CN111384864A - 一种大电流正负桥并联变流器 - Google Patents

Abstract

本发明属于核聚变技术领域，具体为一种大电流正负桥并联变流器，包括直流总输出母排、直流分支母排和交流母排，每个直流总输出母排上安装3个直流分支母排，直流分支母排两个侧面均设有晶闸管，对应的晶闸管之间设有软连接排，软连接排内侧设有快速熔断器，快速熔断器与交流母排连接。采用6个总桥臂斜对称布局的方式构成正组三相桥式变流器和负组三相桥式变流器，有效的降低了大电流变流器运行时存在的电磁干扰问题，同时可以有效的避免由于感抗压降带来的均流系数下降和变流器功率因数降低的问题。

Description

一种大电流正负桥并联变流器

技术领域

本发明属于核聚变技术领域，具体涉及一种变流器。

背景技术

磁约束核聚变是聚变研究最重要的手段之一，磁约束核聚变利用磁场实现对等离子体的约束和控制，随着对等离子体研究的深入，需要更大的直流电源来提供高能磁场以实现对等离子体物理特征更深入的研究，进一步为聚变商业应用提供理论和工程基础。大电流直流电源在我国电解电镀行业中应用较多，在结构上一般采取多个小电流输出变流柜并联的方式构成一个大电流直流电源，每个小电流输出变流柜在电气结构上相同，每个小电流变流柜内由三相桥式变流器、进出线路、测量和保护设备构成，且每个桥臂上大多采用3-4个晶闸管并联，此类电源大多为二象限电源。这类电源应用在核聚变领域存在如下问题：由于电气结构的原因，此类电源成本较高，电源中的大多数电气设备利用率较低；从整体上来看电源结构松散，多个小变流柜的并联增加了系统的复杂度，同时增加了系统的风险性，另外由于组成大电流直流电源的设备较多占地面积较大；且由于其大多为二象限电源无法应对托卡马克装置负载四象限运行的实际应用场景。

发明内容

本发明的目的是提供一种大电流正负桥并联变流器，其能够适应托卡马克装置负载四象限运行条件。

本发明的技术方案如下：

一种大电流正负桥并联变流器，包括两个平行安装在柜体内的直流总输出母排、设于直流总输出母排上的直流分支母排和交流母排，每个直流总输出母排上安装3个直流分支母排，直流分支母排在直流总输出母排3上对应的形成三组，每两个直流支路母排为一组；

所述的直流分支母排两个侧面均设有晶闸管，在每一组中的两个直流支路母排中，其中一个直流分支母排上的晶闸管分别与该组中另一个直流分支母排上安装的同一侧面的晶闸管对应通过软连接排连接，并且同一组中的两个软连接排方向相反；所述的软连接排内侧设有快速熔断器，所述的快速熔断器与所述的交流母排连接。

直流分支母排的每一个侧面设有晶闸管的数量为8个，两侧共有16个；在每组的两个直流分支母排中，一个直流分支母排同一侧的8个晶闸管均对应与同一组中的另一个直流分支母排同一侧的8个晶闸管通过软连接排连接，两侧的软连接排方向相反。

所述的交流母排的中部引出三根并联的电路，每一电路中，首先并联连接交流电压互感器，再串联压敏电阻和交流电流互感器。

所述的两个直流总输出母排之间设有直流电压传感器，同时其中一路直流总输出母排串联热敏继电器上，另一路直流总输出母排串联直流电流传感器。

所述的交流母排上分出两路支路，每个支路上连接快速熔断器之后，并联两路方向相反的晶闸管，每个晶闸管上并联散热器。

所述的交流电压互感器设于柜体背面的下端，所述的交流电流互感器使用环氧绝缘板固定在柜体内。

所述的交流母排材料为铝。

所述的直流总输出母排由2根铝排组成，使用绝缘环氧板固定在柜体的顶部。

所述的直流总输出母排与直流支路母排通过螺杆相连。

本发明的显著效果如下：

该大电流正负桥变流器结构上采用6个总桥臂斜对称布局的方式构成正组三相桥式变流器和负组三相桥式变流器，有效的降低了大电流变流器运行时存在的电磁干扰问题，同时可以有效的避免由于感抗压降带来的均流系数的下降和变流器功率因数降低的问题；结构上采用正负桥公用交流母排和直流母排方式，显著降低了变流器制造成本，经济效益显著；结构上从正负组变流器不同时工作的特点出发，将同一水平面上正组变流器中桥臂上的晶闸管和负组变流器中桥臂上的晶闸管共用一个快速熔断器，提高了设备利用率并降低了变流器制造成本；采用均流板和电阻片使每组电源桥臂中并联的8个晶闸管的均流系数大于0.85，有效提高了设备的可靠性和变流器输出能力。

附图说明

图1为大电流正负桥并联变流器结构示意图；

图2为本方案设计的桥臂单元结构图；

图3大电流正负桥并联变流器电路图；

图4为正桥变流器和负桥变流器的桥臂示意图；

图中，1柜体、2交流母排、3直流总输出母排、4.直流分支母排、5.晶闸管、6.散热器、7.快速熔断器、8.交流电压互感器、9.交流电流互感器、10.直流电压传感器、11.直流电流传感器、12.软连接排、13.压敏电阻、14.热敏继电器、15.霍尔传感器；001—006为变流器内的6个桥臂、007.正桥整流桥臂、008.负桥整流桥臂。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，整个结构布置在柜体1内，直流总输出母排3有两个，平行的布置在柜体1内，每个直流总输出母排3上安装3个直流分支母排4，直流分支母排4在直流总输出母排3上对应的形成三组，每两个直流支路母排4为一组。

在每个直流分支母排4的侧面均安装晶闸管5和散热器6，每组其中一个直流分支母排4上安装16个晶闸管5(两侧面，每侧8个)，分别与该组中另一个直流分支母排4上安装的16个晶闸管5对应通过软连接排12连接，并且同一组中的两个软连接排12方向相反。在每个软连接排12内侧均安装快速熔断器7，所有的快速熔断器7安装在公用的交流母排2上。

由于直流分支母排4两两一组，共有三组，因此交流母排2有三根。

如图2所示，可以看出每组中的两个直流分支母排4、两根软连接排12、直流分支母排4上安装的晶闸管5、软连接排12上安装的快速熔断器7和交流母排2组成的结构，我们将之称为桥臂单元。将图1中虚线部分由两个晶闸管5，晶闸管5之间的直流分支母排4成为桥臂，图1中给出的桥臂分别标号为001、002…006，对应关系如图1所示。

如图3所示，从电路结构上说明压敏电阻13、电流互感器9、直流电压传感器10、直流电流传感器11的安装。

分别从每组桥臂单元中的交流母排2的中部引出三根并联的电路，每一电路中，首先并联连接交流电压互感器8，再串联压敏电阻13和交流电流互感器9。两个直流总输出母排3之间设有直流电压传感器10，同时其中一路直流总输出母排3串联热敏继电器14，另一路直流总输出母排3串联直流电流传感器11。

桥臂单元的电路如图3所示，每个交流母排2上分出两路支路，每个支路上连接快速熔断器7(图3中示意出快速熔断器7的熔断电阻)之后并联两路方向相反的晶闸管5，每个晶闸管5上并联散热器6(图3中示意图由散热电阻和电容组成的散热器6)。

交流母排2与外部交流进线电缆通过电缆线鼻子采用螺杆固定的方式连接，实现能量的输入，交流母排2使用铝材加工制造。为了确保交流母排2与外部交流进线电缆之间的可靠连接，在交流母排2连接处采用镀锡以防止连接点氧化。交流母排2同时为正负桥变流器提供输入路径，通过驱动机构实现变流器正负桥运行方式的切换，有效的降低了成本、减小了变流器体积。

交流电压互感器8使用两根单芯屏蔽电缆测量交流线电压信号，为减少大电流变流器运行时电磁场的干扰，交流电压互感器8安装位置充分考虑了磁场因素，选择柜体1内磁场较小的位置作为安装点，交流电压互感器8安装在柜体1背面的下侧位置。交流电流互感器9使用环氧绝缘板固定在柜体1内部，交流进线电缆穿过交流电流互感器9；为确保测量的精确性，在安装中要求交流进线电缆必须位于交流互感器9的中心位置。交流电流互感器9的输出信号送给电流继电器用于交流过电流时保护变流器设备。

直流总输出母排3由2根铝排组成，使用绝缘环氧板固定在柜体1的顶部，作为大电流正负桥变流器的输出，最终实现变流器的四象限输出。直流总输出母排3分别与6根直流支路母排4通过螺杆相连。直流总输出母排3由正负桥变流器公用，当正桥变流器工作时，输出正桥变流器电压电流；当负桥变流器工作时输出负桥变流器电压电流，公用后的直流总输出母排因此实现了四象限输出，相比传统的正负桥分开使用直流输出母排的方式，有效提高了效率、节省了人工转换线路的工作量，同时也降低了电源成本。

直流支路母排4、晶闸管5、散热器6构成了变流器内的6个桥臂001—006，6个桥臂001—006在柜体1内采用两排三列的方式垂直固定安装。每个桥臂上安装有16个晶闸管5器件用于交直流转换，每个桥臂上的晶闸管5采用左右对称安装，上下分别安装8个晶闸管5，为确保核心器件晶闸管的设备安全，每个晶闸管5均并联了阻容吸收支路(散热器6)用于过电压保护。

从图1可知，单个快速熔断器7安装在交流母排2上，通过两根软连接排12分别与两个不同直流支路母排4上的晶闸管5分别连接，这两个分属不同直流支路母排4上的晶闸管分别属于正桥整流臂和负桥整流桥臂，正负桥变流器正负组不会同时工作，这样就可以保证快速熔断器7在工作时只需要与当前处在导通状态的晶闸管5形成通路，保护该晶闸管而不需要考虑另一个与之相连但并没有处于工作中的晶闸管，这种结构布局在有效降低变流器成本的同时还节省了柜体1的内部空间。

如图4所示，6个桥臂001—006组成了正桥变流器和负桥变流器的桥臂。如图4所示，桥臂001/003/005的上半部分构成正桥整流桥臂的3个桥臂，桥臂002/004/006的下半部分构成正桥整流桥臂的3个桥臂，这6个桥臂共同组成正桥变流器，给6个桥臂发出触发信号实现正桥变流器的输出。与之相同，桥臂001/003/005的下半部分和桥臂002/004/006的上半部分构成负桥变流器的6个桥臂，驱动电路实现负桥变流器的输出。此种正负桥桥臂斜对称分布的布局可以有效降低了大电流变流器运行时的电磁干扰，可以有效避免感抗压降所引起的均流降低和变流器功率因数的下降。

Claims (9)

1.一种大电流正负桥并联变流器，包括两个平行安装在柜体(1)内的直流总输出母排(3)、设于直流总输出母排(3)上的直流分支母排(4)和交流母排(2)，其特征在于：每个直流总输出母排(3)上安装3个直流分支母排(4)，直流分支母排(4)在直流总输出母排(3)上对应的形成三组，每两个直流支路母排(4)为一组；

所述的直流分支母排(4)两个侧面均设有晶闸管(5)，在每一组中的两个直流支路母排(4)中，其中一个直流分支母排(4)上的晶闸管(5)分别与该组中另一个直流分支母排(4)上安装的同一侧面的晶闸管(5)对应通过软连接排(12)连接，并且同一组中的两个软连接排(12)方向相反；所述的软连接排(12)内侧设有快速熔断器(7)，所述的快速熔断器(7)与所述的交流母排(2)连接。

2.如权利要求1所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：直流分支母排(4)的每一个侧面设有晶闸管(5)的数量为8个，两侧共有16个；在每组的两个直流分支母排(4)中，一个直流分支母排(4)同一侧的8个晶闸管(5)均对应与同一组中的另一个直流分支母排(4)同一侧的8个晶闸管(5)通过软连接排(12)连接，两侧的软连接排(12)方向相反。

3.如权利要求1所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：所述的交流母排(2)的中部引出三根并联的电路，每一电路中，首先并联连接交流电压互感器(8)，再串联压敏电阻(13)和交流电流互感器(9)。

4.如权利要求3所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：所述的两个直流总输出母排(3)之间设有直流电压传感器(10)，同时其中一路直流总输出母排(3)串联热敏继电器(14)上，另一路直流总输出母排(3)串联直流电流传感器(11)。

5.如权利要求4所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：所述的交流母排(2)上分出两路支路，每个支路上连接快速熔断器(7)之后，并联两路方向相反的晶闸管(5)，每个晶闸管(5)上并联散热器(6)。

6.如权利要求5所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：所述的交流电压互感器(8)设于柜体(1)背面的下端，所述的交流电流互感器(9)使用环氧绝缘板固定在柜体(1)内。

7.如权利要求1所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：所述的交流母排(2)材料为铝。

8.如权利要求1所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：所述的直流总输出母排(3)由2根铝排组成，使用绝缘环氧板固定在柜体(1)的顶部。

9.如权利要求1所述的一种大电流正负桥并联变流器，其特征在于：所述的直流总输出母排(3)与直流支路母排(4)通过螺杆相连。

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