一种变流设备支撑电容预充电电路和方法与流程

本发明属于电力电子，尤其涉及一种变流设备支撑电容的预充电电路，以及预充电方法。

背景技术：

1、随着现代电力电子技术的发展，以半导体开关器件为基础的变流设备运用也越来越广泛；而在变流设备中往往需设置直流支撑电容来缓冲无功能量及平滑半导体变流设备的直流母线电压。含有直流支撑电容的变流设备运行前必须通过一定的方法来建立支撑电容电压，否则会导致设备启动瞬间在变流设备的输入端产生较大的上电涌流并在支撑电容上产生过冲电压，可能导致变流设备的保护单元误动作甚至是设备损坏。

2、目前包含预充电电阻、直流支撑电容和预充电接触器的变流设备支撑电容预充电的方法均为利用主输入电源通过附加开关和预充电限流电阻的方法进行，图1和图2分别是主输入电源为直流电源和交流电源的变流设备直流支撑电容预充电电路示意。

3、这种变流设备预充电电路存在以下不足：

4、1，预充电电路直接与主输入电源连接，因此预充电接触器的耐压需求较高，设备体积较大；

5、2，预充电电阻与变流设备中的电容组成预充电rc阻容网络，充电特性呈不可控的一阶电路特性，预充电电阻瞬时功率大，充电后期电容电压上升缓慢；在大功率设备中往往会导致预充电电阻体积大，预充电过程长，且需要为预充电电阻散热提供额外的冷却条件。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一是提出一种变流设备支撑电容预充电电路，通过辅助电源实现变流设备直流支撑电容的预充电，取消传统预充电中所需的高压辅助开关，引入预充电电流的主动控制环节，从而控制预充电电压的上升时间，降低预充电电阻的功率需求。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变流设备支撑电容预充电电路，包括预充电电阻和直流支撑电容，还包括辅助变流电路、辅助变压器、辅助整流电路和预充电电路控制模块；所述的辅助变流电路为一个包含逆变电路部分的低压变流电路，将固定的外部输入电源变换为幅值可变的交流电源，提供给辅助变压器；所述的辅助变压器为一个原副边磁隔离的单输入多输出变压器，辅助变压器原边与辅助变流电路输出连接，各副边绕组分别与辅助整流电路的一级整流电路连接，将辅助变流电路产生的交流电变压后输出给辅助整流电路；所述的辅助整流电路为一个多级串联的整流电路，其级数与辅助变压器副边绕组数相同为n，每级整流电路实现一组辅助变压器的副边绕组的整流，将辅助变压器副边输出的交流电整流为n组低压直流电串联后形成与变流设备主电路相匹配的高压直流电输出；所述的预充电电阻连接在辅助整流电路的直流输出侧与变流设备直流支撑电容之间，起限制直流支撑电容上充电电流的作用；所述的预充电电路控制模块用于控制各部分电路的工作方式，实现直流支撑电容的预充电功能。

3、所述的一种变流设备支撑电容预充电方法，辅助变流电路在外部输入电源为直流电源时仅需包含整流电路部分，在外部输入电源为交流电源时需设计为包含整流电路和逆变电路部分。

4、所述的一种变流设备支撑电容预充电方法，其辅助整流电路的单级电路可以是不控整流电路、相控整流电路或可控整流电路。

5、所述的一种变流设备支撑电容预充电方法，其辅助变流电路的输出电压、辅助变压器的原副边变比及副边组数、辅助变流器串联级数、辅助整流器的整流系数和主变流器的直流工作电压设计时需满足如公式所示关系：

6、

7、式中uacmax为辅助变流电路可输出至辅助变压器的原边的最高电压，udc为变流设备直流支撑电容工作电压，k1为辅助变压器原副边电压变比，k2为辅助变压器单级输出电压的直流值与输入电压峰值的比值。

8、本发明的目的之二是提出一种变流设备支撑电容预充电电路的预充电方法，包括以下步骤：

9、本发明的有益效果是：采用本发明的预充电电路可以通过辅助电源实现对主变流设备主电路的直流支撑电容进行预充电，取消了高耐压的主电路辅助接触器；并可以灵活调节直流支撑电容预充电过程，降低预充电时间，减小预充电电阻的功耗和散热需求；同时通过多绕组变压器和多单元串联整流电路使预充电电路中的半导体器件可使用低耐压的器件。

技术特征：

1.一种变流设备支撑电容预充电电路，包括预充电电阻(4)和直流支撑电容，其特征在于：还包括辅助变流电路(1)、辅助变压器(2)、辅助整流电路(3)和预充电电路控制模块(5)；所述的辅助变流电路(1)为一个包含逆变电路部分的低压变流电路，将固定的外部输入电源变换为幅值可变的交流电源，提供给辅助变压器(2)；所述的辅助变压器(2)为一个原副边磁隔离的单输入多输出变压器，辅助变压器(2)原边与辅助变流电路(1)输出连接，各副边绕组分别与辅助整流电路(3)的一级整流电路连接，将辅助变流电路(1)产生的交流电变压后输出给辅助整流电路(3)；所述的辅助整流电路(3)为一个多级串联的整流电路，其级数与辅助变压器(2)的副边绕组数相同，每级整流电路实现一组辅助变压器(2)的副边绕组的整流，将辅助变压器(2)副边输出的交流电整流为低压直流电串联后形成高压直流电输出；所述的预充电电阻(4)连接在辅助整流电路(3)的直流输出侧与变流设备直流支撑电容之间；所述的预充电电路控制模块(5)控制各部分电路实现直流支撑电容的预充电功能。

2.根据权利要求1所述的一种变流设备支撑电容预充电电路，其特征在于，所述的辅助变流电路(1)包含整流电路部分。

3.根据权利要求1所述的一种变流设备支撑电容预充电电路，其特征在于，所述的辅助变流电路(1)包含整流电路和逆变电路部分。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种变流设备支撑电容预充电电路，其特征在于，所述辅助整流电路(3)的单级电路为不控整流电路、相控整流电路或可控整流电路。

5.根据权利要求4所述的一种变流设备支撑电容预充电电路，其特征在于，所述辅助变流电路(1)的输出电压、辅助变压器(2)的原副边变比及副边组数、辅助变流器(3)串联级数、辅助整流器的整流系数和主变流器的直流工作电压满足公式式中uacmax为辅助变流电路(1)可输出至辅助变压器(2)的原边的最高电压，udc为直流支撑电容工作电压，k1为辅助变压器(2)原副边电压变比，k2为辅助变压器(2)单级输出电压的直流值与输入电压峰值的比值。

6.一种如权利要求1所述支撑电容预充电电路的预充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种变流设备支撑电容预充电电路，包括预充电电阻和直流支撑电容，还包括辅助变流电路、辅助变压器、辅助整流电路和预充电电路控制模块，辅助变流电路将输入的辅助电源变换为可变的交流电，经辅助变压器和辅助整流电路变换为可变的直流电，对变流装置支撑电容进行预充电；还公开了相应的预充电方法，利用辅助控制电源对变流设备中的支撑电容进行预充电。采用本发明的预充电电路可以通过辅助电源实现对主变流设备主电路的直流支撑电容进行预充电，取消了高耐压的主电路辅助接触器；并可以灵活调节直流支撑电容预充电过程，降低预充电时间，减小预充电电阻的功耗和散热需求。

技术研发人员：刘念洲,邵俊波,谢鹏飞,陈雪亮,龙文枫
受保护的技术使用者：武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶集团有限公司第七一二研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1