專利名稱：具有高電壓與大功率處理能力的直流電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生成供高電壓、大輸出功率需求的直流電能的直流電源裝置，更具體地涉及供用在幅射化學(xué)領(lǐng)域中的靜電電子加速器用作電源的這種高電壓、大輸出直流電源裝置。
靜電電子加速器通常由在真空中產(chǎn)生電子的一個(gè)電子槍、加速所生成的電子的一個(gè)加速管、及給予電子加速能量的一個(gè)直流(DC)電源構(gòu)成。該DC電源包括一個(gè)DC電源裝置，用于以一個(gè)多相整流電路將交流(AC)電能轉(zhuǎn)換成DC電能并供應(yīng)高電壓、大輸出電能。例如，用在印鍍膜與油墨中的靜電電子加速器采用能供給150至300KV范圍內(nèi)的電壓及1至2A范圍內(nèi)的電流的DC電源裝置。用在處理廢氣中的另一種靜電電子加速器具有能供應(yīng)500至1000KV范圍內(nèi)的電壓及1至2A范圍內(nèi)的電流DC電源裝置。
這種高電壓、大輸出DC電源裝置通常采用變壓器耦合式整流電路直接將頻率為50或60Hz的AC市電電能轉(zhuǎn)換成DC電能，而不用諸如Cockcroft電路之類的高頻轉(zhuǎn)換器。采用這種變壓器耦合式整流電路的原因是提高功率轉(zhuǎn)換效率，它是DC電能對(duì)AC市電電能之比的倒數(shù)。
附圖中的

圖1示出一種傳統(tǒng)的DC電源裝置，它包括一個(gè)六相變壓器耦合式整流電路。如圖1中所示，傳統(tǒng)的DC電源裝置包含一個(gè)諸如市售的AC電源等由三相AC電源構(gòu)成的原電源1；U、V與W相位的三個(gè)初級(jí)繞組2U、2V、2W分別成星形連接在原電源1上；三組次級(jí)繞組3U1-3U6、3V1-3V6、3W1-3W6分別變壓器耦合于初級(jí)組2U、2V、2W；以及三組橋式整流電路4U1-4U6、4V1-4V6、4W1-4W6分別連接在次級(jí)繞組3U1-3U6、3V1-3V6、3W1-3W6上。初級(jí)繞組2U、2V、2W用作初級(jí)電路、而次級(jí)繞組3U1-3U6、3V1-3V6、3W1-3W6及橋式整流電路4U1-4U6、4V1-4V6、4W1-4W6則構(gòu)成多個(gè)次級(jí)電路。
將次級(jí)電路分成六組，其中的三個(gè)次級(jí)電路與相應(yīng)的U、V與W相位關(guān)聯(lián)并且級(jí)聯(lián)。將六組次級(jí)電路級(jí)聯(lián)。這樣級(jí)聯(lián)的初級(jí)電路與次級(jí)電路聯(lián)合構(gòu)成一個(gè)絕緣的鐵心式變壓器。
六相變壓器耦合式整流電路能產(chǎn)生六相整流的電能輸出，其中一組三個(gè)次級(jí)電路是級(jí)聯(lián)的。在圖1中所示的配置中，為了生成較高的輸出DC電壓，六組次級(jí)電路是級(jí)聯(lián)的。然而，取塊于要輸出的所希望的電壓水平，DC電源裝置可包括級(jí)聯(lián)的多組次級(jí)電路，從幾組到幾十組次級(jí)電路。
如附圖中圖2所示，圖1中所示的傳統(tǒng)DC電源裝置從AC市電電源中產(chǎn)生除了DC分量以外還包含基波與諧波分量的輸出DC電壓。如果由這些諧波分量導(dǎo)致的諧波或波紋電流從DC電源裝置流入連接在其上的設(shè)備，則取決于這些諧波電流的大小，所連接的設(shè)備有可能過熱甚至熱損壞。
由諧波或波紋電流引發(fā)的熱損壞不僅由高電壓、大輸出DC電源裝置導(dǎo)致，也可能由帶閘流管功率控制的AC電源裝置導(dǎo)致。尤其是近年來出現(xiàn)更多由閘流管控制的AC供電的電器設(shè)備，它們?cè)诠?yīng)給受控的電器設(shè)備的AC電能中引入諧波或波紋電流。在這些情況中，日本自然資源與能源機(jī)構(gòu)已頒布了控制DC或AC供電的電器設(shè)備中的諧波的準(zhǔn)則。
降低包含在來自DC電源裝置的DC輸出能量中的諧波電流的一種可能方法為增加DC電源裝置的相位數(shù)。具體地，可以用包含互相并聯(lián)成一個(gè)十二相變壓器耦合式整流電路的各具圖1中所示的電路配置的兩個(gè)六相變壓器耦合式整流電路的一個(gè)DC電源裝置來降低諧波電流。兩個(gè)互相并聯(lián)的六相變器耦合式整流電路中的每一個(gè)各具有圖1中所示的六相變壓器耦合式整流電路的電流容量的一半。然而，由于這兩個(gè)六相變壓器耦合式整流電路是互相并聯(lián)的，它們中的每一個(gè)需要耐受與圖1中所示的六相變壓器耦合式整流電路相同的擊穿電壓。相應(yīng)地，具有這一十二相變壓器耦合式整流電路的DC電源裝置必須具有各能耐受150至1000KV范圍內(nèi)的高電壓的兩個(gè)六相變壓器耦合式整流電路。
這種十二相DC電源裝置的另一問題是雖然各六相變壓器耦合式整流電路的電流容量降低到了一半，盡管降低了額定電流，但六相變壓器耦合式整流電路的各部件的大小仍然基本上保持不變。十二相DC電源裝置的缺點(diǎn)還在于各能耐受150至1000KV高壓的兩個(gè)六相變壓器耦合式整流電路所需的絕緣使得該十二相DC電源裝置的大小幾乎是圖1中所示的六相變壓器耦合式整流電路的兩倍。采用具有高擊穿電壓耐受能力的兩個(gè)六相變壓器耦合式整流電路產(chǎn)生的缺點(diǎn)遠(yuǎn)超過采用具有減小的電流容量的兩個(gè)六相變壓器耦合式整流電路所提供的優(yōu)點(diǎn)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種具有較小的尺寸并能減少其DC輸出能量中的諧波電流的高電壓、大輸出DC電源裝置。
為達(dá)到上述目的，按照本發(fā)明提供了一種直流電源裝置，包括一個(gè)用于供給三相交流電能的原電源，以及一個(gè)將該原電源供給的三相交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能的連接在原電源上的十二相整流電流，該十二相整流電路包括互相級(jí)聯(lián)的第一與第二六相變壓器耦合式整流電路，用于產(chǎn)生互相移相π/3的各輸出電壓。上述配置的直流電源裝置在其輸出能量中產(chǎn)生降低的諧波或波紋電流，并可以以緊致的尺寸構(gòu)成。
第一六相變壓器耦合式整流電路可包括三角形連接的三個(gè)初級(jí)繞組，而第二六相變壓器耦合式整流電路則可包括星形連接的三個(gè)初級(jí)繞組。第一六相變壓器耦合式整流電路可包括三組分別變壓器耦合在其三個(gè)初級(jí)繞組上的三個(gè)次級(jí)繞組，而第二六相變壓器耦合式整流電路則包括三組分別變壓器耦合在其三個(gè)初級(jí)繞組上的三個(gè)次級(jí)繞組，各組中的三個(gè)次級(jí)繞組是開口三角形連接的。
從以下結(jié)合以示例方式展示本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的附圖所作的描述中，本發(fā)明的上述與其它目的、特征與優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。
圖1為傳統(tǒng)的DC電源裝置的電路圖；圖2為示出圖1中所示的傳統(tǒng)DC電源裝置的原電源的電壓及DC輸出電壓的波形的圖；圖3為按照本發(fā)明的DC電源裝置的電路圖；以及圖4為示出圖3中所示的DC電源裝置的原電源的電壓及DC輸出電壓的波形的圖。
如圖3中所示，按照本發(fā)明的高電壓、大輸出DC電源裝置包括一個(gè)由諸如AC市電電源等三相AC電源11構(gòu)成的原電源11、一個(gè)第一六相變壓器耦合式整流電路20、及一個(gè)第二六相變壓器耦合式整流電路30。
第一六相變壓器耦合式整流電路20包括分別三角形連接在原電源11上的U、V與W相位的三個(gè)初級(jí)繞組21U、21V、21W；三組分別變壓器耦合在初級(jí)繞組21U、21V、21W上的次級(jí)繞組22U1-22U3、22V1-22V3、22W1-22W3；以及三組分別連接在次級(jí)繞組22U1-22U3、22V1-22V3、22W1-22W3上的橋式整流電路23U1-23U3、23V1-23V3、23W1-23W3。各相中的三個(gè)次級(jí)繞組是開口三角形連接的。橋式整流電路23U1、23V1、23W1、23U2、23V2、23W2、23U3、23V3、23W3具有以該次序級(jí)聯(lián)的各自的輸出端對(duì)。橋式整流電路23U1的輸出端之一及橋式整流電路23W3的輸出端之一用作該第一六相變壓器耦合式整流電路20的一對(duì)輸出端。
第二六相變壓器耦合式整流電路30包括分別星形連接在原電源11上的U、V與W相位的三個(gè)初級(jí)繞組31U、31V、31W；三組分別變壓器耦合在初級(jí)繞組31U、31V、31W上的次級(jí)繞組32U1-32U3、32V1-32V3、32W1-32W3；以及三組分別連接在次級(jí)繞組32U1-32U3、32V1-32V3、32W1-32W3上的橋式整流電路33U1-33U3、33V1-33V3、33W1-33W3。各相中的三個(gè)次級(jí)繞組是開口三角形連接的。橋式整流電路33U1、33V1、33W1、33U2、33V2、33W2、33U3、33V3、33W3具有以該次序級(jí)聯(lián)的各自的輸出端對(duì)。橋式整流電路33U1的輸出端之一及橋式整流電路33W3的輸出端之一用作該第二六相變壓器耦合式整流電路30的一對(duì)輸出端。
第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30是互相級(jí)聯(lián)的。因此，第一六相變壓器耦合式整流電路20的輸出端之一及第二六相變壓器耦合式整流電路30的輸出端之一用作該DC電源裝置的一對(duì)輸出端。
在圖3中所示的實(shí)施例中，第二六相變壓器耦合式整流電路30的橋式整流電路33W3的輸出端之一用作該DC電源裝置的正接線端，而第一六相變壓器耦合式整流電路20的橋式整流電路23U1的輸出端之一則用作該DC電源裝置的一個(gè)接地端。然而，橋式整流電路33W3的輸出端可用作該DC電源裝置的一個(gè)接地端，而橋式整流電路23U1的輸出端可用作該DC電源裝置的一個(gè)負(fù)接線端。再者，第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30可以反向級(jí)聯(lián)，而第一六相變壓器耦合式整流電路20的橋式整流電路23W3的輸出端之一及第二整流電路30的橋式整流電路33U1的輸出端之一可用作該DC電源裝置的一對(duì)輸出端?？捎闷渌绞礁淖兓蛐拚龍D3中所示的DC電源裝置。
在圖3中所示的DC電源裝置中，由于第一六相變壓器耦合式整流電路20的初級(jí)繞組21U、21V、21W是三角形連接的而第二六相變壓器耦合式整流電路30的初級(jí)繞組31U、31V、31W則是星形連接的，由相應(yīng)的第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30產(chǎn)生的輸出電壓是互相移相π/3的。因此，如圖4中所示，級(jí)聯(lián)的第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30產(chǎn)生一個(gè)十二相的輸出電壓。從而圖3中所示的DC電源裝置包括一個(gè)十二相整流電路，用于產(chǎn)生與圖1中所示的傳統(tǒng)DC電源裝置相比包含減小的諧波或波紋電流的DC輸出電能。
圖3中所示的DC電源裝置作為一個(gè)整體包括次級(jí)繞組的的六個(gè)級(jí)聯(lián)的組，其中三個(gè)次級(jí)電路與各自的U、V與W相位關(guān)聯(lián)。結(jié)果，該DC電源裝置能產(chǎn)生與圖1中所示的DC電源裝置相同水平的DC輸出電壓。
由于第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30是互相級(jí)聯(lián)的，第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30中任何一個(gè)可配置成耐受所要求的擊穿電壓，或者第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30可配置成耐受一半或分擔(dān)所要求的擊穿電壓。因此，圖3中所示的DC電源裝置的總體擊穿電壓耐受能力，從而所需的絕緣，可以小于圖1中所示的DC電源裝置。結(jié)果，圖3中所示的DC電源裝置的尺寸可以相對(duì)地小。
在所示的實(shí)施例中，第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30的初級(jí)繞組為了互相移相它們各自的輸出電壓π/3相位，而分別連接成三角形與星形的。然而，第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30兩者的初級(jí)繞組都可以連接成三角形或星形，且第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30中任何一個(gè)可具有一個(gè)移相電路。各第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30是示出為包括三組次級(jí)繞組的，其中在三個(gè)次級(jí)電路與各自的U、V與W相位關(guān)聯(lián)。然而，各第一與第二六相變壓器耦合式整流電路20、30可包括所希望的DC輸出電壓的水平所需要的任意多個(gè)級(jí)聯(lián)的次級(jí)繞組的組，其中三個(gè)次級(jí)電路與各自的U、V與W相位關(guān)聯(lián)。
雖然示出并詳細(xì)描述了本發(fā)明的一個(gè)一定的較佳實(shí)施例，應(yīng)能理解，可在其中作出各種改變與修正而不脫離所附權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種直流電源裝置，包括一個(gè)原電源，用于供給三相交流電能；以及一個(gè)連接在所述原電源上的十二相整流電路，用于將所述原電源供給的三相交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能；所述十二相整流電路包括互相級(jí)聯(lián)的第一與第二六相變壓器耦合式整流電路，用于產(chǎn)生互相移相π/3的各自的輸出電壓。
2.按照權(quán)利要求1的一種直流電源裝置，其中所述第一六相變壓器耦合式整流電路包括三個(gè)三角形連接的初級(jí)繞組，及所述第二六相變壓器耦合式整流電路包括三個(gè)星形連接的初級(jí)繞組。
3.按照權(quán)利要求2的一種直流電源裝置，其中所述第一六相變壓器耦合式整流電路包括三組分別變壓器耦合在其所述三個(gè)初級(jí)繞組上的三個(gè)次級(jí)繞組，以及所述第二六相變壓器耦合式整流電路包括三組分別變壓器耦合在其所述三個(gè)初級(jí)繞組上的三個(gè)次級(jí)繞組，各組中的所述三個(gè)次級(jí)繞組是開口三角形連接的。
全文摘要
將一個(gè)原電源供給的三相交流電能供給互相級(jí)聯(lián)的第一與第二六相變壓器耦合式整流電路。第一整流電路包括三個(gè)三角形連接的初級(jí)繞組，第二整流電路包括三個(gè)星形連接的初級(jí)繞組，用于生成互相移相π/3的各自的輸出電壓?；ハ嗉?jí)聯(lián)的該兩整流電路聯(lián)合提供一個(gè)十二相整流電路，與一個(gè)六相變壓器耦合式整流電路相比，在其輸出電能中產(chǎn)生減少的諧波或波紋電路。這兩整流電路分擔(dān)作用在該電源裝置上的電壓，從而可具有較低的耐受擊穿電壓的要求。
文檔編號(hào)H02M7/08GK1138774SQ9610355
公開日1996年12月25日 申請(qǐng)日期1996年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月10日
發(fā)明者前沢章彥, 吉岡毅 申請(qǐng)人:株式會(huì)社荏原制作所