CN101369781B - 交流高压大功率可调稳压稳频电源装置及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流高压大功率可调稳压稳频电源装置及校正方法，它包括输入端传感器、移相变压器、采样器、功率部分、嵌入式系统、输出端传感器。输入端传感器接到电网与移相变压器的连接电缆上，输出端传感器接到功率部分与负载连接电缆上，采样器与输入端传感器及输出端传感器相连，嵌入式系统分别与功率部分、采样器相连。其步骤是首先是初始化；其次是计算调整比例值；第三是换算出调整比例值对应的功率单元控制信号在芯片中存储地址；第四是输出芯片地址中的控制信号至功率单元。电压等级高，输入容量大，电压稳定、可靠，运行可靠，调节能力强。

Description

交流高压大功率可调稳压稳频电源装置及校正方法

技术领域：

本发明涉及一种交流高压大功率可调稳压稳频电源装置，同时还涉及交流高压大功率可调整稳压稳频电源装置的校正方法，该方法包括开环、闭环校正方法，该装置输出电压和频率均可根据需要进行调节。

背景技术：

现有的交流高压稳压电源装置，受限于功率器件的耐压水平，主要采用两种技术方案。一种是高—低—高方案，采用输入变压器将高压交流电降为低压交流电，完成低压稳压后再采用升压变压器输出高压交流电。这种方案存在着一些不足：中间低压环节电流过大，限制了装置的适用范围；效率低，电能损耗较大；整套装置体积过大。另一种是功率器件直接串联方案，将低压功率器件串联起来，使整体耐压水平提高，实现高压范围内的稳压功能。这种方案也存在一些问题：输出电流谐波含量较大，输入输出需要加装滤波器；输入功率因数较低，影响电网的电能质量。

同时，采取上述两种技术方案的交流高压稳压电源在实际使用中还暴露了一些不足：装置结构不太合理，当某个部分发生故障时，往往需要整机停机后才能检修，难以满足运行可靠性的要求。另外，输出电压及频率大小固定，或者调节范围有限，无法适应不同工况要求。

发明内容：

本发明的目的是在于提供一种交流高压大功率可调稳压稳频电源装置。该装置适用于交流高压大功率范围，输出电压和频率可以调节，当输入电压和频率波动较大时，仍能实现稳压稳频输出。

本发明的另一个目的在于提供一种交流高压大功率可调整稳压稳频电源装置的校正方法，方法易行，操作简便，校正准确，稳定可靠。

本发明的再一个目的在于提供一种输入电压和频率为处理对象的开环电压校正方法。该校正方法可以监测输入电压和频率的变化情况，提供稳定、可调的电压和频率输出，并且，这种校正方法调节速度快，反应灵敏。

本发明的还有一个目的是在于提供一种输出电压和频率为处理对象的闭环电压校正方法。该校正方法可以监测输出电压和频率的变化情况，提供稳定、可调的电压和频率输出，并且，这种校正方法调节精度高，稳定性好。

为实现上述任务，本发明采用如下技术方案：

该装置主要包括输入端传感器、移相变压器、功率部分、嵌入式系统、采样器、输出端传感器。输入端传感器与电网、移相变压器连接，输出端传感器与功率部分、负载连接，采样器与输入端传感器及输出传感器相连，嵌入式系统分别与功率部分、采样器相连。电网电压直接输入移相变压器，电网输入的三相交流高压电在移相变压器中转换为多组三相交流低压电，用来给功率部分供电。功率部分分为A、B、C三相，每相包含三个功率单元串联(包含但不限于三个)，三相一共九个功率单元。每个功率单元输入一组来自移相变压器的三相交流低压电。功率单元包括熔断器、整流桥、直流滤波电容器和IGBT单相全桥逆变器。整流桥与移相变压器副方绕组经熔断器相连，对输入的三相低压交流电进行整流。整流桥与直流滤波电容器相连，消除整流后的直流电中的谐波。直流滤波电容器连接IGBT单相全桥逆变器，对滤波后的直流电进行逆变。三相交流低压电在功率单元中完成整流、滤波、逆变过程之后，变为单相交流低压电输出。功率部分每相串联的三个功率单元输出的单相交流低压电经叠加后，形成单相高压电输出，由于功率部分共有A、B、C三相，便输出三相交流高压电。输出的三相交流高压电可直接供负载使用。

输入端传感器接到电网与移相变压器的连接电缆上，实时监测输入端的三相电压信号和频率信号。输出端传感器接到功率部分与负载的连接电缆上，实时监测输出端的三相电压信号和频率信号。采样器与输入端传感器以及输出端传感器相连，嵌入式系统分别与功率部分、采样器相连，对电压和频率信号进行采样，然后将采样数据送到嵌入式系统。

高压大功率可调稳压稳频电源装置9由输入端传感器2、移相变压器3、功率部分4、嵌入式系统5、采样器6、输出端传感器7组成。电网1与稳压稳频装置9相连，输入的高压交流电经过稳压稳频处理后，输出符合用户要求的高压交流电至负载8。以3KV，250KW的一型高压大功率可调稳压稳频电源装置为例，该装置的移相变压器3选用3KV/315KW型，输入端传感器2和输出端传感器7选用LEM公司的LV100型，功率部分4选用湖北三环发展股份有限公司的3KV，250KW系列，嵌入式系统选用基于FPGA的EP2C35484C8系统板，采样器选用MAX125。

嵌入式系统中包含一种预先设定的校正方法，根据这种方法对由采样器送来的数据进行运算，然后输出控制信号到功率部分，控制各功率单元的工作情况，调节输出电压和频率。

一种交流高压大功率可调整稳压稳频电源的校正方法，该方法包括开环和闭环，其步骤是：

A、对FPGA芯片进行初始化；

B、选定实际采取的校正方法，根据选定的校正方法，对该装置的输出进行调节，使输出满足用户需要。若采用开环校正方法，则通过校正输入端电力参数(电压或频率)来调节输出为用户需要值；若采用闭环校正方法，则通过校正输出端电力参数(电压或频率)来调节输出为用户需要值；

本发明与现有技术相比具有以下特点：由于利用功率单元串联叠加技术，该装置的电压等级高、输出容量大。该装置既可以保证输出电压稳定，又可以保证输出频率稳定可靠。该装置输入谐波含量低，不需要加装滤波器。该装置提高功率因数，降低了电能损耗。该装置不仅可以提供稳压稳频输出，还可以根据实际需要改变输出电压和频率，实现变压变频输出。功率单元采用模块化设计，方便安装与维修，运行可靠。该装置可以提供冗余方案，功率部分的每相增加一个备用功率单元作为热备用，一旦需要可以迅速投入运行，增加了功率裕量，调节能力大为增强。

附图说明：

图1为一种交流高压大功率可调稳压稳频电源装置结构示意图。

图1所示，高压大功率可调稳压稳频电源装置9由输入端传感器2、移相变压器3、功率部分4、嵌入式系统5、采样器6、输出端传感器7组成。

图2为功率部分结构示意图

图2所示，功率部分4分为A、B、C三相，A相包括A1、A2、A3三个功率单元14，B相包括B1、B2、B3三个功率单元14，C相包括C1、C2、C3三个功率单元14，三相一共九个功率单元14。

图3为功率单元结构示意图。

图3所示，功率单元14由三相熔断器10、整流桥11、直流滤波电容器12、IGBT单相全桥逆变器13组成。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明再作进一步的说明：

根据图1、图2、图3可知，以3KV，250KW的一型高压大功率可调稳压稳频电源装置为例，该装置选用3KV/315KW型的移相变压器。电网1电压直接输入移相变压器3，电网1输入的三相交流高压电在移相变压器3中转换为多组三相交流低压电，用来给功率部分4供电。根据图2可知，功率部分4，包括功率单元A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，分为A、B、C三相，每相包含三个功率单元14(包含但不限于三个)，同相的三个功率单元14相互串联，三相一共九个功率单元14。每个功率单元14输入一组来自移相变压器3的三相交流低压电。三相交流低压电在功率单元14中完成整流、滤波、逆变过程之后，变为单相交流低压电输出。功率部分4每相串联的三个功率单元14输出的单相交流低压电经叠加后，形成单相高压电输出，由于功率部分4共有A、B、C三相，便输出三相交流高压电。输出的三相交流高压电可直接供负载8使用。

功率单元14结构如图3所示，包括熔断器10(型号为80A/750VAC)，整流桥11(德国西门康公司的SKD110/16)，直流滤波电容器12(直流滤波电容器12选用4700μF/400V的电解电容C4、C5进行连接，C4与C5直接串联完成直流滤波功能)，和IGBT单相全桥逆变器13(IGBT单相全桥逆变器选用德国EUPEC公司的BSM100GB170DLC型IGBT进行连接，连接方法见图3中13部分所示)。整流桥11与移相变压器3副方绕组经熔断器10相连，对输入的三相低压交流电进行整流。整流桥11与直流滤波电容器12相连，消除整流后的直流电中的谐波。直流滤波电容器12连接IGBT单相全桥逆变器13，对滤波后的直流电进行逆变。

输入端传感器2接到电网1与移相变压器3的连接电缆上，实时监测输入端的三相电压信号和频率信号。输出端传感器7接到功率部分4与负载8的连接电缆上，实时监测输出端的三相电压信号和频率信号。采样器6与输入端传感器2以及输出端传感器7相连，对电压和频率信号进行采样，然后将采样数据送到嵌入式系统5。

根据图2可知，移相变压器3分别与功率单元A1、功率单元B1、功率单元C1、功率单元A2、功率单元B2、功率单元C2、功率单元A3、功率单元B3、功率单元C3相连，用以给功率单元A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3提供低压三相交流电，在各功率单元中实现低压三相交流电的整流、滤波、逆变过程，然后从各功率单元中输出低压单相交流电。功率单元A1、功率单元A2、功率单元A3串联起来，每个功率单元输出的低压单相交流电经串联叠加后，形成高压A相交流电输出至负载8。功率单元B1、功率单元B2、功率单元B3串联起来，每个功率单元输出的低压单相交流电经串联叠加后，形成高压B相交流电输出至负载8。功率单元C1、功率单元C2、功率单元C3串联起来，每个功率单元输出的低压单相交流电经串联叠加后，形成高压C相交流电输出至负载8。A、B、C三相合起来给负载8提供高压三相交流电，实现高压变频器的输出。功率单元A1、功率单元B1、功率单元C1一端并联，构成回路保证A、B、C三相电压平衡。以上所用功率单元A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3均采用湖北三环发展股份有限公司生产的3KV、250KW系列功率单元。

嵌入式系统5中包含一种预先设定的校正方法，根据这种方法对由采样器6送来的数据进行运算，然后输出控制信号到功率部分4，控制各功率单元14的工作情况，调节输出电压和频率。

嵌入式系统5可选用基于FPGA的EP2C35484C8系统板(也可选用具有相同功能的其他产品，比如：基于Intel-CPU的PCI—6871嵌入式系统板，基于DSP的TMS320LF2407嵌入式系统板，基于ARM的S3C451B嵌入式系统板)。预先设定的校正方法包括电压调节方法和频率调节方法两部分，电压调节方法与频率调节方法基本原理类似，该校正方法进行具体说明如下：

首先，对FPGA芯片进行初始化。在FPGA芯片中选取一定数量的存储单元，以1000为例(包括但不限于1000)。保持输入电压U_i(以3.3KV为例)或输入频率F_i(以50Hz为例)不变，通过调节功率单元控制信号改变输出电压值或输出频率值。测量输出电压值U_o或输出频率值F_o，进行如下计算： $k=\frac{U_o}{U_i}$ 或 $k=\frac{F_o}{F_i}.$ 将k在0～2的变化范围等分为1000份，每份0.002。k值大小对应的份数作为功率单元控制信号在FPGA芯片中的存储地址，即当k＝0.002时，对应1份，将此时功率单元的控制信号存入FPGA芯片地址为1的存储单元中；当k＝1时，对应500份，将此时功率单元的控制信号存入FPGA芯片地址为500的存储单元中；当k＝2时，对应1000份，将此时功率单元的控制信号存入FPGA芯片地址为1000的存储单元中。同时，默认输出FPGA地址为500单元中的控制信号至功率单元(即默认k＝1，维持输出电压或频率与输入电压或频率大小相等)。

(1)采用输入电压或频率为处理对象的开环校正方法：

①、输入端传感器(2)实时监测稳压稳频电池装置(9)的输入电压或频率，经采样器(6)采样后由导线传入嵌入式系统(5)；

②、嵌入式系统(5)根据用户指令确定输出方式，用户指令采取定压或定频输出，进入下一步；采取变压或变频输出，进入步骤④；

③、采用定压或定频输出，设定输出电压额定值U_no或输出频率额定值F_no，在FPGA初始化过程中，默认输入电压额定值U_ni＝U_no或频率额定值F_ni＝F_no；实时监测输入电压值或频率值，为额定值，返回步骤②；不为额定值，则对输入电压采样值U_i1或频率采样值F_i1进行如下运算：令 $a=\frac{U_{\mathrm{ni}}}{U_{i1}}\×500$ 或令 $a=\frac{F_{\mathrm{ni}}}{F_{i1}}\×500,$ a即为调整比例值，然后进入步骤⑤；

④、采用变压或变频输出，由用户设定所需的输出电压值U_do或输出频率值F_do，实时监测输入电压值或频率值，并记录为U_i2或F_i2，进行运算：令 $a=\frac{U_{\mathrm{do}}}{U_{i2}}\×500$ 或令 $a=\frac{F_{\mathrm{do}}}{F_{i2}}\×500,$ a即为调整比例值，进入步骤⑤；

⑤、将FPGA中地址为a的单元储存的控制信号传送到功率部分，调节各功率单元的运行参数，调整输出电压或频率为用户需要值；

⑥、返回步骤②。

(2)采用输出电压或频率为处理对象的闭环校正方法

①、输出端传感器(7)实时监测稳压稳频电池装置(9)的输出电压或频率，经采样器(6)采样后由导线传入嵌入式系统(5)；

②、嵌入式系统(5)根据用户指令采取定压或定频输出，则进入下一步，采取变压或变频输出，进入步骤④；

③、采用定压或定频输出，设定输出电压额定值U_no或输出频率额定值F_no，实时监测输出电压值或频率值，为额定值，返回步骤②；不为额定值，则对输出电压采样值U_o1或频率采样值F_o1进行运算：令 $b=\frac{U_{\mathrm{no}}}{U_{o1}}\×500$ 或令 $b=\frac{F_{\mathrm{no}}}{F_{o1}}\×500,$ b即为调整比例值，然后进入步骤⑤；

④、采用变压或变频输出，用户设定所需的输出电压值U_do或频率值F_do，实时监测输出电压值或频率值，并记录为U_o2或F_o2，进行运算：令 $b=\frac{U_{\mathrm{do}}}{U_{o2}}\×500$ 或 $b=\frac{F_{\mathrm{no}}}{F_{o1}}\×500,$ b即为调整比例值，然后进入下一步；

⑤、将FPGA中地址为b的单元储存的控制信号传送到功率部分，调节功率单元的运行参数，调整输出为用户需要值；

⑥、返回步骤②。

开环调节方式可以保证快速的对输出电压进行调节，闭环调节方式可以保证更精确的对输出电压进行调节。频率调节方法与电压调节方法原理相类似，将上述步骤中的处理对象由电压U换为频率F即为频率调节方法。

本发明的一种交流高压大功率可调稳压稳频电源装置及校正方法，该装置可提供多种不同的工作方式供用户选择：可采取定压定频方式，定压变频方式，变压定频方式，变压变频方式。该装置对电压和频率的调节方便可靠，仅仅通过软件即可实现。在进行电压或频率的调节时，又有不同校正方式可供选择，开环校正方式可满足用户快速性的要求，而闭环校正方式则可满足用户精确性的要求。本发明涉及的交流高压大功率可调稳压稳频电源可用于多种供电场合。

Claims (2)

1.一种交流高压大功率可调整稳压稳频电源装置的校正方法，其步骤是：

A、对FPGA芯片进行初始化；

B、采用开环校正方法，对该装置的输出进行调节，使输出满足用户需要，其步骤是：

①、输入端传感器(2)实时监测稳压稳频装置(9)的输入电压或频率，经采样器(6)采样后由导线传入嵌入式系统(5)；

②、嵌入式系统(5)根据用户指令确定输出方式，用户指令采取定压或定频输出，进入下一步；采取变压或变频输出，进入步骤④；

③、采用定压或定频输出，设定输出电压额定值U_no或输出频率额定值F_no，在FPGA初始化过程中，默认输入电压额定值U_ni＝U_no或频率额定值F_ni＝F_no；实时监测输入电压值或频率值，为额定值，返回步骤②；不为额定值，则对输入电压采样值U_i1或频率采样值F_i1进行如下运算：令或令

a即为调整比例值，然后进入步骤⑤；

④、采用变压或变频输出，由用户设定所需的输出电压值U_do或输出频率值F_do，实时监测输入电压值或频率值，并记录为U_i2或F_i2，进行运算：令

或令

a为调整比例值，进入步骤⑤；

⑤、将FPGA中地址为a的单元储存的控制信号传送到功率部分，调节各功率单元的运行参数，调整输出电压或频率为用户需要值；

⑥、返回步骤②。

2.一种交流高压大功率可调整稳压稳频电源装置的校正方法，其步骤是：

A、对FPGA芯片进行初始化；

B、采用闭环校正方法，对该装置的输出进行调节，使输出满足用户需要，其步骤是：

①、输出端传感器(7)实时监测稳压稳频装置(9)的输出电压或频率，经采样器(6)采样后由导线传入嵌入式系统(5)；

②、嵌入式系统(5)根据用户指令确定输出方式，采取定压或定频输出，则进入下一步；采取变压或变频输出，进入步骤④；

③、采用定压或定频输出，设定输出电压额定值U_no或输出频率额定值F_no，实时监测输出电压值或频率值，为额定值，返回步骤②；不为额定值，则对输出电压采样值U_o1或频率采样值F_o1进行运算：令或令

b为调整比例值，然后进入步骤⑤；

④、采用变压或变频输出，由用户设定所需的输出电压值U_do或输出频率值F_do，实时监测输出电压值或频率值，并记录为U_o2或F_o2，进行运算：令

或

b为调整比例值，然后进入下一步；

⑤、将FPGA中地址为b的单元储存的控制信号传送到功率部分，调节功率单元的运行参数，调整输出电压或频率为用户需要值；

⑥、返回步骤②。

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