CN102299644A - 具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，主要由整流电路、升压电路两部分构成。整流电路为三相不控整流电路结构，升压电路为DCDC升压模式，其拓扑选用BOOST升压电路，本发明中的BOOST电路采用三重BOOST错频运行模式。变频器电源装置采用平时旁路，故障时动作的控制方式。即在三相系统电压正常时刻，升压电路中的开关器件不动作，电能经三相系统、整流桥、续流二极管送入变频器；在系统电压跌落到一定程度时，升压电路投入运行，保证电源输出电压维持恒定，即与系统未跌落时电压一致。从而确保变频器的不停机，且变频器输出转速、转矩、功率均不发生变化。

Description

具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置

技术领域

本发明属于电源与变频器技术领域，具体涉及一种具有低电压穿越能力的变频器电源装置，适用于各种包括变频器在内的各种可连接直流电源的负载单元。

背景技术

异步电机拖动变频器广泛应用于工业生产的各个领域，用于调节旋转类负载的转速、转矩和功率。异步电机拖动变频器输入侧连接交流电网，其内部的整流桥将电网的交流电源变换为直流电源，供给变频器逆变部分工作。常规异步电机变频器会对直流母线电压进行监视，当出现直流母线电压过低的情况时，变频器会采取相应的保护动作，闭锁变频器输出，以此保证变频器自身的安全。

当电力系统中发生短路故障时，会触发一定程度的交流电压跌落，这个交流电压跌落，经过整流桥的整流作用，会体现为其内部直流母线电压的跌落，进而触发变频器保护，拖动电机停转。对于某些需要连续运行的关键负载，这种由电网低电压过程造成的停机是不能容忍的，会给生产安全带来很大的危害。因而需要寻求一种新型的变频器装置，能够跨越系统低电压跌落的过程，保证负载的持续、可靠运行。

现有技术中，可通过为变频器增加UPS动力电源或在变频器直流母线处增加直流蓄电池支撑的方法，来解决如上的低电压停机问题。但两种方案中，均引入了蓄电池，蓄电池对温度和运行环境要求高、需定期进行全充、全放操作、电池造价高等问题，制约了这两种方案的广泛推广。

发明内容

为克服现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种变频器低电压穿越电源，用于解决电网交流电源电压发生跌落时，变频器停机、触发保护或工作状态异常等情况。变频器低电压穿越电源可以在系统异常时，为变频器拖动系统稳定的动力电源和控制电源，维持拖动系统的连续、可靠、平稳运行，保护生产安全。

本发明的具体方案如下：

一种具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，该变频器稳压电源装置串接于电网三相交流电源与变频器之间，所述变频器稳压电源装置包括整流电路和升压电路，其特征在于：

所述整流电路由三相不控整流桥与直流母线支撑电容构成，所述三相交流电源连接至所述三相不控整流桥的输入端，三相不控整流桥的输出端两极之间连接所述直流母线支撑电容；

所述升压电路选用电路为BOOST升压电路，包括直流电感、三重BOOST并联支路，和输出储能电容，其中每一并联支路均有一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管串联而成，缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和二极管的阳极相连；

直流电感的一端连接至所述三相不控整流桥输出端经过直流母线支撑电容后的正极性端，所述直流电感的另一端分别连接至每一BOOST并联支路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与二极管的阳极的连接处，所述DCDC升压电路的输出端并联输出储能电容后连接至变频器的直流输入端子；

所述变频器稳压电源装置在电网三相交流电源电压正常时，升压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作于旁路状态，不进行开关控制，电流不流经IGBT，电网三相交流电源经三相不控整流桥、直流电感以及DCDC升压电路中二极管直接输出到变频器；

当电网三相交流电源电压跌落超过预定值时，升压电路中的开关器件工作，升压电路自启动，为变频器提供电能。

交流电输入后，经三相全桥整流电路变换为为直流电。整流桥的输出经三重BOOST错频控制的DC/DC升压模块，变换为更高电压等级，其输出恒定的直流电能供给负载。电网电压正常时，升压电路不启动，电能经三相整流桥、平波电抗器与续流二极管直接输出到负载。

本发明的变频器低电压穿越电源串联于系统三相电源与变频器之间，实现低电压穿越的功能，当电网故障引发系统电压跌落等故障时，本电源装置可以快速响应，为负载提供稳定的直流动力电压，保证变频器及其拖动系统的转速、转矩、功率维持不变。在电网发生故障时，不会影响到敏感负荷，提高了拖动系统的安全可靠性。

附图说明

图1为具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置拓扑结构示意图；

图2为电网电压跌落监控模块子程序流程图；

图3为自动控制模块主程序流程图；

图4为升压自动控制框图；

图5为集成自检系统程序流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

如图1所示为本发明的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置的结构示意图。

实施例1：变频器低电压穿越电源装置由两部分组成：整流电路1、即由二极管模块构成的三相全桥不控整流器；升压电路2，由平波电抗器、IGBT等电力电子开关器件、续流二极管组成的DC/DC BOOST升压模块。

整流电路1采用三相不控整流电路结构，将输入的三相交流电能转换为直流电能，并输出到直流母线支撑电容，该部分采用全波不控整流电路，不控整流桥由二极管模块构成，其将电网输入的交流电能整流转化为直流电，并储存于其直流侧所连接的整流直流电容C1上；

直流升压电路2采用BOOST升压电路拓扑，其主体由缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管和直流电感构成，通过调整IGBT的导通占空比，控制前后端直流电压的变比。直流升压模块可将整流直流电容上的直流电压变换为更高电压等级的直流电压，并储存于其后连接的直流电容C2上。本发明中，为了减小直流输入、输出侧的电流谐波，并减小所选用直流电感的感值，选取了三重BOOST模式，即将三个完全相同的BOOST电路并联于输入、输出端之间，三套电路中IGBT的触发角度互差120°。

该变频器稳压电源装置可提供一路或多路直流稳压动力电源，即该变频器电源输出可同时为多台变频器供电，其连接方式为：装置主功率输出P端连接二极管阳极，二极管阴极连接到变频器的直流输入端子的正极性端。装置主功率输出N端连接另一个二极管阴极，二极管阳极连接到变频器的直流输入端子的负极性端子，其它各台变频器连接方式与上述方式相同。

在实施例1中，具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置可以只包括整流电路1和升压电路2两部分。通过外部的电网电压检测电路检测电网电压的跌落程度，在外部电网电压检测电路检测到电网电压跌落到预定值，通过外部的控制系统控制驱动升压电路2动作，变换为更高电压等级其输出恒定的直流电能供给负载。

实施例2：本申请具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置除了包括实施例1中所述的整流电路1和升压电路2以外，还进一步包括不间断电源(UPS)和变压器，以便提供1路或多路交流控制电源。所述不间断电源UPS输入端连接至电网三相交流电源，其输出端连接至变压器，UPS从电力系统获取能量，对内部蓄电池进行充电，在系统电压跌落时，蓄电池可保证UPS正常的交流输出。变压器可实现将UPS输出的220V交流单相电压变换为110V或380V电压送出。

实施例3：在实施例3中，本申请的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置除了具有实施例1和/或2的部分以外，还可以进一步包括集成在变频器稳压电源装置内部的控制电路3，所述控制控制电路3包括电网电压跌落监控模块、升压电路自动控制模块。还可以进一步包括信号预处理模块，信号预处理模块是将功率电路测得的电压电流信号转化为采样板所能接收的信号，电网电压经过信号预处理电路，经过霍尔电压传感器，通过采样板连接电网电压跌落监控模块，所述电网电压跌落监控模块，采集电网三相电压，通过坐标变换的方法，实时计算电力系统电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压跌落是否小于预定值，作为升压电路的启动判据；

整流电路侧直流母线支撑电容C1的电压Udc1及升压电路侧电容C2电压信号Udc经过信号预处理模块传到升压电路自动控制模块；直流母线电流经霍尔电流传感器，通过信号预处理模块传至升压电路自动控制模块。所述自动控制模块的输出端分别连接至各BOOST并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。升压电路自动控制模块接收到的电压、电流及开关信号后，按照变频器稳压电源装置的控制方法，调用相关控制程序控制各BOOST并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通和关断，实现将跌落后的电压升压至变频器的额定输入范围，保证变频器在电网发生故障，系统电压跌落时，正常工作，升压电路的自启动时间小于100us。。

所述变频器稳压电源装置在电网三相交流电源电压正常时，升压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作于旁路状态，不进行开关控制，电流不流经IGBT，电网三相交流电源经三相不控整流桥、直流电感以及DCDC升压电路中二极管直接输出到变频器。

所述变频器稳压电源装置的控制方法是按如下步骤进行：

电网电压跌落监控模块的控制方法如图2所示，其实时对电网电压进行采样并显示，通过坐标变换和正负序分离，实时计算电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压跌落是否小于预定值，向控制模块发出启动指令，

步骤一：采集电网电压数据；

步骤二：计算有效值，为装置的慢速保护做数据准备；

大部分电网参数如电压、电流等的有效值可以通过简单的算法计算出来，但在很大范围内不能保证精度，这对于高精度的测量和保护是不够的，而且存在谐波测量等复杂的问题，因此通过快速傅里叶变换算法作为采样计算算法。应用傅立叶公式计算有效值按如下方法：

$a_1=\frac{1}{N}\left[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\right]$ $b_1=\frac{1}{N}[x_0+2\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)+x_N]$

有效值： $X=\frac{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}{\sqrt{2}}$ 相角： $a=\mathrm{arctg}\frac{b_1}{a_1}$

其中：N：基波信号1周期采样点数；

x_k：第k次采样值；

x₀：k＝0时的采样值；

x_N：k＝N时的采样值。

步骤三：将采集的电网电压数据进行坐标变换，提取正序分量；

步骤四：判断电压值是否低于预设值；若低于预设值，向自动控制模块发出启动信号；否则返回。

自动控制模块接收到电网电压跌落监控模块发出的启动信号后，启动控制程序。所述自动控制模块的控制方法如图3所示，其步骤如下：

步骤一：采集整流电路侧电容电压Udc1、升压电路侧电容电压信号Udc及直流母线电流Idc数据；

步骤二：对Udc1的采样值进行递推求平均，为判断装置的退出做数据准备。

步骤三：调用bang-bang控制程序，保证若在升压控制中，出现电压超调较大，超过bang-bang限值后，退出升压自动控制模块；否则继续执行步骤三；

步骤四：调用升压控制程序，其控制方法如图4所示；

步骤五：判断是否满足装置退出条件；若满足则退出装置否则返回步骤二；

装置的退出是根据Udc1进行判断的，由于不控整流输出电压Udc1存在一定波动，若退出门限设置不太合适，会导致装置误动作，因此在退出判据中采用Udc1递推求平均后的值；

步骤六：封脉冲，自动控制模块退出。

实施例4：在实施例3的基础上，本申请具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置还可以在所述自动控制模块中集成自检系统。

所述自动控制模块中集成的自检系统，不同于常规意义的开机自检系统，所述自检系统依据设定的时间间隔，比如每天上午10点钟，在电网三相电压正常的条件下，控制每一BOOST并联支路中的缘栅双极型晶体管IGBT进行开关动作，并将变频器稳压电源装置的输出电压抬升至略高于正常整流输出的电压水平，以此判断绝缘栅双极型晶体管IGBT、驱动电路及控制模块是否正常工作，以便及时安排检修，该功能是蓄电池等直流电源都不具备的特性。自检系统的控制方法如图5所示，其执行步骤如下：

步骤一：采集整流电路侧电容电压Udc1、升压电路侧电容电压信号Udc及直流母线电流Idc数据；

步骤二：判断电网电压跌落监控模块是否输出启动信号，若输出启动信号，则延时24小时后，再一次启动自检程序；否则执行步骤三。

步骤三：调用bang-bang控制程序，保证若在升压控制中，出现电压超调较大，超过bang-bang限值后，退出升压自动控制模块；否则继续执行步骤三；

步骤四：调用升压控制程序，其控制方法如图4所示；

步骤五：2秒钟后，判断自检是否通过；若满足1.03＜Udc/Udcref＜1.07，(此时，Udc控制目标为1.05pu)则判断为自检通过；否则自检未通过，用户可查看控制器保护发出的故障信号来进一步进行故障排查和安排检修；

步骤六：返回。

本发明中，BOOST升压部分的IGBT平时处于旁路断开状态，即在三相系统电压正常时侯，BOOST升压环节的IGBT不进行开关动作，电能经三相系统、整流桥、BOOST电路二极管送入直流输出端子。装置中集成了电网电压跌落监控模块，通过坐标变换的方法，实时计算电力系统三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值作为升压电路的启动判据。装置中集成的升压电路自动控制模块，依据电网电压跌落监控模块的实时输出电压值与外部设定的启停门限值，对升压电路进行滞环控制，启停时间反应时间小于100us。启停升压环节，是通过控制IGBT的开关动作，进而启动BOOST电路来实现，BOOST电路可保证装置输出直流电源电压恒定，其电压值与系统电压未跌落时的工作电压一致。装置所连接的变频器系统工作状态不受系统电压跌落的影响，其所连接电机的转速、转矩、功率均维持不变。

以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims (7)

1.一种具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，该变频器稳压电源装置串接于电网三相交流电源与变频器之间，所述变频器稳压电源装置包括整流电路和升压电路，其特征在于：

所述整流电路由三相不控整流桥与直流母线支撑电容构成，所述三相交流电源连接至所述三相不控整流桥的输入端，三相不控整流桥的输出端两极之间连接所述直流母线支撑电容；

所述升压电路选用电路为BOOST升压电路，包括直流电感、三重BOOST并联支路，和输出储能电容，其中每一并联支路均有一绝缘栅双极型晶体管IGBT和一二极管串联而成，缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和二极管的阳极相连；

直流电感的一端连接至所述三相不控整流桥输出端经过直流母线支撑电容后的正极性端，所述直流电感的另一端分别连接至每一BOOST并联支路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与二极管的阳极的连接处，所述DCDC升压电路的输出端并联输出储能电容后连接至变频器的直流输入端子；

所述变频器稳压电源装置在电网三相交流电源电压正常时，升压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作于旁路状态，不进行开关控制，电流不流经IGBT，电网三相交流电源经三相不控整流桥、直流电感以及DCDC升压电路中二极管直接输出到变频器；

当电网三相交流电源电压跌落超过预定值时，升压电路中的开关器件工作，升压电路自启动，为变频器提供电能。

2.根据权利要求1所述的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，其特征在于：所述DCDC升压电路中采用三重BOOST结构，即所述DCDC升压电路由三组BOOST电路并联构成，各组BOOST电路错频工作。

3.根据权利要求1或2所述的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，其特征在于：该变频器稳压电源装置可提供一路或多路直流稳压动力电源。

4.根据权利要求1或2所述的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，其特征在于：所述变频器稳压电源装置还进一步包括不间断电源UPS和变压器，所述不间断电源UPS输入端连接至电网三相交流电源，其输出端连接至变压器，将不间断电源UPS输出的交流电压进行变换，提供一路或多路为220V和/或380V和/或110V交流稳压控制电源。

5.根据权利要求1或2所述的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，其特征在于：所述变频器稳压电源装置内部还集成电网电压跌落监控模块，采集电网三相电压，通过坐标变换的方法，实时计算电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压跌落是否小于预定值，作为升压电路的启动判据。

6.根据权利要求5所述的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，其特征在于：所述变频器稳压电源装置还进一步集成升压电路自动控制模块，该自动控制模块的输入端连接至所述电网电压跌落监控模块的输出端，所述自动控制模块的输出端分别连接至各BOOST并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，对升压电路进行滞环自启动控制，自启动时间小于100us。

7.根据权利要求6所述的具有低电压穿越能力的变频器稳压电源装置，其特征在于：所述变频器稳压电源装置还能够在所述升压电路自动控制模块中进一步集成自检系统，自检系统依据设定的时间间隔，在电网三相电压正常的条件下，控制每一BOOST并联支路中的缘栅双极型晶体管IGBT进行开关动作，并将变频器稳压电源装置的输出电压抬升至略高于正常整流输出的电压水平，以此判断绝缘栅双极型晶体管IGBT及其驱动电路是否可以正常工作。

Images