一种单相转换为三相平衡的净化电源的制作方法

1.本发明涉及交流电气化铁路供电技术领域，特别涉及一种单相转换为三相平衡的净化电源。


背景技术：

2.电气化铁路在国家总体安全、经济发展战略中意义重大，从用电类别角度，电气化铁路供电系统包括牵引供电系统和铁路电力系统。铁路电力系统是铁路供电系统的重要组成部分，铁路通信设备、信号设备、信息设备、照明设备等一系列重要负荷均需要铁路电力系统进行电能供应。目前，铁路电力系统采用两种方式供电：一种是从牵引网的两供电臂取电，通过单相/三相变电设备直接供电；第二路种是由地方供电公司铺设专用线路给铁路配电网供电。
3.由于大功率电力机车和动车组为单相非线性负荷，导致牵引网的供电臂电压具有较强的波动性和随机性现有的单相/三相变电设备方案中，变压器原边绕组一端与供电臂连接，取电后，次边绕组直接输出三相电，输出的电压谐波畸变严重，电压波动范围宽，电能质量问题将影响低压负荷的正常运行，严重时甚至烧毁设备。
4.另外，在我国西部地区，特别是新疆、青海及西藏地区电网薄弱，铁路变配电所与城市电网距离远，为实现稳定可靠供电，需由地方电网提供一路甚至两路长距离电路专线，由此会带来极大的土地、设备、人力投入。
5.因此，急需提供一种既能适用于偏远地区电气化铁路供电，又能避免采用现有单相/三相变电设备方案供电时产生诸多电能质量问题的新供电方案。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种单相转换为三相平衡的净化电源，变压器从牵引网取电后先通过变流器处理，然后再输出给三相负载，不但能提供稳定可靠的三相电，还能避免敷设专用线路所带来的工程建设等人力物力资源投入。本发明通过以下技术手段实现：
7.一种单相转换为三相平衡的净化电源，包括第一变压器和变流器，所述第一变压器的原边绕组从牵引网取单相电，所述第一变压器的次边绕组与所述变流器的单相输入端连接，所述变流器的三相输出端通过第二变压器为三相负载供电，或所述变流器的三相输出端直接作为所述净化电源的三相输出端为三相负载供电。
8.进一步地，所述变流器为四桥臂变流器，其中，第一桥臂和第二桥臂的中点引出端子作为所述变流器的单相输入端，第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂的中点引出端子作为所述变流器的三相输出端。
9.进一步地，所述第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂的输出电压相位角度关系被设置为：所述变流器工作时，电流流经第一变压器的次边绕组、第一桥臂和第二桥臂形成第一电流回路，电流流经第二桥臂、第三桥臂、第二变压器原边绕组的左侧绕组形成第二电流回路，第一电流回路和第二电流回路在第二桥臂上的电流相互抵消。
10.进一步地，第一桥臂包括第一大功率晶体管和第二大功率晶体管，第二桥臂包括第三大功率晶体管和第四大功率晶体管，第三桥臂包括第五大功率晶体管和第六大功率晶体管，第四桥臂包括第七大功率晶体管和第八大功率晶体管；其中：第一大功率晶体管的发射极与第二大功率晶体管的集电极串联连接，串联点作为第一桥臂的中点引出端子p；第三大功率晶体管的发射极与第四大功率晶体管的集电极串联连接，串联点作为第二桥臂的中点引出端子q；第五大功率晶体管的发射极与第六大功率晶体管的集电极串联连接，串联点作为第三桥臂的中点引出端子m；第七大功率晶体管的发射极与第八大功率晶体管的集电极串联连接，串联点作为第四桥臂的中点引出端子n；
11.第一大功率晶体管、第三大功率晶体管、第五大功率晶体管和第七大功率晶体管的集电极相互连接，连接点为e点；第二大功率晶体管、第四大功率晶体管、第六大功率晶体管和第八大功率晶体管的发射极相互连接，连接点为f点；e点和f点之间并联有电容器；第一大功率晶体管、第二大功率晶体管、第三大功率晶体管、第四大功率晶体管、第五大功率晶体管、第六大功率晶体管、第七大功率晶体管和第八大功率晶体管的控制极均接入脉宽调制解调器。
12.进一步地，所述第二变压器为三相变压器，所述第二变压器的原边绕组三相端口与所述变流器的三相输出端连接，所述第二变压器的次边绕组三相端口作为所述净化电源的三相输出端。
13.进一步地，所述第二变压器采用vv接线方式。
14.进一步地，所述第二变压器采用scott接线方式。
15.进一步地，所述第二变压器为y/
△
连接的三相变压器。
16.本发明提供一种将单相电转换为平衡三相电的净化电源，可以保证铁路电力系统供电的稳定性与可靠性，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
17.1、在外电网薄弱的情况下，利用本发明可以从牵引网取电，并将单相电转换为平衡三相电为铁路电力设备供电；
18.2、能够对电网各种噪声和尖峰电压起到良好的吸收及抑制作用；
19.3、本发明的拓扑可提供最优容量配置满足电源净化的需求，经济性高；
20.4、采用本发明，可以减少地方供电网为铁路敷设专用线路所带来的土地、人力、物力以及工程等的投入。
附图说明
21.图1为根据一示例性实施例示出的第一种净化电源结构示意图。
22.图2为根据一示例性实施例示出的第二种净化电源结构示意图。
23.图3为根据一示例性实施例示出的第三种净化电源结构示意图。
24.图4为根据一示例性实施例示出的第四种净化电源结构示意图。
25.图5为根据一示例性实施例示出的变流器结构示意图。
具体实施方式
26.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
27.实施例1
28.如图1所示，本实施例提供一种单相转换为三相平衡的净化电源，包括第一变压器t1和变流器v1，所述第一变压器t1的原边绕组用于从牵引网取单相电，所述第一变压器t1的次边绕组与所述变流器v1的单相输入端连接，所述变流器v1的三相输出端通过第二变压器t2为三相负载供电，或所述变流器v1的三相输出端直接作为所述净化电源的三相输出端为三相负载供电。
29.本实施例中，第一变压器t1可以为单相变压器，具体实施本实施例时，第一变压器t1的原边绕组可以通过第一开关装置与牵引网连接取得单相电，第一变压器t1的次边绕组可以通过第二开关装置与变流器v1的单相输入端连接，如图1、图2和图3所示，变流器v1的三相输出端通过第二变压器t2输出三相电来为三相负载供电。
30.本实施例中，第二变压器t2可以为三相变压器，具体实施本实施例时，作为一种可选方式，如图1所示，第二变压器t2可以采用vv接线方式；作为另一种可选方式，如图2所示，第二变压器t2可以采用scott接线方式；作为又一种可选方式，如图3所示，第二变压器t2还可以采用y/
△
连接方式。
31.另外，如图4所示，根据实际情况和使用环境，变流器v1也可以直接输出三相电来为三相负载供电而不需要通过第二变压器t2进行变压。
32.这里需要说明的是，牵引网电压等级较高，考虑到变流器电力电子器件的电压承受能力，如果采用变流器v1直接从牵引网取电的方式，很容易造成变流器损坏或者极大缩短变流器使用寿命，而采用第一变压器t1先降压再输电给变流器v1，可以起到降压隔离作用，极大改善变流器v1的使用环境从而延长变流器v1的使用寿命。另外，由于大功率电力机车和动车组(通过牵引网取电)等单相非连续负载会导致牵引网电压具有较强波动性和随机性，本实施例中第一变压器t1的输出端不直接与负载端连接，而是通过变流器v1将单相电转换为三相电，再将三相电或间接输出(通过第二变压器t2输出)或直接输出，能够对电网各种噪声和尖峰电压起到良好的吸收及抑制作用，从而提高三相电的电能质量，起到电源净化作用。
33.作为优选，所述变流器v1为四桥臂变流器，其中，第一桥臂b1和第二桥臂b2的中点引出端子作为所述变流器v1的单相输入端，第二桥臂b2、第三桥臂b3和第四桥臂b4的中点引出端子作为所述变流器v1的三相输出端。
34.作为优选，所述第二桥臂b2、第三桥臂b3和第四桥臂b4的输出电压相位角度关系被设置为：所述变流器v1工作时，电流流经第一变压器t1的次边绕组、第一桥臂b1和第二桥臂b2形成第一电流回路，电流流经第二桥臂b2、第三桥臂b3、第二变压器t2的原边绕组的左侧绕组形成第二电流回路，第一电流回路和第二电流回路在第二桥臂2上的电流相互抵消。这里需要说明的是，第二变压器t2的原边绕组的左侧绕组是指与第二桥臂b2和第三桥臂b3连接的绕组，之所以描述为左侧绕组，仅仅是为了与附图1、附图2和附图3相对应，实际实施本方案时，根据实际情况设置第二变压器t2的绕组方位即可，这样设置可以降低b2桥臂电流，从而使共用桥臂b2不需要做加强设计。
35.作为优选，如图5所示，第一桥臂b1包括第一大功率晶体管bg1和第二大功率晶体管bg2，第二桥臂b2包括第三大功率晶体管bg3和第四大功率晶体管bg4，第三桥臂b3包括第五大功率晶体管bg5和第六大功率晶体管bg6，第四桥臂b4包括第七大功率晶体管bg7和第
八大功率晶体管bg8；其中：第一大功率晶体管bg1的发射极与第二大功率晶体管bg2的集电极串联连接，串联点作为第一桥臂b1的中点引出端子p；第三大功率晶体管bg3的发射极与第四大功率晶体管bg4的集电极串联连接，串联点作为第二桥臂b2的中点引出端子q；第五大功率晶体管bg5的发射极与第六大功率晶体管bg6的集电极串联连接，串联点作为第三桥臂b3的中点引出端子m；第七大功率晶体管bg7的发射极与第八大功率晶体管bg8的集电极串联连接，串联点作为第四桥臂b3的中点引出端子n；
36.第一大功率晶体管bg1、第三大功率晶体管bg3、第五大功率晶体管bg5和第七大功率晶体管bg7的集电极相互连接，连接点为e点；第二大功率晶体管bg2、第四大功率晶体管bg4、第六大功率晶体管bg6和第八大功率晶体管bg8的发射极相互连接，连接点为f点；e点和f点之间并联有电容器；第一大功率晶体管bg1、第二大功率晶体管bg2、第三大功率晶体管bg3、第四大功率晶体管bg4、第五大功率晶体管bg5、第六大功率晶体管bg6、第七大功率晶体管bg7和第八大功率晶体管bg8的控制极均接入脉宽调制解调器。
37.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。