如果考虑到节能的经济价值这一块，那么节电等于降低设备的运行成本，在经济上更是划算的。
[0020]图3为用电感代替电容移相的低纹波整流器拓朴结构图。电感器的损耗比电容略大，成本也比电容高，但电感器的次级可感应一个小功率低电压(相当于小变压器的次级)供电源装置的控制系统工作，由于分流的功率极小，所以电感器的功能基本不变，这是其胜于电容器的重要优点。
[0021]图4为理想移相后的单相供电准三相整流器的电压相量图。对于固定的直流负载电流，选择合适的移相量，使由移相所得到的电压处于交流电压相量图中的B点位置，那么与原有电压AC两点很可能形成一个等边三角形ABC，这时，可以认为本发明通过移相，其特征实际上等同于将单相电变成为三相电，低纹波整流器实际上改变成了三相整流器，其整流后的直流波形是6脉波的较高谐波频率。单相电通过移相后形成的准三相整流器的特征为，移相电与原单相电压形成为准三相电，即Uab = Ubc = Uac = Ua，整流器成为三相整流器。
[0022]应该指出，单相电通过移相后形成的准三相整流器，在元器件容量确定的前提下，只有在某一确定的负载点才成立，负载改变后元器件容量必须随之改变，才能维持三相对称，否则，三个电压中的二个电压数值会产生变化。但即使不是完全的三相对称，比起单相桥的二倍频谐波，谐波量有质的降幅，滤波也更容易，节能效果更好。
[0023]从图4可以看出，原来的单相电压Ua的二个端点A和C，与从Ua移相后的电压端点B，三点相当于Λ接法的三相电压，那后面的低纹波整流器也就自然成为一具三相整流器。
[0024]对于低纹波单相整流器的详细说明，可见中国专利局文件201310331608.8。
[0025]以上内容为本发明的低纹波整流器部分，低纹波整流器由单相交流电供电，通常应用的标准电压为220V的交流网路，功率较小。为安全起见，单相电源输入端可以增加隔离变压器，也可采用先经过低纹波整流器后的直流斩波的高频变压器作隔离。
[0026]下面介绍本发明的虚拟六相整流器，虚拟六相整流器主要用于三相电输入的直流电源装置。
[0027]所谓虚拟六相整流器，是因为发明人在研究电网节能大课题时，首先发现了 “三相电制中的线电压损失”，而采用六相整流器可以把整流电压升高15.6%的倍率，使整流设备比传统三相整流器容量提高、效率上升。但是，现有电网已统一成为全球的三相供电网，无六相电供应，所以六相整流器无法采用。虚拟六相整流器就是一种能采用三相供电，但其效率又与六相整流器一样高的新整流器拓朴结构，因为不是真正的六相整流器，但其原理又与六相整流器有共同点，故名虚拟六相整流器。虚拟六相整流器能有效克服三相电制中的线电压损失，其技术原理如图5所示。
[0028]图5为本发明的虚拟六相整流器拓朴结构图和相量图。虚拟六相整流器的特征为:整流器(1)由三条并联支路组成，并联支路分别由二极器D1和D4、D2和D5、D3和D6相互成对同向串联，每条并联支路中所串联的二个二极管的中点接三相交流电源(4)的输出相线；整流器(1)中二极器D1-D3的共接负端为直流电的正极，二极器D4-D6的共接正端为直流电的负极；滤波电容(3)由相等容量的电容器C1和C2相串联，C1和C2的中点接到三相交流电源(4)的零线，C1和C2的另一端分别接直流电的正负极。虚拟六相整流器的拓朴结构见图5a)。
[0029]图5b)为三相交流电压相量图。虚拟六相整流器的本质就是通过整流器的“分隔”，利用相量Ua、Ub、Uc倒相后的-Ua、_Ub、-Uc共同得到的对称六相，分上下排整流管分别整流，然后合成的直流输出。
[0030]所谓“三相电制中的线电压损失”，其简要原理为，假设发电机G的相电压为220V，星形接法，由三根相线将电压接入桥式整流器的输入端，实际上利用的是交流电的线电压380V。整流桥正是对380V的线电压进行整流变换，才能获得直流电输出，所以其输出直流电压与380V的线电压正相关。
[0031]图6和图7所不为四相、五相、六相和七相交流电压矢量图。同样的220V相电压，五相制交流电的最闻线电压418V,七相制交流电的最