CN101860226A - 一种用于高压变频器的锁相投切式预充电电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高压变频器的锁相投切式预充电电路，其特征在于，包括：辅助绕组、交流逆变设备、低压电源和电压检测电路；所述辅助绕组设置在整流变压器的副边侧，与该原边绕组相对应；所述交流逆变设备串联在辅助绕组和低压电源之间；该交流逆变设备的输入端与低压电源相连，其输出端与辅助绕组相连；电压检测电路用以检测高压电网电压的频率和相位信息，进而控制交流逆变设备输出。通过用交流逆变设备对变压器进行励磁，并通过电压检测电路对其输出进行控制，避免了变压器激磁电流对预充电的影响，最大限度地降低了电路损耗，提高了系统效率，降低了系统成本，降低了上电过程对电网和功率单元的冲击。

Description

一种用于高压变频器的锁相投切式预充电电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于高压变频器的锁相投切式预充电电路及其控制方法，特别是一种通过交流逆变设备产生激磁电流对变压器进行励磁，并通过电压检测电路对交流逆变设备的输出进行控制，从而避免了激磁电流在限流电阻上消耗较大功率，同时避免了冲击电流对电网造成影响的预充电电路，属于高压变频器技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用，特别是，高压大功率变频器的应用日渐广泛。

在高压变频器中，由功率单元(又称功率模块、变流单元，如图2所示)串联构成的高压大功率变频器(如图1所示)作为适合中国国情、性能优异的变频器，受到众多变频器生产厂商、科研院所、工程技术人员、用户的青睐。

高压大功率变频器有多种拓扑结构，篇幅所限，本说明书仅针对在市场上应用最为广泛的单元串联多电平型高压变频器进行叙述。本专利所述技术应用于其他拓扑结构的高压变频器时，其工作原理、拓扑结构、控制方法与本说明书的叙述完全相同。

这种高压变频器结构已经在中国发明专利ZL97100477.3中公开。该高压变频器在电网侧有一个整流变压器，此整流变压器有多个副边绕组，为了抑制对电网的谐波，这些副边绕组常常采用曲折绕法，达到移相的效果，分别给各个串联的功率单元供电。每个功率单元为3相输入、单相输出的电压源型变频器。

在电路原理上，此整流变压器起到了隔离的作用，使各功率单元相互之间在输入侧隔离，这样，由于功率单元的逆变桥在输出侧相互串联，功率单元的整体电位(电势)就会逐级提高。

通常，此整流变压器有一个辅助绕组，为变频器的冷却风机供电。

目前，高压变频器在高压上电时，通常采用直接冲击的方法，即直接闭合为其供电的高压断路器。用这种方法在高压上电时，会对高压电网产生7至10倍于额定电流的冲击电流，影响电网的安全、稳定运行。同时，会对功率单元内的直流电容和整流器件产生很大的冲击电流，影响其使用寿命。

一种解决方法是在变频器的高压输入侧安装激磁涌流抑制电路。该电路由限流电阻和与之并联的高压开关(高压真空断路器或者高压真空接触器)组成。该电路串联在高压电源与高压变频器的输入端之间。在高压上电前，高压开关处于断开状态，通过限流电阻对高压变频器进行充电，充电完成后，闭合高压开关，充电过程结束。由于该电路属于高压电路，所用的器件为高压器件，所以成本远高于本专利所述电路，体积也远大于本专利所述电路。

另一种解决方法是通过低压电源和限流电阻向整流变压器的辅助绕组供电，通过变压器在副边绕组上产生感应电压，对功率单元的直流电容进行充电。随着充电过程的进行，逐渐用接触器旁路掉部分限流电阻，充电完成后，断开充电电路，闭合高压断路器。这种方法虽然能够实现用低压电源对变频器的充电，但是存在着一些问题：第一，由于整流变压器整机的额定容量远大于其辅助绕组的额定容量，因此通过辅助绕组激磁时，稳态激磁电流非常大，过大的激磁电流会在限流电阻上产生过大的电压降，如果选择较少的接触器，每次旁路的电阻阻值较大，则每次旁路突加在辅助绕组上的电压较高，从而每次用接触器旁路电阻时会对低压电源产生很大的冲击电流，同时也对功率单元中的直流电容有一定的冲击，如果选择较多的接触器，则成本较高；第二，如果为了节省成本，省去最后一级接触器，在断开充电电路前未旁路所有限流电阻，则考虑到电阻上的电压降，预充电是不充分的，在高压上电时仍会有冲击电流；第三，由于过大的激磁电流使电阻严重发热，因而此电路需要采用大功率电阻，体积大，成本高，效率低。

发明内容

本发明的发明目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种通过交流逆变设备产生激磁电流对变压器进行励磁，并通过电压检测电路对交流逆变设备的输出进行控制的预充电电路及其控制方法，避免了变压器激磁电流对预充电的影响，最大限度地降低了电路损耗，提高了系统效率，降低了系统成本，降低了上电过程对电网和功率单元的冲击。

本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种用于高压变频器的锁相投切式预充电电路，其特征在于，包括：辅助绕组、交流逆变设备、低压电源和电压检测电路；

所述辅助绕组设置在整流变压器的副边侧，与该原边绕组相对应；所述交流逆变设备串联在辅助绕组和低压电源之间；该交流逆变设备的输入端与低压电源相连，其输出端与辅助绕组相连；

所述电压检测电路用于检测高压电网或低压电网的电压频率和相位，并将所检测到的电压频率和相位信息放送给交流逆变设备，用以控制交流逆变设备输出电压的频率和相位。

所述低压电源采用单相交流电电源、三相交流电电源或直流电源。

所述交流逆变设备采用交直交型低压逆变器或直流转交流逆变器。

所述电压检测电路对引自高压电网电压互感器的信号进行测量，并将测量得到高压电网电压的频率和相位信息放送给交流逆变设备。

所述电压检测电路对引自低压低压电源的电压进行测量，根据预设的高、低压电网间相位差计算出高压电网电压的频率和相位，并将计算得到高压电网电压的频率和相位信息放送给交流逆变设备。

所述电压检测电路是对电压进行过零点检测的物理电路或对电网电压进行取样的模数转换电路。

在所述交流逆变设备的输出端与辅助绕组之间还可设置有滤波器。

所述滤波器采用LC滤波器或者RC滤波器。

在所述交流逆变设备的输入侧和/或输出侧安装有接触器。

一种用于高压变频器的锁相投切式预充电控制方法，包括如下步骤：

(1)高压变频器在准备高压上电前，所述交流逆变设备处于封锁状态；

(2)当高压变频器准备高压上电时，启动该交流逆变设备，设置起始状态下其输出电压为0；

(3)逐步提高交流逆变设备的输出电压的幅值；

(4)当该交流逆变设备的输出电压到达预设值后，交流逆变设备根据电压检测电路发来的控制信号调整其输出电压的频率和相位，使之和高压电网电压的频率和相位保持一致；

(5)闭合为高压变频器提供高压电源的高压断路器，使高压变频器接入高压电源；

(6)当检测到高压断路器闭合后，封锁该交流逆变设备，完成高压变频器高压上电过程。

本发明的有益效果是：该充电电路通过用交流逆变设备替代现有的限流电阻产生激磁电流对变压器进行励磁，并且通过电压检测电路对交流逆变设备的输出进行控制，避免了变压器激磁电流对预充电的影响，最大限度地降低了电路损耗，提高了系统效率，降低了系统成本，降低了上电过程对电网和功率单元的冲击。

附图说明

图1为单元串联多电平高压变频器的结构；

图2为典型的功率单元结构；

图3为用于高压变频器的锁相投切式预充电电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图3是用于高压变频器的锁相投切式预充电电路的电路图。如图所示，高压变频器的整流变压器1包括有原边绕组2和副边绕组3。所述用于高压变频器的谐振式预充电电路设置在整流变压器1的副边侧，包括：辅助绕组4、交流逆变设备6、低压电源8和电压检测电路9。

所述辅助绕组4设置在整流变压器的副边侧，与该原边绕组2相对应。所述交流逆变设备6串联在辅助绕组4和低压电源8之间。该交流逆变设备6的输入端与低压电源8相连，其输出端与辅助绕组4相连。所述电压检测电路9用于检测高压电网或低压电网的电压频率和相位，并将所检测到的电压频率和相位信息放送给交流逆变设备6，用以控制交流逆变设备6输出电压的频率和相位。

如上述结构的锁相投切式预充电电路相较于现有高压变频器的预充电电路其主要特点是：一方面，通过交流逆变设备替代现有预充电电路中的限流电阻的作用，使得低压电源对高压变频器的充电过程通过交流逆变设备进行调压控制。所谓交流逆变设备一般为交直交型低压变频器或者直流变交流的逆变器，能够主动地控制其输出电压的幅值和频率。在充电过程中，可以通过主动提升输出电压来实现对变压器的柔性激磁和对功率单元内直流电容的缓慢充电。与现有的电阻限流充电技术相比，其充电过程可控性更强、更柔和，由于电力电子器件的损耗远远小于现有技术电阻的损耗，因此充电过程功率消耗和发热更小，效率更高。另一方面，通过设置电压检测电路对交流逆变设备输出电压进行控制，使其输出电压的频率和相位与高压电网电压的频率和相位相一致。从而减小高压合闸时交流逆变设备过电流和冲击电流对电网造成的影响。

由于在本发明所设计的预充电电路中是采用交流逆变设备来产生激磁电流对变压器进行励磁。而交流逆变设备本身是可以根据控制产生相应电压和频率的交流电的。因此，基于该预充电电路的低压电源8可以不限于是三相交流电电源，其可以是单相交流电电源、三相交流电电源或直流电源。相应的，对于采用交流电源作为低压电源的，其交流逆变设备应采用交直交型低压逆变器。而对于采用直流电源作为低压电源的，其交流逆变设备应采用直流转交流逆变器。

而通过所述电压检测电路9对高压电网电压进行检测通常有直接或间接两种检测方式。直接检测方式是该电压检测电路直接对引自高压电网电压互感器的信号进行测量，从而测量得到高压电网电压的频率和相位。间接检测方式是该电压检测电路对引自低压低压电源的电压进行测量，并且能够根据预设的高、低压电网间相位差计算出高压电网电压的频率和相位。在实际应用中，这两种检测方式均应在本发明的保护范围之内。

并且，电压检测电路9既可以是对电压进行过零点检测的物理电路，也可以是对电网电压进行取样的模数转换电路。这两种电路均能实现对电压信号频率和相位信息的检测。

另外，根据需要，在所述交流逆变设备6的输出端与辅助绕组4之间还可设置有滤波器5，用以降低交流逆变设备6输出电压的谐波并补偿一定的充电所需无功功率。该滤波器5可以采用LC滤波器或者RC滤波器。

除此之外，有时为了避免在高压上电后交流逆变设备长期带电，或者避免高压电源与低压电源在主变压器以外的地方耦合，可在交流逆变设备的输入侧和/或输出侧安装接触器，使交流逆变设备在非预充电状态下与低压电源/整流变压器进行电气隔离。

该交流逆变设备6容量选用原则为其额定输出电流不低于整流变压器依赖辅助绕组4进行激磁时的激磁电流，一般选为该值的2至3倍，以防止交流逆变设备6在对高压变频器充电时发生过载。

基于上述设计的用于高压变频器的锁相投切式预充电电路，其充电过程控制方法具体包括如下步骤：

(1)高压变频器在准备高压上电前，所述交流逆变设备处于封锁状态；

此时，由于交流逆变设备处于封锁状态，低压电源不向高压变频器充电。

(2)当高压变频器准备高压上电时，启动该交流逆变设备，设置起始状态下其输出电压为0；

(3)逐步提高交流逆变设备的输出电压的幅值；

随着交流逆变设备输出电压幅值的提高，其输出电压的频率可以随幅值提高，也可不变，但一般不超过变压器的额定频率，其输出电压幅值与频率之比一般不高于变压器辅助绕组的额定参数。

(4)当该交流逆变设备的输出电压到达预设值后，交流逆变设备根据电压检测电路发来的控制信号调整其输出电压的频率和相位，使之和高压电网电压的频率和相位保持一致；

(5)闭合为高压变频器提供高压电源的高压断路器，使高压变频器接入高压电源；

(6)当检测到高压断路器闭合后，封锁该交流逆变设备，完成高压变频器高压上电过程。

综上所述，本发明所设计的用于高压变频器的锁相投切式预充电电路及其控制方法是通过交流逆变设备产生激磁电流对变压器进行励磁，并通过电压检测电路对交流逆变设备的输出进行控制的预充电电路及其控制方法，避免了变压器激磁电流对预充电的影响，最大限度地降低了电路损耗，提高了系统效率，降低了系统成本，降低了上电过程对电网和功率单元的冲击。本领域一般技术人员基于上述设计思想所做的任何不具有创造性的改造，均应视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高压变频器的锁相投切式预充电电路，其特征在于，包括：辅助绕组、交流逆变设备、低压电源和电压检测电路；

所述辅助绕组设置在整流变压器的副边侧，与该原边绕组相对应；所述交流逆变设备串联在辅助绕组和低压电源之间；该交流逆变设备的输入端与低压电源相连，其输出端与辅助绕组相连；

所述电压检测电路用于检测高压电网或低压电网的电压频率和相位，并将所检测到的电压频率和相位信息放送给交流逆变设备，用以控制交流逆变设备输出电压的频率和相位。

2.如权利要求1所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：所述低压电源采用单相交流电电源、三相交流电电源或直流电源。

3.如权利要求1所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：所述交流逆变设备采用交直交型低压逆变器或直流转交流逆变器。

4.如权利要求1所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：所述电压检测电路对引自高压电网电压互感器的信号进行测量，并将测量得到高压电网电压的频率和相位信息放送给交流逆变设备。

5.如权利要求1所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：所述电压检测电路对引自低压电源的电压进行测量，根据预设的高、低压电网间相位差计算出高压电网电压的频率和相位，并将计算得到高压电网电压的频率和相位信息放送给交流逆变设备。

6.如权利要求1所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：所述电压检测电路是对电压进行过零点检测的物理电路或对电网电压进行取样的模数转换电路。

7.如权利要求1所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：在所述交流逆变设备的输出端与辅助绕组之间还可设置有滤波器。

8.如权利要求7所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：所述滤波器采用LC滤波器或者RC滤波器。

9.如权利要求1所述的锁相投切式预充电电路，其特征在于：在所述交流逆变设备的输入侧和/或输出侧安装有接触器。

10.一种用于高压变频器的锁相投切式预充电控制方法，基于权利要求1至9任一所述的预充电电路实现，其特征在于，包括如下步骤：

(1)高压变频器在准备高压上电前，所述交流逆变设备处于封锁状态；

(2)当高压变频器准备高压上电时，启动该交流逆变设备，设置起始状态下其输出电压为0；

(3)逐步提高交流逆变设备的输出电压的幅值；

(4)当该交流逆变设备的输出电压到达预设值后，交流逆变设备根据电压检测电路发来的控制信号调整其输出电压的频率和相位，使之和高压电网电压的频率和相位保持一致；

(5)闭合为高压变频器提供高压电源的高压断路器，使高压变频器接入高压电源；

(6)当检测到高压断路器闭合后，封锁该交流逆变设备，完成高压变频器高压上电过程。

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