一種基于igbt技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)；屬于勵磁系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】；其技術(shù)要點(diǎn)包括工頻交流電源，其中所述工頻交流電源連接有整流模塊，在整流模塊輸出的直流電源正負(fù)極之間依序連接有LC濾波電路和IGBT逆變電路，所述IGBT逆變電路連接有中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器；本發(fā)明旨在提供一種系統(tǒng)造價低、工作效率高、節(jié)能且分離式中頻變壓器體積小的基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)；用于發(fā)電機(jī)勵磁。
【專利說明】 一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系
統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種勵磁系統(tǒng)，更具體地說，尤其涉及一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]勵磁系統(tǒng)是指向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組(又稱勵磁繞組)提供直流勵磁電流的裝置及其附屬設(shè)備。同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)種類很多，目前中小型水輪發(fā)電機(jī)常用的勵磁系統(tǒng)有以下幾種:
[0003](I)直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng):直流勵磁機(jī)實(shí)際上是專供同步發(fā)電機(jī)勵磁用的直流發(fā)電機(jī)，與發(fā)電機(jī)同軸安裝，主要由定子、轉(zhuǎn)子和換相器等部分構(gòu)成；
[0004]直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是比較簡單、勵磁電源獨(dú)立、工作不受電網(wǎng)影響、調(diào)節(jié)過程比較平穩(wěn)。但是發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能較差，存在振動、噪聲和火花，整流子機(jī)械磨損大及維護(hù)麻煩的問題。新建電站水輪發(fā)電機(jī)已不采用這種勵磁系統(tǒng)。
[0005](2)自并勵靜止晶閘管勵磁系統(tǒng)。容量較小的水輪發(fā)電機(jī)目前大多采用這種勵磁系統(tǒng)。勵磁變壓器接在發(fā)電機(jī)機(jī)端，晶閘管整流器一般采用三相半控橋式、三相全控橋式，自動電壓調(diào)節(jié)器通過改變晶閘管的控制角實(shí)現(xiàn)勵磁自動調(diào)節(jié)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是:簡單、經(jīng)濟(jì)，其技術(shù)性能在很多方面能滿足同步發(fā)電機(jī)的要求。主要缺點(diǎn)是:它的勵磁電源來自發(fā)電機(jī)端，受發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化的影響。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降時其強(qiáng)勵能力下降，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定不利。
[0006](3)無刷勵磁系統(tǒng)。勵磁機(jī)電樞繞組直接連至三相橋式全波旋轉(zhuǎn)整流裝置，旋轉(zhuǎn)整流裝置其正、負(fù)極直接與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流。因此勵磁系統(tǒng)不需要電刷和滑環(huán)裝置，如此就構(gòu)成了無刷勵磁系統(tǒng)。
[0007]優(yōu)點(diǎn):①無碳刷和滑環(huán)，維護(hù)工作量少，可靠性高；
[0008]②無磨損引起的碳粉和銅末，對發(fā)電機(jī)繞組、軸承無污染，電機(jī)絕緣壽命長，軸承潤滑條件好。
[0009]缺點(diǎn):①勵磁控制通過調(diào)節(jié)勵磁機(jī)的勵磁實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度慢；
[0010]②無法對發(fā)電機(jī)勵磁回路進(jìn)行常規(guī)檢測(轉(zhuǎn)子電流、電壓、絕緣和熔斷信號)；
[0011]③要求旋轉(zhuǎn)整流器具有良好的機(jī)械性能；
[0012]④增加了發(fā)電機(jī)的主軸長度，投資增加；
[0013]⑤勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子采用單支點(diǎn)懸臂結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生振動甚至發(fā)生勵磁機(jī)定、轉(zhuǎn)子掃膛；
[0014]⑥發(fā)電機(jī)運(yùn)行時勵磁電路隨同主軸一起旋轉(zhuǎn)，無法直接滅磁。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0015]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種系統(tǒng)造價低、工作效率高、 節(jié)能且分離式中頻變壓器體積小的基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系
統(tǒng)。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，包括工頻交流電源，其中所述工頻交流電源連接有整流模塊，在整流模塊輸出的直流電源正負(fù)極之間依序連接有LC濾波電路和IGBT逆變電路，所述IGBT逆變電路連接有中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器，中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器由與發(fā)電機(jī)定子相對固定的初級聯(lián)接部件、設(shè)置在初級聯(lián)接部件上的初級磁芯、繞設(shè)在初級磁芯上的初級線圈、與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的次級聯(lián)接部件、設(shè)置在次級聯(lián)接部件上的次級磁芯和繞設(shè)在次級磁芯上的次級線圈組成，次級線圈輸出電流經(jīng)整流后與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈連接。
[0017]上述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)中，所述整流模塊為由二極管Dl、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5和二極管D6組成的橋式整流器或橋式整流模塊。
[0018]上述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)中，所述LC濾波電路主要包括電容Cl、電容C2、電容C3、電容C4、續(xù)流二極管D7和限流電感L，電容Cl和電容C2并聯(lián)在直流電源的正負(fù)極之間；電容C3和電容C4串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間；續(xù)流二極管D7連接在電容Cl和電容C2的正極之間；限流電感L串聯(lián)在電容Cl正極和電容C2正極之間的直流電源正極上。
[0019]上述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)中，所述LC濾波電路中還包括電阻Rl和電阻R2，電阻Rl和電阻R2串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間且電阻Rl和電阻R2之間的線路與電容C3和電容C4之間的線路相連接。
[0020]上述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)中，所述IGBT逆變電路主要由IGBT雙管模塊、電容C5和電容C6組成；電容C5和電容C6串聯(lián)后與IGBT雙管模塊并聯(lián)在直流電源的正負(fù)極之間；初級線圈的A端連接在電容C5和電容C6之間，初級線圈的B端連接在IGBT雙管模塊的Kl和K2之間。
[0021]上述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)中，所述IGBT逆變電路還包括電容C7、電阻R3、電容C8和電阻R4，電容C7、電阻R3、電容C8和電阻R4依序串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間且IGBT雙管模塊的Kl和K2之間的線路與電阻R3和電容C8之間的線路相連接。
[0022]上述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)中，所述次級線圈與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈之間的電路上還分別設(shè)有整流二極管D8、整流二極管D9和保護(hù)電阻R5。
[0023]本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)后，由于采用了鐵氧體磁性材料作為分離式變壓器的鐵芯，適用頻率范圍為20?150kHz，工作頻率遠(yuǎn)高于目前常規(guī)的靜止可控硅勵磁系統(tǒng)、無刷勵磁機(jī)系統(tǒng)所采用的50Hz的工頻交流電的頻率，由此帶來很多優(yōu)勢。與傳統(tǒng)勵磁方式相比，其主要特點(diǎn)為:
[0024](I)主變壓器的鐵芯截面積和線圈匝數(shù)大大減少，可以在很大程度上節(jié)省貴重金屬銅的使用量，減小外形尺寸及重量，顯著降低系統(tǒng)的造價；
[0025](2)因?yàn)镮GBT輸出調(diào)節(jié)方式不同，高效節(jié)能，系統(tǒng)效率顯著提高，比傳統(tǒng)勵磁方式節(jié)能1/3以上；
[0026](3)因IGBT調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)能在微秒級的時間內(nèi)對輸出電流進(jìn)行調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)過程的理想控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)一步提高；
[0027](4)分離式中頻變壓器體積小，基本不需要增加發(fā)電機(jī)主軸的長度，不會增加發(fā)電機(jī)造價。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]下面結(jié)合附圖中的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0029]圖1是本發(fā)明中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明的電路原理圖。
[0031]圖中:工頻交流電源1、整流模塊2、LC濾波電路3、IGBT逆變電路4、中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器5、初級聯(lián)接部件5a、初級磁芯5b、初級線圈5c、次級聯(lián)接部件5d、次級磁芯5e、次級線圈5f、IGBT雙管模塊6。
【具體實(shí)施方式】
[0032]參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，包括工頻交流電源1，所述工頻交流電源I連接有整流模塊2，在整流模塊2輸出的直流電源正負(fù)極之間依序連接有LC濾波電路3和IGBT逆變電路4，所述IGBT逆變電路4連接有中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器5，中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器5由與發(fā)電機(jī)定子相對固定的初級聯(lián)接部件5a、設(shè)置在初級聯(lián)接部件5a上的初級磁芯5b、繞設(shè)在初級磁芯5b上的初級線圈5c、與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的次級聯(lián)接部件5d、設(shè)置在次級聯(lián)接部件5d上的次級磁芯5e和繞設(shè)在次級磁芯5e上的次級線圈5f組成，次級線圈5f輸出電流整流后與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈連接。
[0033]具體地，整流模塊2為由二極管Dl、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5和二極管D6組成的橋式整流器或橋式整流模塊。參閱圖2所示，在本實(shí)施例中，所述整流模塊2為由二極管Dl、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5和二極管D6組成的三相橋式整流器，整流后輸出直流電壓U。當(dāng)然，當(dāng)交流電源為單相交流電時，則采用單相整流模塊。
[0034]所述LC濾波電路3主要包括電容Cl、電容C2、電容C3、電容C4、續(xù)流二極管D7和限流電感L，電容Cl和電容C2并聯(lián)在直流電源的正負(fù)極之間；電容C3和電容C4串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間；續(xù)流二極管D7連接在電容Cl和電容C2的正極之間；限流電感L串聯(lián)在電容Cl正極和電容C2正極之間的直流電源正極上。電容Cl和電容C2濾除高次諧波，電容C3和電容C4為大容量濾波電容。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?，在電源接通的瞬間，電容C3和電容C4中產(chǎn)生較大的沖擊電流。為了減小此沖擊電流，串入限流電感L，因?yàn)殡姼兄械碾娏鞑荒芡蛔?，限流電感L起到限流作用。直流電限流后經(jīng)電容C3和電容C4濾波。
[0035]同時，LC濾波電路3中還包括電阻Rl和電阻R2，電阻Rl和電阻R2串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間且電阻Rl和電阻R2之間的線路與電容C3和電容C4之間的線路相連接。Rl和電阻R2是放電電阻，電阻值很大，耗電量小，對電路起到保護(hù)作用。
[0036]IGBT逆變電路4主要由IGBT雙管模塊6、電容C5和電容C6組成；電容C5和電容C6串聯(lián)后與IGBT雙管模塊6并聯(lián)在直流電源的正負(fù)極之間，串聯(lián)使用的電容C5和電容C6是兩個容量相同的換向電容，每個電容上充有U/2的直流電壓。初級線圈5c的A端連接在電容C5和電容C6之間，初級線圈5c的B端連接在IGBT雙管模塊6的Kl和K2之間。當(dāng)Kl導(dǎo)通、K2截止時，初級線圈5c中電流流向?yàn)?直流電源正極一Kl —變壓器B端一A端—(電容C5-、C6+)，當(dāng)K2導(dǎo)通、Kl截止時，初級線圈5c中電流流向?yàn)?(電容C5_、C6+)—變壓器A端一B端一K2 —直流電源負(fù)極。在次級線圈5f與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈之間的電路上還分別設(shè)有整流二極管D8、整流二極管D9和保護(hù)電阻R5。
[0037]在主控制板的控制下，輪流導(dǎo)通IGBT雙管模塊6的Kl、K2，導(dǎo)通頻率為20kHz，中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器5的初級線圈5c中就有20kHz的中頻交流電流通過，次級線圈5f的感應(yīng)電壓經(jīng)中頻整流二極管D8和整流二極管D9整流后輸出直流電接入同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流，電阻R5為保護(hù)電阻。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈電感值較大，因此無須對直流電流進(jìn)行濾波。主控制板采用脈寬調(diào)制PWM為核心的控制技術(shù)或移相控制IGBT的導(dǎo)通時間，改變輸出的大小，輸出信號設(shè)置死區(qū)使兩路驅(qū)動信號的相位錯開，以防兩個IGBT管同時導(dǎo)通而產(chǎn)生過大電流損壞IGBT管。
[0038]當(dāng)直流脈沖電壓從最大值減小到零時，限流電感L產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管D7形成的續(xù)流電路形成回路，避免產(chǎn)生過電壓擊穿IGBT管。
[0039]進(jìn)一步地，所述IGBT逆變電路4還包括電容C7、電阻R3、電容C8和電阻R4，電容C7、電阻R3、電容C8和電阻R4依序串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間且IGBT雙管模塊6的Kl和K2之間的線路與電阻R3和電容C8之間的線路相連接。中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器5的初級線圈5c在IGBT通、斷瞬間產(chǎn)生的反峰電動勢，由電容C7、電阻R3、電容C8和電阻R4組成的阻容保護(hù)電路吸收，防止過電壓擊穿IGBT。
[0040]工作時，50Hz工頻交流電經(jīng)三相橋式整流器變成直流，再經(jīng)過IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)逆變電路4，將直流電逆變成20kHz的中頻矩形波，再經(jīng)過分離式中頻變壓器5降壓，將20kHz的交流電送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部分，經(jīng)過二次整流成為穩(wěn)定的直流電源。整流裝置的正、負(fù)極直接與同步發(fā)電轉(zhuǎn)子連接，構(gòu)成逆變無刷勵磁系統(tǒng)，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流，因此勵磁系統(tǒng)不需要電刷和滑環(huán)裝置。
[0041]本發(fā)明的特點(diǎn)是:二次整流后的直流電源輸出波形好，通過脈寬調(diào)制或移相控制IGBT逆變器的導(dǎo)通時間，改變輸出的大小，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流以適應(yīng)發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行工況需要。
[0042]以上所舉實(shí)施例為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，僅用來方便說明本發(fā)明，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者，若在不脫離本發(fā)明所提技術(shù)特征的范圍內(nèi)，利用本發(fā)明所揭示技術(shù)內(nèi)容所作出局部更動或修飾的等效實(shí)施例，并且未脫離本發(fā)明的技術(shù)特征內(nèi)容，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)特征的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，包括工頻交流電源(1)，其特征在于，所述工頻交流電源(1)連接有整流模塊(2)，在整流模塊(2)輸出的直流電源正負(fù)極之間依序連接有LC濾波電路(3)和IGBT逆變電路⑷，所述IGBT逆變電路(4)連接有中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器(5)，中頻分離式旋轉(zhuǎn)變壓器(5)由與發(fā)電機(jī)定子相對固定的初級聯(lián)接部件(5a)、設(shè)置在初級聯(lián)接部件(5a)上的初級磁芯(5b)、繞設(shè)在初級磁芯(5b)上的初級線圈(5c)、與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的次級聯(lián)接部件(5d)、設(shè)置在次級聯(lián)接部件(5d)上的次級磁芯(5e)和繞設(shè)在次級磁芯(5e)上的次級線圈(5f)組成，次級線圈(5f)輸出電流經(jīng)整流后與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，其特征在于，所述整流模塊(2)為由二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5和二極管D6組成的橋式整流器或橋式整流模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，其特征在于，所述LC濾波電路(3)主要包括電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、續(xù)流二極管D7和限流電感L，電容C1和電容C2并聯(lián)在直流電源的正負(fù)極之間；電容C3和電容C4串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間；續(xù)流二極管D7連接在電容C1和電容C2的正極之間；限流電感L串聯(lián)在電容C1正極和電容C2正極之間的直流電源正極上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，其特征在于，所述LC濾波電路(3)中還包括電阻R1和電阻R2，電阻R1和電阻R2串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間且電阻R1和電阻R2之間的線路與電容C3和電容C4之間的線路相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，其特征在于，所述IGBT逆變電路(4)主要由IGBT雙管模塊(6)、電容C5和電容C6組成；電容C5和電容C6串聯(lián)后與IGBT雙管模塊(6)并聯(lián)在直流電源的正負(fù)極之間；初級線圈(5c)的A端連接在電容C5和電容C6之間，初級線圈(5c)的B端連接在IGBT雙管模塊(6)的K1和K2之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，其特征在于，所述IGBT逆變電路⑷還包括電容C7、電阻R3、電容C8和電阻R4，電容C7、電阻R3、電容C8和電阻R4依序串聯(lián)后連接在直流電源的正負(fù)極之間且IGBT雙管模塊(6)的K1和K2之間的線路與電阻R3和電容C8之間的線路相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IGBT技術(shù)的分離式中頻變壓器逆變無刷勵磁系統(tǒng)，其特征在于，所述次級線圈(5f)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈之間的電路上還分別設(shè)有整流二極管D8、整流二極管D9和保護(hù)電阻R5。
【文檔編號】H02P9/30GK104410344SQ201410748436
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】余志剛, 周振聲, 余仕波, 楊艷梅, 鐘孔英, 葉翠峰 申請人:梅縣潔源水電有限公司