CN101656482B

CN101656482B - 三相整流上电装置

Info

Publication number: CN101656482B
Application number: CN200910195128A
Authority: CN
Inventors: 杨喜军; 杨兴华; 田书欣
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: CN101656482A

Abstract

一种电力技术领域的三相整流上电装置，包括：整流电路、电源电路和控制电路，其中：整流电路和电源电路的输入端分别与三相交流电源的三个火线相连，整流电路的输出端与控制电路相连接输出控制电源，整流电路的控制端与控制电路的输出端相连以接收控制信号。本发明具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点。

Description

三相整流上电装置

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子技术领域的上电装置，具体是一种用于三相不控整流器或电压源PWM整流器的三相整流上电装置。

背景技术

三相交流电源供电的电力电子变换装置可以用于电力传动、电力系统等应用领域，这种变换装置的前级电路一般为不控三相整流桥和电解电容组合电路，由于电解电容的初始电压为零，在电解电容零电压的时候三相交流电压上电，会产生冲击电流，造成的结果是：引起空气开关动作，限制开关容量；网侧电流冲击过大，引起瞬时电压跌落，并造成谐波电流污染；电解电容空载电压过高对电解电容、变频开关的耐压造成危害，为此必须采取软上电技术。现有软上电技术的主要特征是：在直流正极线路上串联普通功率电阻或正温度系数(PTC)功率电阻，限制电流的幅度在允许的范围内，当电解电容的电压达到一个期望值时模拟或数字控制电路发出驱动脉冲开通一个与功率电阻并联的继电器或可控硅短接功率电阻，进入二次上电过程。这种上电方式的结果是：上电过程是分级部分可控的，电解电容电压的变化曲线是不可控的，有台阶的，表明电解电容仍然承受较大的纹波电流，对电解电容的使用寿命有害；模拟或数字控制电路发出脉冲的时刻是不精确的，受制于电路参数；另外，上电时间较长，整个装置的进入运行状态的进程较慢。为此非常有必要需要改进传统的三相整流桥的上电电路的设计方案。

现有三相整流上电电路包括两种：(1)直流回路功率电阻或PTC电阻式并联继电器；(2)直流回路功率电阻或PTC电阻式并联继电器，均采用二次上电的软启动过程。上述三相整流上电电路控制简单，应用广泛。

但是该现有技术不能解决二次上电问题，上电过程中电解电容电压波动较大，线路电流幅值较高，引起空气开关误动作，电解电容电压纹波过大，影响其工作寿命。由于线路分布电感的存在，使得空载电压过高对电解电容、变频开关的耐压造成危害。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种三相整流上电装置，采用数字控制器精确编程，具有电路结构简单、适用不同网压、上电效果良好的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：整流电路、电源电路和控制电路，其中：整流电路和电源电路的输入端分别与三相交流电源的三个火线相连，整流电路的输出端与控制电路相连接输出控制电源，整流电路的控制端与控制电路的输出端相连以接收控制信号。

所述的整流电路采用大功率整流桥-电解电容整流技术，实行直流侧绝缘栅双极型晶体管PWM斩波控制，使得电解电容上的升压波形符合一定的曲线，该整流电路包括：三相二极管整流桥、功率电阻、功率二极管、逆导型开关、电解电容、分压电阻和可控硅，其中：第一整流桥的三个交流输入端分别与三相交流电源的三个火线相连，第一整流桥的输出直流正极分别与第一功率电阻的一端、第一功率二极管的阴极、第一可控硅的阳极相连，第一整流桥的输出直流负极分别与第一电解电容的负极、第三分压电阻的一端相连，形成输出负极端子，第一功率电阻的另一端与第一功率二极管的阳极相连后与第一逆导型开关的输入端相连，第一逆导型开关的输出端与第一可控硅的阴极、第一电解电容的正极、第二分压电阻的一端相连，形成输出正极端子；第一分压电阻的另一端与第二分压电阻的另一端相连后与控制电路相连，第一可控硅的门极与控制电路相连。

所述的电源电路包括：三相二极管整流桥、电解电容和开关电源，其中：三相二极管整流桥的三个交流输入端分别与三相交流电源的三个火线相连，三相二极管整流桥的输出直流正极与电解电容的正极相连，形成正极端子，电解电容的正极与开关电源的输入正极相连，三相二极管整流桥的输出直流负极与电解电容的负极相连，形成负极端子，并与开关电源的输入负极相连。

所述的控制电路包括：隔离驱动电路、微控制器和外围电路，其中：第一隔离驱动器的输入端与微控制器的第一脉冲输出端子连接，第一隔离驱动器的输出端与整流电路相连，第二隔离驱动器的输入端与微控制器的第二脉冲输出端子连接，第二隔离驱动器的输出端与整流电路相连，微控制器的第一个模数转换端子与整流电路相连。

本发明根据逆导型开关的PWN的有规律斩波，将整流器后直流电压的片段传递到电解电容。逆导型开关导通时间，进行RC充电过程，电解电容电压上升。逆导型开关关断时间，电解电容电压维持不变。所有控制均在电源电路与控制电路的参与下完成，使得电解电容电压按照期望曲线上升，达到最大时可控硅导通，短接功率电阻和逆导型开关，具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：整流电路1、电源电路2和控制电路3，其中：整流电路1和电源电路2的输入端分别与三相交流电源的三个火线R、S和T相连，整流电路1的输出端与控制电路2相连接输出控制电源，整流电路1的控制端与控制电路3的输出端相连以接收控制信号。

所述的整流电路1包括：第一整流桥BR1、功率电阻PR1、功率二极管D1、逆导型开关TR1、第一电解电容E1、第一分压电阻VR1、第二分压电阻VR2和可控硅TY1，其中：功率电阻PR1与功率二极管D1并联后与逆导型开关TR1串联，该支路与可控硅TY1并联，第一分压电阻VR1和第二分压电阻VR2串联后与第一电解电容E1并联后的正极输出端与逆导型开关TR1相连，第一整流桥BR1的三个交流输入端分别与三相交流电源的三个火线R、S、T相连，第一整流桥BR1输出直流正极与功率电阻PR1的一端、功率二极管D1的阴极、可控硅TY1的阳极相连，第一整流桥BR1输出直流负极与第一电解电容E1的负极、分压电阻VR1的一端相连，形成输出负极端子，功率电阻PR1的另一端与功率二极管D1的阳极相连后与逆导型开关TR1的输入端相连，逆导型开关TR1的输出端与可控硅TY1的阴极、第一电解电容E1的正极、分压电阻VR2的一端相连，形成输出正极端子，分压电阻VR1的另一端与分压电阻VR2的另一端相连后与控制电路3中模数转换端口ADC1相连，可控硅TY1的门极与控制电路3中驱动器DR1输出相连。

所述的电源电路2包括：第二整流桥BR2、第二电解电容E2和开关电源PS1，其中：第二整流桥BR2与第二电解电容E2构成整流滤波电路并为开关电源PS1供电，第二整流桥BR2的三个交流输入端分别与三相交流电源的三个火线R、S、T相连，第二整流桥BR2的输出直流正极与第二电解电容E2的正极相连，形成正极端子，第二整流桥BR2的输出直流正极与开关电源PS1的输入正极相连，其输出直流负极与第二电解电容E2的负极相连形成负极端子并与开关电源PS1的输入负极相连。

所述的控制电路3包括：第一隔离驱动电路DR1、第二隔离驱动电路DR2、微控制器MCU和外围电路，其中：第一隔离驱动电路DR1的输入信号来源于微控制器MCU的第一脉冲输出端P1，第一脉冲输出端P1输出至整流电路1中的可控硅TY1的门极，第二隔离驱动电路DR2的输入信号来源于微控制器MCU的第二脉冲输出端P2，第二脉冲输出端P1输出至整流电路1中的逆导型开关TR1的门极，隔离驱动器DR1的输入端与微控制器MCU的第一脉冲输出端P1连接，隔离驱动器DR1的输出端与整流电路1中的可控硅TY1的门极相连，隔离驱动器DR2的输入端与微控制器MCU的第二脉冲输出端P2连接，隔离驱动器DR2的输出端与整流电路1中的逆导型开关TR1的门极相连，微控制器MCU的模数转换端子ADC1与整流电路1中的第一分压电阻VR1和第二分压电阻VR2的公共端相连。

本实施例通过以下步骤进行工作：

上电时：整流电路1中的三相交流网压施加在不控三相整流桥BR1的三个输入端，在输出端得到6脉动的直流电压。当逆导型开关TR1中绝缘栅双极型晶体管的门极获得高驱动脉冲时，6脉动的直流电压通过功率电阻PR1和第一电解电容E1构成RC充电电路。当逆导型开关TR1中绝缘栅双极型晶体管的门极获得低驱动脉冲时，直流电压不能通过功率电阻PR1为第一电解电容E1充电。鉴于绝缘栅双极型晶体管开关频率足够高，可以认为充电电流幅值决定于此时的直流电压瞬时值、电解电容电压瞬时值和容值大小，一个开关周期内的电流平均值还决定于占空比的大小。

电源电路2中，三相交流网压施加在不控三相整流桥BR2的三个输入端，通过第二电解电容E2稳压储能，为后级开关电源供电。当整流电路1中逆导型开关TR1中绝缘栅双极型晶体管关断时，如果网侧线路上具有滤波电感或分布电感，将产生浪涌电压。产生的浪涌电压将通过整流桥BR2和第二电解电容E2缓冲，过高的电压部分将由后级开关电源消耗，是一种自然的有源钳位方案。

控制电路3中，控制器MCU发出一个适当宽度的脉冲串，通过隔离驱动器DR2，驱动整流电路1中的绝缘栅双极型晶体管1导通和关断，进行第一次RC充电过程(称为预上电)，第一电解电容E1获得一个电压值。接着，通过模数转换ADC1检测整流电路1中的分压电阻VR1与VR2的分压值，判断第一电解电容E1的实际电压。根据实际电压的大小，判断网侧交流电压的大小，作为确定后面上电过程中(称为后上电)，整流电路1中的绝缘栅双极型晶体管1导通和关断规律的依据。后上电过程中，第一电解电容E1电压上升可以按照不同曲线进行，如直线上升和抛物线上升。第一电解电容E1电压上升到拐点电压时，控制器MCU发出一个适当宽度的双窄脉冲串，通过隔离驱动器DR1，驱动整流电路1中的可控硅导通，直到后级变换器启动运行后停止发出双窄脉冲串。只要后级变换器停止运行，就应该发出双窄脉冲串。

本实施例输出三相交流输入线电压为380V，空载输出直流电压538V，额定输出功率5kW，上电时间可调，上电电压曲线可调。第一整流桥BR1的额定电流和额定电压为35A/1200V，第二整流桥BR2的额定电流和额定电压为5A/1200V，功率二极管D1为超快速反向恢复型功率二极管，其额定电流和额定电压25A/1200V，逆导型开关TR1的绝缘栅双极型晶体管的额定电流和额定电压为25A/1200V，可控硅TY1的额定电流和额定电压为50A/1200V，第一电解电容E1为680μF/900V，第一电解电容E1为22μF/900V，分压电阻VR1为220kΩ/2W，分压电阻VR2为1kΩ/0.25W，功率电阻PR1为35～70Ω/50W，隔离驱动器DR2为HCPL314，隔离驱动器DR1采用脉冲变压器，微控制器MCU可以采用常用的或高性能的MCU和DSP。

Claims

1.一种三相整流上电装置，包括：整流电路、电源电路和控制电路，其特征在于：整流电路和电源电路的输入端分别与三相交流电源的三个火线相连，整流电路的输出端与控制电路相连接输出控制电源，整流电路的控制端与控制电路的输出端相连以接收控制信号；

所述的整流电路包括：第一整流桥、功率电阻、功率二极管、逆导型开关、第一电解电容、第一分压电阻、第二分压电阻和可控硅，其中：第一整流桥的三个交流输入端分别与三相交流电源的三个火线相连，第一整流桥的输出直流正极分别与功率电阻的一端、功率二极管的阴极、可控硅的阳极相连，第一整流桥的输出直流负极分别与第一电解电容的负极、第一分压电阻的一端相连，形成输出负极端子，功率电阻的另一端与功率二极管的阳极相连后与逆导型开关的输入端相连，逆导型开关的输出端与可控硅的阴极、第一电解电容的正极、第二分压电阻的一端相连，形成输出正极端子；第一分压电阻的另一端与第二分压电阻的另一端相连后与控制电路相连，可控硅的门极与控制电路相连；

控制电路通过检测第一分压电阻的电压和第二分压电阻的电压，来判断第一电解电容的电压，根据第一电解电容的电压，对逆导型开关进行导通或关断；当控制电路发出开通信号使得逆导型开关导通时，对第一电解电容充电；当控制电路发出关断信号使得逆导型开关关断时，对第一电解电容不充电；

第一电解电容电压上升到拐点电压时，控制电路发出预定宽度的双窄脉冲串，可控硅导通。

2.根据权利要求1所述的三相整流上电装置，其特征是，所述的电源电路包括：第二整流桥、第二电解电容和开关电源，其中：第二整流桥的三个交流输入端分别与三相交流电源的三个火线相连，第二整流桥的输出直流正极与第二电解电容的正极相连，形成正极端子，第二电解电容的正极与开关电源的输入正极相连，第二整流桥的输出直流负极与第二电解电容的负极相连，形成负极端子，并与开关电源的输入负极相连。

3.根据权利要求2所述的三相整流上电装置，其特征是，所述的控制电路包括：隔离驱动电路、微控制器和外围电路，所述隔离驱动电路包括第一隔离驱动器和第二隔离驱动器，其中：第一隔离驱动器的输入端与微控制器的第一脉冲输出端子连接，第一隔离驱动器的输出端与整流电路的可控硅的门极相连，第二隔离驱动器的输入端与微控制器的第二脉冲输出端子连接，第二隔离驱动器的输出端与整流电路的逆导型开关的门极相连，微控制器的第一个模数转换端子与整流电路的第一分压电阻和第二分压电阻的公共端相连。