CN102412733A - 宽范围稳压稳频电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变电源，具体地说是一种宽范围稳压稳频电源，其包括直流母线输出端口和变压器，特征在于包括主电路和控制电路，主电路是由PWM整流电路和逆变电路组成，控制电路包括控制模块、辅助接口模块、输出反馈模块、输入电流检测模块、显示器/按键模块、继电器模块，PWM整流模块、逆变模块、辅助接口模块、输出反馈模块、输入电流检测模块、显示器/按键模块和继电器模块，分别通过多芯屏蔽电缆连接到控制模块，本发明由于采用上述结构，使轮胎吊在轻载时，柴油发电机组怠速运行；在大负载下，柴油发电机组在额定转速运行，则一台轮胎吊同样完成一天的工作，可节省燃油50%，并减小排放和污染。

Description

宽范围稳压稳频电源

技术领域

本发明涉及一种逆变电源，具体地说是一种用于港口集装箱码头的大型轮胎吊上的宽范围稳压稳频电源。

背景技术

集装箱码头用的大型轮胎吊是由柴油发电机组11提供动力电源（如图1所示），供起吊电机12、行走电机13、控制系统14、空调设备15、照明设备16及其他辅助装置17用电，机组的功率一般在200～500kW，设备每天工作8至14个小时，这期间轮胎吊的用电状况是多数为轻负载状态（控制系统14、空调设备15、照明设备16等辅助装置17用电），短时满负载运行（吊集装箱），而柴油发电机组11一直在额定转速下运行，其耗油量很大，为此造成了很大的燃料浪费，并且也增大了环境污染。

如果能够使轮胎吊在轻载时，柴油发电机组怠速运行；在大负载下，柴油发电机组在额定转速运行，则一台轮胎吊同样完成一天的工作，可节省燃油50%。

轮胎吊的柴油发电机组在额定转速运行时输出电压480V（三相三线）、频率50/60Hz，供控制系统、空调、照明等辅助装置的用电通过挂在直流母线上的变压器变为220/380V（三相四线）。柴油发电机组在怠速运行时，转速和电压都很低而且不稳定（发电机组输出电压低于300V、频率低于30Hz），无法满足用电设备的使用要求。

因此，需要一种稳压稳频电源，在柴油发电机组的各种工况下都能给轮胎吊的控制系统、空调、照明等辅助装置提供220/380V、50/60Hz电源，电源容量40kVA。

经检索，CN201614238U网上公开了一种节能轮胎吊电压自动调整装置的发明专利，其包括市电交流电网输入端口、供起重机各机构变频器机辅助设备变频器用直流母线输出端口、主回路、控制回路、辅助电源模块，所述主回路右平波单元、电源转换开关、主电源整流/逆变单元组成，所述控制回路由采样电路、控制模块及显示报警组成，当轮胎吊所吊货物下降，主起升变频器处于发电状态时，其可将主起升变频器发出的电能逆变成交流电，回馈回电网，或供自身或供其他轮胎吊使用，其不足是：其稳压稳频范围有限，只能在电压变化范围100V、频率变化范围10 Hz的情况下可靠工作。轮胎吊在吊装集装箱时由于电动机负载突变，发电机组的会有很严重的电压冲击和跌落，一般的电源很难适应这种恶劣的条件，通常会造成轮胎吊上的计算机系统断电复位，灯光也会闪变，甚至损坏灯光设备。

另外，产品的控制电路大多数采用的是模拟电路或半模拟半数字电路，控制精度差，稳定性及可靠性差，不能适应在港口高温高湿的恶劣条件下的使用需要。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种控制精度高、稳压稳频稳定性高、能在恶劣环境下使用的宽范围稳压稳频电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种宽范围稳压稳频电源，包括直流母线输出端口和变压器，其特征在于包括主电路和控制电路，其中：

主电路是由PWM整流电路和逆变电路组成，PWM升压整流电路是由储能电感、IGBT模块和直流滤波电容组成的PWM整流模块，采用AC-DC三相PWM整流器拓扑结构，使输入电压220～480VAC、输入频率25～60 Hz范围内，整流输出稳定的750V直流电压，逆变电路是由IGBT模块和LC滤波器组成的逆变模块，采用DC-AC三相三桥臂逆变器拓扑结构，将750V直流电压转换为脉冲宽度可调、基波频率为60Hz的三相交流电源，经LC滤波器后，输出总谐波含量小于5%的50/60Hz 220／380三相电源，为保证输入和输出之间的电隔离，减小相互影响，由变压器使输出电压适应各种电压等级，

控制电路包括控制模块、辅助接口模块、输出反馈模块、输入电流检测模块、显示器/按键模块、继电器模块，控制模块是由数字信号处理器（DSP）组成，将模拟量转化成数字量进行处理，使得系统控制更稳定、精确，同时，DSP完成对内部和外部状态的调控、监测和诊断，具有完善的保护功能和故障自诊断功能，系统接通电源后，处于正常运行状态下，数字信号处理器模块运行自检程序，检查所有内部功能，辅助接口模块完成三相输入电压和直流电压的信号采样，由控制接口分别控制电源的输出接触器、软启动控制和散热风机运行，输入电流检测模块完成三相输入电流的信号采样，并检测输入短路电流，输出反馈模块完成三相输出电流的信号采样以及经输出电压检测模块完成电压的信号采样，并检测输入短路电流，输出反馈模块完成三相输出电流和电压的信号采样，并检测输入短路电流，显示器/按键模块完成电源的参数设置、运行参数显示和运行状态，

PWM整流模块、逆变模块、辅助接口模块、输出反馈模块、输入电流检测模块、电源模块、显示器/按键模块和继电器模块，分别通过多芯屏蔽电缆连接到控制模块，以达到在控制模块与功率部件之间进行电隔离、参数采样变换、驱动控制和过流保护的作用。

本发明中的PWM整流器可采用直流功率控制策略，以实现电网侧单位功率因数的运行，输入端的PWM整流器可以保证该电源在输入电压大范围波动情况下工作，并且实现输入功率因数近似为1，抑制谐波污染，由于宽范围稳压稳频电源的输入电压变化范围很大（220V~480V），瞬时输入电压甚至可以达到530V，因此要求电源前端PWM整流器具有很高的电压利用率。

本发明中的电源模块控制系统采用SV-PWM（空间矢量脉宽调制）技术，使电源具有极好的动态特性和低畸变，并且算法简单便于实现数字化、直流电压利用率高、开关损耗低。

本发明中的直流母线是由交错铜排和绝缘层构成的迭层母线结构，正、负极处于绝缘层的两面，直流母线经铜排和逆变单元相连接，这种结构起到了吸收电容的作用，减小了功率回路中的寄生电感，保证IGBT可靠工作。

本发明中的变压器可使输入和输出之间电隔离，减小相互影响，使输出电压适应用户要求的各种电压等级（三相四线）。

本发明由于采用上述结构，使轮胎吊在轻载时，柴油发电机组怠速运行；在大负载下，柴油发电机组在额定转速运行，则一台轮胎吊同样完成一天的工作，可节省燃油50%，并减小排放和污染。

附图说明  

图1是现有技术的供电系统及负载配置示意图。

图2是本发明的供电系统及负载配置示意图。

图3是本发明的主电路拓扑图。

图4是本发明的电路原理框图。

附图标记：控制模块1、辅助接口模块2、输出反馈模块3、输入电流检测模块4、显示器/按键模块5、继电器模块6 、PWM整流电路7、逆变电路8、滤波器9、变压器10、柴油发电机组11、起吊电机12、行走电机13、控制系统14、空调设备15、照明设备16、辅助装置17、直流母线18、主电路19、控制电路20、电源模块21、操作面板22、输出电压检测模块23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

一种宽范围稳压稳频电源，包括直流母线18输出端口和变压器，其特征在于包括主电路19和控制电路20，其中：

主电路是由PWM整流电路7和逆变电路8组成，PWM升压整流电路7是由储能电感、IGBT模块和直流滤波电容组成的PWM整流模块7，采用AC-DC三相PWM整流器拓扑结构，使输入电压220～480VAC、输入频率25～60 Hz范围内，整流输出稳定的750V直流电压，逆变电路8是由IGBT模块和LC滤波器组成的逆变模块，采用DC-AC三相三桥臂逆变器拓扑结构，将750V直流电压转换为脉冲宽度可调、基波频率为60Hz的三相交流电源，经LC滤波器9后，输出总谐波含量小于5%的50/60Hz 220／380三相电源，为保证输入和输出之间的电隔离，减小相互影响，由变压器10使输出电压适应各种电压等级，

控制电路包括控制模块1、辅助接口模块2、输出反馈模块3、输入电流检测模块4、显示器/按键模块5、继电器模块6，控制模块1是由数字信号处理器（DSP）组成，将模拟量转化成数字量进行处理，使得系统控制更稳定、精确，同时，DSP完成对内部和外部状态的调控、监测和诊断，具有完善的保护功能和故障自诊断功能，系统接通电源后，处于正常运行状态下，数字信号处理器模块运行自检程序，检查所有内部功能，辅助接口模块2完成三相输入电压和直流电压的信号采样，由控制接口分别控制电源模块21的输出接触器、软启动控制和散热风机运行，输入电流检测模块4完成三相输入电流的信号采样，并检测输入短路电流，输出反馈模块3完成三相输出电流的信号采样和经输出电压检测模块23完成电压的信号采样，并检测输入短路电流，显示器/按键模块5完成电源的参数设置、运行参数显示和运行状态，

PWM整流模块7、逆变模块8、辅助接口模块2、输出反馈模块3、输入电流检测模块4、电源模块21、显示器/按键模块5和继电器模块6分别通过多芯屏蔽电缆连接到控制模块1，以达到在控制模块1与功率部件之间进行电隔离、参数采样变换、驱动控制和过流保护的作用。

本发明中的PWM整流器7可采用直流功率控制策略，以实现电网侧单位功率因数的运行，输入端的PWM整流器7可以保证该电源在输入电压大范围波动情况下工作，并且实现输入功率因数近似为1，抑制谐波污染，由于宽范围稳压稳频电源的输入电压变化范围很大（220V~480V），瞬时输入电压甚至可以达到530V，因此要求电源前端PWM整流器具有很高的电压利用率。

本发明中的电源模块21控制系统采用SV-PWM（空间矢量脉宽调制）技术，使电源具有极好的动态特性和低畸变，并且算法简单便于实现数字化、直流电压利用率高、开关损耗低。

本发明中的直流母线是由交错铜排和绝缘层构成的迭层母线结构，正、负极处于绝缘层的两面，直流母线经铜排和逆变单元相连接，这种结构起到了吸收电容的作用，减小了功率回路中的寄生电感，保证IGBT可靠工作。

本发明中的变压器10可使输入和输出之间电隔离，减小相互影响，使输出电压适应用户要求的各种电压等级（三相四线）。

本发明中电源的主电路拓扑结构如图2，三个输入储能电感（L1-L3）、三个两单元的IGBT模块（M1-M3）和直流滤波电容（C1）组成三相全桥PWM升压整流电路，使输入电压220～480VAC、输入频率25～60 Hz范围内，整流输出稳定的750V直流电压，直流母线采用叠片式铜排直接和逆变单元8连接，该母线结构采用交错铜排和绝缘层构成迭层母线结构，正、负极处于绝缘层的两面，这种结构起到了吸收电容的作用，减小了功率回路中的寄生电感，保证IGBT可靠工作；三个两单元的IGBT模块（M4-M6）和LC滤波器（L3-L6、C2-C4）组成三相全桥逆变电路8，将750V直流电压转换为 50/60Hz  380V三相电源，变压器（T1）使输入和输出之间电隔离，减小相互影响，使输出电压适应用户要求的各种电压等级（三相四线）（如：输出2组50Hz/60Hz  220／380V和110／190V三相工频电源）。

电源的电路原理框图见图3，三相交流（220～480VAC  25～60Hz）电源通过熔断器、输入滤波器、软起动开关输入到电源PWM整流模块7，输入滤波器保护电源不受输入电源瞬态变化影响。PWM整流模块7在各种输入状态下进行AC-DC变换，输出稳定的750V直流电压，PWM整流7可使输入侧的电流为正弦，功率因数接近1，可抑制谐波污染，经过滤波9后的直流电源供给逆变器10，DC-AC逆变模块输出脉冲宽度可调、基波频率为50Hz/60Hz的三相交流电源，经输出滤波器9和输出变压器10，输出2组50Hz/60Hz  220／380V和110／190V三相工频电源（三相四线），PWM整流模块7和逆变模块8使用IGBT功率器件，电源控制系统采用SV-PWM（空间矢量脉宽调制）技术，使电源具有极好的动态特性和低畸变，并且算法简单便于实现数字化、直流电压利用率高、开关损耗低。

控制模块1经操作面板22控制，通过操作面板22操作系统接通电源后，三相交流（220～480V、 25～60Hz ）电源通过熔断器、输入滤波器、软起动开关输入到电源PWM整流模块7，处于正常运行状态下，处理器模块运行自检程序，检查轮胎吊用电的所有内部功能，根据轮胎吊的运行状况调控稳压稳频电源，

轮胎吊的运行状况有以下情况：

轮胎吊在轻载时，柴油发电机组11怠速运行，发电机组11输出电压低于300V、频率低于30Hz；

当轮胎吊在负载时，柴油发电机组11高速运行，发电机组11输出电压480V、频率低于50/60Hz；

当轮胎吊在怠速和高速转换，发电机组11输出电压在220～480V，频率在25～60Hz之间变化，时间约3~10秒。

以上的运行状况下，输入到稳压稳频电源的三相交流电的电压和频率范围变化很大，控制电路通过控制PWM整流7，使PWM整流模块7输出的直流电压都能稳定在750V，该直流电源经过滤波后供给逆变器8，DC-AC逆变模块8输出脉冲宽度可调、基波频率为50Hz/60Hz的三相交流电源，经输出滤波器9和输出变压器10，输出2组50Hz/60Hz  220／380V和110／190V三相工频电源（三相四线）。

本发明由于采用上述结构，使柴油发电机组在各种工况下都能给轮胎吊的控制系统、空调、照明等辅助装置提供稳定的电源，一台轮胎吊同样完成一天的工作，与现有技术相比，可节省燃油50%，减小了排放和污染。

Claims (5)

1.一种宽范围稳压稳频电源，包括直流母线输出端口和变压器，其特征在于包括主电路和控制电路，其中：

主电路是由PWM整流电路和逆变电路组成，PWM升压整流电路是由储能电感、IGBT模块和直流滤波电容组成的PWM整流模块，采用AC-DC三相PWM整流器拓扑结构，使输入电压220～480VAC、输入频率25～60 Hz范围内，整流输出稳定的750V直流电压，逆变电路是由IGBT模块和LC滤波器组成的逆变模块，采用DC-AC三相三桥臂逆变器拓扑结构，将750V直流电压转换为脉冲宽度可调、基波频率为60Hz的三相交流电源，经LC滤波器后，输出总谐波含量小于5%的50/60Hz 220／380三相电源，

控制电路包括控制模块、辅助接口模块、输出反馈模块、输入电流检测模块、显示器/按键模块、继电器模块，控制模块是由数字信号处理器（DSP）组成，辅助接口模块完成三相输入电压和直流电压的信号采样，由控制接口分别控制电源的输出接触器、软启动控制和散热风机运行，输入电流检测模块完成三相输入电流的信号采样，并检测输入短路电流，输出反馈模块完成三相输出电流的信号采样以及经输出电压检测模块完成电压的信号采样，并检测输入短路电流，输出反馈模块完成三相输出电流和电压的信号采样，并检测输入短路电流，显示器/按键模块完成电源的参数设置、运行参数显示和运行状态，

PWM整流模块、逆变模块、辅助接口模块、输出反馈模块、输入电流检测模块、电源模块、显示器/按键模块和继电器模块，分别通过多芯屏蔽电缆连接到控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种一种宽范围稳压稳频电源，其特征在于PWM整流器采用直流功率控制策略。

3.根据权利要求1所述的一种宽范围稳压稳频电源，其特征在于电源模块控制系统采用SV-PWM（空间矢量脉宽调制）技术。

4.根据权利要求1所述的一种宽范围稳压稳频电源，其特征在于直流母线是由交错铜排和绝缘层构成的迭层母线结构，正、负极处于绝缘层的两面，直流母线经铜排和逆变单元相连接。

5.根据权利要求1所述的一种宽范围稳压稳频电源，其特征在于变压器可使输入和输出之间电隔离。

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