一种换流装置的制作方法

本实用新型涉及电力电子装置，具体涉及一种换流装置。

背景技术：

目前，电力电子换流装置可实现潮流灵活控制，有功/无功综合补偿，谐波治理等功能，被广泛应用于电力系统等领域。但这些换流装置大都存在变换环节较多、整体占地面积大，运行效率较低等问题。要实现电力电子装置的紧凑化，首先要从主电路拓扑上实现紧凑化，包括工频交流到高频交流变换电路拓扑，以减少变换环节，提高功率密度。

技术实现要素：

为此，本申请所要解决的技术问题在于现有技术中的换流装置体积大、结构庞杂的缺陷。

为解决现有技术中所存在的上述问题，本实用新型提供一种换流装置，至少包括一个功率单元，每个功率单元包括两个交替工作的斩波单元，每个所述斩波单元的输入端连接交流电源，在所述输入端之间串联设置有双向斩波电路和一次侧绕组，在所述一次侧绕组的两端并联设置续流电路，所述双向斩波电路用于交流电压斩波控制，所述续流电路用于提供续流通路；所述换流装置的输出端为二次侧绕组的输出端，所述二次侧绕组与所述两个斩波单元的一次侧绕组均耦合。

优选地，所述斩波单元可为多个，且所述斩波单元成对出现。

优选地，所述双向斩波电路包括第一可控开关和第二可控开关，所述第一可控开关与所述第二可控开关反向串联。

优选地，所述续流电路包括第三可控开关和第四可控开关，所述第三可控开关与所述第四可控开关反向串联。

优选地，所述第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关或第四可控开关分别包括多个串联或并联的可控开关。

优选地，所述成对出现的斩波单元的一次侧绕组为中高频变压器的一次侧绕组，所述二次侧绕组为所述中高频变压器的二次侧绕组。

优选地，所述第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关或第四可控开关为具有或增加反向续流功能的可关断电力电子器件。

优选地，在成对出现的所述斩波单元中，其对应的交流电源同相时，每个双向斩波电路与一次侧绕组的连接端为异名端；或在成对出现的所述斩波单元中，其对应的交流电源反相时，每个双向斩波电路与一次侧绕组的连接端为同名端。

优选地，所述成对出现的斩波单元具有两个工况，第一工况为第一斩波单元的双向斩波电路和第二斩波单元的续流电路同时导通；第二工况为第二斩波单元的双向斩波电路和第一斩波单元的续流电路同时导通；所述第一工况和第二工况交替进行。

与现有技术相比，本实用新型具有如下显著进步：

1)本实用新型提供的换流装置，至少包括一个功率单元，每个功率单元包括两个交替工作的斩波单元，每个斩波单元包括串联连接的双向斩波电路和一次侧绕组以及并联在该一次侧绕组两端的续流电路，所述换流装置的输出端为二次侧绕组的输出端，所述二次侧绕组与所述两个斩波单元的一次侧绕组均耦合。该方案中，两个斩波单元交替工作，能够将直流分量相互抵消，从而在二次侧输出的电流中，不存在直流分量，可降低高频变压器体积，简化高频变压器结构设计，开关器件数量很少，使得换流装置的结构更加简单，该方案中的基于交流斩控电路的紧凑化换流装置，不仅能够实现工频交流到高频交流的变换，有利于实现紧凑化，并实现高低电压的有效电气隔离。

2)本实用新型提供的换流装置，所述斩波单元可为多个，且所述斩波单元成对出现，每两个交替工作的斩波单元为一组输入，使得该换流装置能够同时针对多路输入进行处理，或将一组输入分为多组输入，提高了处理效率，且拓扑结构简单、体积小、结构紧凑，成本低。

3)本实用新型提供的换流装置，所述成对出现的斩波单元的一次侧绕组为中高频变压器的一次侧绕组，所述二次侧绕组为所述中高频变压器的二次侧绕组，使用中高频变压器来实现该换流装置，实现装置的高频化，降低体积。

4)本实用新型提供的换流装置，成对出现的斩波单元中，其分别对应输入的交流电源既能够是同相的，也能够是反向的，通过调整连接端为一次侧绕组的异名端或者同名端，能够实现对输入电源的选择，从而使得输入电源的类型更多，适用范围更广。

附图说明

图1是基于换流装置的主电路结构图；

图2是换流装置的一个具体实施例的电路图；

图3是两组交流斩控电路输入电压波形图；

图4是高频变压器一次侧两个绕组电压波形图；

图5是高频变压器二次侧绕组电压波形图；

图6是图5中的一个波形的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

为了彻底了解本实用新型实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本实用新型实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

本实用新型提供一种换流装置，其结构如图1所示，包括一个功率单元，每个功率单元包括两个交替工作的斩波单元1和斩波单元2。其中，所述斩波单元1的输入端连接交流电源10，在所述输入端之间串联设置有双向斩波电路11和一次侧绕组12，在所述一次侧绕组12的两端并联设置续流电路13，所述双向斩波电路11用于交流电压斩波控制，所述续流电路13用于提供续流通路。在其他可以替换的实施方式中，功率单元可以包括两个或三个或者更多个。每个功率单元与上述功率单元的结构相同。

所述斩波单元2的输入端连接交流电源20，在所述输入端之间串联设置有双向斩波电路21和一次侧绕组22，在所述一次侧绕组22的两端并联设置续流电路23，所述双向斩波电路21用于交流电压斩波控制，所述续流电路23用于提供续流通路。

上述斩波单元1和斩波单元2交替工作，当斩波单元1中的双向斩波电路11导通时，斩波单元2中的续流电路23导通；当斩波单元1中的续流电路13导通时，斩波单元2中的双向斩波电路21导通；斩波单元1中的双向斩波电路11和续流电路13交替导通，斩波单元2中的双向斩波电路21和续流电路23交替导通。

作为一种具体的实现方式，在斩波单元1和斩波单元2中，双向斩波电路11包括两个可控开关，此处的两个可控开关分别为IGBT1和IGBT2，第一可控开关IGBT1与第二可控开关IBGT2反向串联。续流电路包括两个可控开关IGBT3和IGBT4，所述可控开关IGBT3与可控开关IGBT4反向串联作为一种具体控制方式，在斩波单元1中，其中，IGBT4与IGBT1的触发信号互补，IGBT3与IGBT2的触发信号互补，IGBT1与IGBT2的触发信号交替进行。

本实施例中换流装置的输出端为二次侧绕组3的输出端，所述二次侧绕组3与所述两个斩波单元1、2的一次侧绕组12、22均耦合。

该方案中，两个斩波单元1、2能够交替工作，将输入电源中的直流分量相互抵消，从而在二次侧输出的电流中，不存在直流分量，可降低高频变压器体积，简化高频变压器结构设计，开关器件数量很少，使得换流装置的结构更加简单，该方案中的基于交流斩控电路的紧凑化换流装置，不仅能够实现工频交流到高频交流的变换，有利于实现紧凑化，并实现高低电压的有效电气隔离。

作为其他的实施方案，此处的斩波单元可以设置多个，当设置多个的时候，斩波单元是成对出现的，每两个成对出现的斩波单元为一组，成对出现的两个斩波单元也是交替工作的，工作方式与上述实施例中的斩波单元1和斩波单元2相同。这就使得该换流装置能够同时针对多路输入进行处理，提高了处理效率，且拓扑结构简单、体积小、结构紧凑，成本低。

上述成对出现的斩波单元分别为第一斩波单元和第二斩波单元，均具有两个工况，第一工况为第一斩波单元的双向斩波电路和第二斩波单元的续流电路同时导通；第二工况为第二斩波单元的双向斩波电路和第一斩波单元的续流电路同时导通；所述第一工况和第二工况交替进行。

作为其他可以替换的实施方案，斩波单元中的双向斩波电路中的第一可控开关、第二可控开关以及续流电路中的第三可控开关或第四可控开关可以选择为分别包括多个串联或并联的可控开关。此外，所述第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关或第四可控开关还可以选择为具有或增加反向续流功能的可关断电力电子器件。只要能实现该功能的电力电子器件便可以用到此处，作为上述IGBT的替换的实施方案。

作为一种具体的实现方案，成对出现的斩波单元的一次侧绕组为中高频变压器的一次侧绕组，所述二次侧绕组为所述中高频变压器的二次侧绕组，使用高频变压器来实现该换流装置，实现换流装置的高频隔离，降低体积。

此外，作为其他的实施方案，在成对出现的所述斩波单元中，其对应的交流电源同相时，每个双向斩波电路与一次侧绕组的连接端为异名端；或在成对出现的所述斩波单元中，其对应的交流电源反相时，每个双向斩波电路与一次侧绕组的连接端为同名端。这就使得成对出现的斩波单元中，其分别对应输入的交流电源既能够是同相的，也能够是反相的，通过调整连接端为一次侧绕组的异名端或者同名端，能够实现对输入电源的选择，从而使得输入电源的类型更多，适用范围更广。

作为一个具体的实施例，如图2所述，该换流装置包括一个三绕组高频变压器T1、两个斩波单元。三绕组高频变压器T1的一次侧有两个绕组W1和W2，二次侧有一个绕组W3。每个斩波单元包括双向斩波电路和续流电路这两条支路，双向斩波电路为串联连接的分别反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT1和IGBT2，双向斩波电路与变压器一次侧绕组W1或W2以及输入的工频交流信号构成串联回路，用于电压斩波；续流电路为串联连接的分别反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT3和IGBT4，续流电路与变压器一次侧同一个绕组构成并联回路，用于提供电流续流通道。

所述绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极与交流电源的一输出端相连，其集电极与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极相连；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极分别连接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT3的发射极和三绕组高频变压器一次侧的一个绕组一端；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT3的集电极与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT4的集电极连接；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT4的发射极分别连接所述三绕组高频变压器一次侧的同一个绕组另一端和所述交流电源另一端。

绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极均与控制装置相连，所述控制装置输出脉冲信号触发所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通或关断。

下面以第一组斩波单元为例，说明两组斩波单元的一种典型控制方法，在输入信号半波正弦为正时，触发第一斩波单元的双向斩波电路中IGBT1，此时第一斩波单元输入信号经绝缘栅双极型晶体管IGBT1、二极管VD12、变压器一次绕组W1构成回路，实现电压斩波，输出正弦半波包络的正脉冲电压；续流电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT4与双向斩波电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT1的触发信号互补，在绝缘栅双极型晶体管IGBT1关断时，由绝缘栅双极型晶体管IGBT4和二极管VD13提供续流通路。同理，在输入信号半波正弦为负时，触发第一斩波单元的双向斩波电路中IGBT2，此时第一斩波单元输入信号由二极管VD11、绝缘栅双极型晶体管IGBT2与变压器一次绕组W1构成回路，实现电压斩波，输出正弦半波包络的负脉冲电压；续流电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT3与双向斩波电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT2的触发信号互补，在绝缘栅双极型晶体管IGBT2关断时，由绝缘栅双极型晶体管IGBT3和二极管VD14提供续流通路。

两组斩波单元的控制方法是，输入正弦工频交流信号完全相同，两组斩波单元分别对应连接变压器一次绕组W1和W2的异名端，即第一组双向斩波电路和第二组双向斩波电路分别接W1和W2的异名端，控制装置控制第一斩波单元的双向斩波电路和第二斩波电路的续流电路同时发脉冲信号；第二斩波单元的双向斩波电路和第一斩波电路的续流电路同时发脉冲信号。这样，每个斩波单元输入单相正弦工频交流信号，两组斩波单元的输出分别为完整正弦波包络的高频脉冲电压，且第一组斩波单元输出为正弦半波包络的正电压时，第二组斩波单元输出为正弦半波包络的负电压；同理，第一组斩波单元输出为正弦半波包络的负电压时，第二组斩波单元输出为正弦半波包络的正电压。图3是两组斩波单元输入信号波形。图4的上下两个图分别为第一组双向斩波电路和第二组双向斩波电路的输出，即高频变压器一次侧两个绕组电压。

两组双向斩波电路的输出经高频变压器耦合到二次侧，产生包络线为两个反向的完整正弦波的高频脉冲电压。如图5所示为高频变压器二次侧绕组电压，图6为图5中的波形的放大示意图。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。