开关变压器式电力电子模块制造技术

一种高电压大功率的开关变压器式电力电子模块（以下简称开关变压器模块），属于电力电子技术领域。可用于任何等级的高压交流电压调节、电流调节及功率调节。其特征在于包括：一台三相变压器和数只电力电子器件；变压器原边绕组的一端接交流电源，另一端接被控负载；变压器副边绕组的两端接电力电子器件。现有电力电子器件受其额定工作电压、额定工作电流的限制，当用于高电压大功率场合时往往需要电力电子器件的串并联技术。与这种串并联技术相关的触发技术、均压技术、均流技术非常复杂，使其可靠性降低。开关变压器模块的发明专利技术相当于发明专利技术了一种新的大功率无触点电力电子开关器件，成功地解决了电力电子器件串并联的低可靠性问题，可用于任何高电压大功率调节的场合，且具有极高的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可用于任意高电压、任意大电流调节的开关变压器式电力电子模块(以下简称开关变压器模块)，属于电力电子
，可用于许多高电压大功率调节的 场合。
技术介绍
电力电子技术亦可称为大功率电子技术，包括器件、电路和系统三个层次，其中器 件的发展和应用是电力电子技术的基石。几十年来，人们不断地研究探索各种新型大功率 器件，取得了许多积扱的成果。目前，使用最多的电力电子器件是晶闸管(可控硅)，它单 只耐压较高(国内达到6500V、国外达到8500V)、电流较大(国内已达5000A、常用3000A)。 但是它的耐压限制与额定电流限制还是跟不上现代技术发展的需要。比如由晶闸管构成的 10KV交流电动机调压软起动装置就每相就需要5 8只晶闸管串联，有时还需要晶闸管的 并联。由于晶闸管特性参数的差异化使其在串并联应用时必须外加串联均压电路和并联均 流电路。这使电路复杂化，降低了可靠性，而且随着时间的推移差异会进一步加大，可靠性 还会更加恶化。其它方面应用的大型电力电子装置存在着相同的情况，而且当电压更高时 (比如35KV 220KV)，这种情况会更加严重。 我们知道，晶闸管串并联技术的可靠性是制约其功率升级和广泛应用的关键问题。假如这个障碍不存在、电力电子装置的容量可以做到任意大，则以下应用前景广阔 ①交流电网不可控的问题可以解决而成为交流可控电网； ②1000KV高压交流输电将很快从示范工程走向大面积应用； ③可控串补装置的研制就不会遇到这么大的困难从而提高线路输送容量； ④电网故障情况下大型水轮发电机的并网问题可以解决，尽快使电网稳定； ⑤抽水蓄能发电电动机电动工况下的软起动得到解决，不再完全依赖进口 ； ⑥矿热炉等高耗能电炉的电耗会有较大的降低； ⑦电弧炉的工作特性能得到更好的控制，提高产品质量； ⑧大型电力变压器的上电涌流和断电过电压问题可以得到解决，提高其使用寿 研制新型大功率电力电子器件关系材料、电子等多学科的技术发展，其道路极其艰难。从上世纪四十年代出现晶闸管到今天已经七、八十年了，才达到目前的水平。近年出现的绝缘柵极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT等新型电力电子器件虽然解决了某些技术问题，但是在耐压和容量方面仍然满足不了现代化大型设备的调控需求。 开关变压器模块就是在新的市场需求及现有电力电子器件存在诸多困难得背景下，另辟新路设计专利技术出的高电压大功率无触点电力电子开关组件。
技术实现思路
及有益效果 开关变压器模块是把变压器技术和晶闸管技术相结合，构成了一个可以承受任意 高电压、任意大电流的无触点电力电子开关组件。本专利技术提供的高电压大电流的电力电子模块，其特征在于包括一台三相变压器(TK)和数只电力电子器件(例如SCR);变压器原边(初级)绕组的一端接交流电源(U )，另一端接输出(Uo)，变压器付边(次级)绕组 的两端接正反并联的电力电子器件(例如SCR)，这是该模块的基本构成(为了图面清楚，图 中用单线图画出)。阻尼电路RC和压敏电阻YM是用于对电力电子器件(例如SCR)提供保 护(为了图面清楚，在本专利文件的有些附图中将该保护电路略去)。 变压器的原边绕组按被控的交流电压要求绕制，变压器付边绕组按单只电力电子 器件的耐压要求绕制，由于变压器原边绕组的电压可以任意高，因此被控电压可以做到任 意高；这样一只器件就可以替代许多只器件的串联，解决了元器件串联的低可靠性问题。 当所需调节电流较大时，可以采取增加付边绕组(多副绕组)和电力电子器件数 量(并用)的方法来解决；也可以采取模块并用的方法来解决。由于变压器自身漏抗的均 流作用，使模块并用的均流效果非常好，解决了其它器件并联均流的可靠性问题，因此调节 电流可以做到任意大，这样模块的调节功率就可以任意大。 当电力电子器件采用半控器件(例如SCR)时，可以得到高电压大电流半控模块， 其控制方法可以是相位控制。当电力电子器件采用全控器件(例如VMOS、 IGBT等)时，可 以得到高电压大电流全控模块，其控制方法可以是脉宽调制控制(P丽)。附图说明 图1是开关变压器模块基本电路； 图2是开关变压器模块用于高压电机软起动的基本电路； 图3是多副绕组开关变压器模块基本电路 图4是多副绕组开关变压器模块并用的基本电路。具体实施例方式下面结合附图详细描述本专利技术的具体实施方式。 图1是开关变压器模块基本电路，其中TK为变压器，它具有一个初级绕组和一 个次级绕组。初级绕组按被调节的交流电压Ui的要求绕制，其一端接待调节的交流电源 (Ui)，另一端接输出(Uo);次级绕组按单只电力电子器件的耐压要求绕制，次级绕组的两 端接电力电子器件(例如SCR);由于变压器原边绕组的耐电压可以设计到任意高，因此被 调节电压可以做到任意高；这样一只器件就可以替代许多只器件的串联，解决了元器件串 联的低可靠性问题。图中的SCR只是电力电子整流器件的一种，根据设计要求它可以更换 为其它电力电子器件。我们知道，变压器具有变压的功能又具有它的开路特性(付边开路 时原边承受全电压且电流很小)和短路特性(付边短路时原边电压很小且电流大小取决于 串联负载)；晶闸管也具有开路特性和短路特性，如果把变压器和晶闸管结合起来，利用二 者性能上的结合(使变压器只工作在开路和短路状态)就可以达到一个耐高压的电力电子 开关器件的作用，具体原理和电路如下 变压器的原边与负载串联接电源，正反并联的两个单向可控硅与变压器的付边低 压绕组接成闭合电路，这样可控硅被隔离在低压侧，因而不用串联，可靠性大大提高。 当可控硅不导通时，变压器次级呈开路状态，初级电流很小(小于空载电流)，电 源电压的大部分加在变压器初级绕组上(Ul " Ui)，负载电压很小；当可控硅导通时，变压器次级呈短路状态(u2 = O)，初级电压(ul " O，短路电压)，电源电压的大部分加在负载 上。在这里由于可控硅的控制，变压器实现对负载端电压的开关作用，因此我们称之为开关 变压器。 当可控硅的导通角由小到大连续变化时，负载端电压亦由小到大连续变化，即实 现了负载的调压。 现以开关变压器模块应用于高压电动机软起动为例，简述其工作过程。图2是电 路简图与波形图。 当图2(a)电源接通而晶闸管关断时(SCR未通)，由于TK的空载电流远小于D的 空载电流，故电源电压绝大部分(95%以上)加在TK原边(ul " Ui)，这时TK副边也存在 电压u2，波形为正弦波，见图2(b)。当SCR控制极加上触发电压时，SCR导通，比如从a角 处导通，则u2立即降低，u2电压如图2(b)中实线所示。ul的波形也应与其近似相同。电 机D上的电压为外加电压减去ul，则D上的电压波形如图2(c)中实线所示。当改变控制角 a时(比如前移)，则u2变小，ul变小；uD加大。这样，连续调节a由大到小，则uD连续 由小到大，完成调压软起动。 当被控对象功率较大(如6000KW以上)，现有的晶闸管的允许电流受限时，可采用 图3所示的多副绕组开关变压器模块方式，实现晶闸管并用以解决电流受限问题。 当被控对象功率更大(如12000KW以上)，因开关变压器结构问题不可能无限大 时，可采用图4所示的多副绕组开关变压器模块并用以解决开关变压器结构受本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高电压大功率的开关变压器式电力电子模块（以下简称开关变压器模块），可用于任何高压交流电压、电流及功率的调节。其特征在于包括：由一台三相变压器和数只单向电力电子器件构成；变压器原边绕组的一端接交流电源，另一端接输出；变压器付边绕组的两端接有正反并联的电力电子器件；变压器的原边绕组按待调节的交流电压要求绕制，变压器付边绕组按电力电子器件的耐压要求绕制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘政刚，潘家忠，孙向瑞，
申请(专利权)人：哈尔滨帕特尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]