CN102510229A - 具有电能质量分级管理功能的模块化电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大功率车载电源技术领域，具体地说是一种具有电能质量分级管理功能的模块化电源，设有发电机输出的三相电源和主电路，其特征在于主电路上设有源滤波模块、无功补偿模块、变频逆变输出模块、功率驱动模块、AD采样模块和电源控制器，有源滤波模块和无功补偿模块并联在直流母线上，直流母线上设有变频逆变输出模块，电源控制器经AD采样模块和功率驱动模块控制有源滤波模块、无功补偿模块和变频逆变输出模块的输入输出，由于采用了一种直流母线并联式的模块化电源，集有源滤波、无功补偿、变频逆变功能于一体，极大的减轻了车载电源系统的重量与体积，具有结构新颖、电压稳定、重量轻、体积小、设备成本低等优点。

Description

具有电能质量分级管理功能的模块化电源

技术领域

 本发明涉及大功率车载电源技术领域，具体地说是一种适用于移动式需要车载柴油机提供大功率电源的场合，尤其适用于军用车载大功率电气设备、港口移动吊装机械设备等对于车载电源的重量与体积有严格要求的具有电能质量分级管理功能的模块化电源。

背景技术

目前，许多军用特种车辆与港口吊装机械由于其功能的日益复杂化，需要配备车载大功率电源。

电源来源有两种，车载蓄电池与车载发动机取力发电，车载蓄电池优势在于电压稳定，劣势在于储电量受限制，且重量与体积对于车载系统来说均是非常重的负担。因此，此类场合一般采用车载发动机取力发电的模式，即车载发动机转动的同时带动发电机发电，将汽油或柴油中的能量转化成电能。

在实际应用中，车载设备用电也分两种等级，测量仪表及计算机之类负载对电压稳态精度及瞬间恢复特性要求比较高，这种电压可简称之为精电。各种车载电动机等阻感性负载及空调等整流性负载设备，对电压稳态及瞬态指标要求不高，这种电压可简称之为粗电。

一般车载电气系统设计时，如图1所示，仅为车载精电负载3提供独立的稳压电源，但是当车载发电机1突加粗电负载2时，尤其阻感性负载的突加，输出电压无可避免地出现相应的波动，这种大范围波动的电压不能满足所有车载设备要求的。同时，这种阻感性负载要求发电机大量的无功功率输出，因此发电机的容量必须相应地增加，以致增加了发电机的重量与体积。

传统上对于此类发电机产生的电压一般在主电路中串联大功率AC/AC稳压电源5来产生所需要的幅值与频率稳定的电源，如图2所示，这类稳压电源通过相应的整流环节51可以使输入端的功率因数接近于1,可以减小发电机的容量。 

此种方法的不足之处在于：稳压电源5存在整流51与逆变52两个环节之间，稳压电源5的容量必须大于车载粗电负荷2与车载精电负荷3之和，这样大容量的稳压电源必然会引起的车辆整体重量与体积增加，抵消了发电机容量降低而带来的重量节省，这是一个无法解决的矛盾之处。

电源的体积与重量的超标，会影响车辆的速度灵活度以及油耗，最后必然极大增加设备的成本。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、电压稳定、重量轻、体积小、设备成本低的具有电能质量分级管理功能的模块化电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有电能质量分级管理功能的模块化电源，设有发电机输出的三相电源和主电路，其特征在于主电路上设有源滤波模块、无功补偿模块、变频逆变输出模块、功率驱动模块、AD采样模块和电源控制器，有源滤波模块具有有源滤波器的功能，对车载发电机供电进行波形质量改造，发出相应频率的谐波电流，对粗电通过相应谐波补偿的方式来消除其谐波成分，以消除接入点的电压畸变，无功补偿模块具有无功补偿功能，可以准确实时地对阻感性负载所需要的无功进行补偿，可以有效地抑制车载发电机的无功电流，有源滤波模块与无功补偿模块可以根据工况来选择是否工作在相应模式，向直流母线提供能量，以保持直流母线电压的稳定，有源滤波模块和无功补偿模块并联在直流母线上，以代替传统的大功率AC/AC稳压电源，通过无功补偿，有效的减小了车载电源的容量，直流母线上设有变频逆变输出模块，变频逆变输出模块作为变频逆变输出单元，从直流母线取电，产生外部电路所需要的可靠的特定频率与幅值的电压，对直流母线的电压进行逆变输出，转化成幅值与频率稳定的精电供给，以利于用共享直流母线的变频逆变输出单元来代替精电电源，节省了精电电源中的整流环节，极大降低了车载电源的体积和重量，电源控制器输入端经AD采样模块分别与发电机输出的三相电源和直流母线电压相连，电源控制器输出端一路经功率驱动模块控制有源滤波模块的输出，一路经功率驱动模块控制无功补偿模块输出粗电负载，另一路经功率驱动模块控制变频逆变输出模块的输出，使之输出频率幅值稳定的静电负载，使电源控制器负责总体的管理功能，集成多路输入输出到控制器中，以利于对每一个模块根据其功能进行模拟量采样与功率模块驱动输出。

本发明中的电源控制器可采用内核为DSP的电源控制器，以利于进行模拟量采样与功率模块驱动输出。

本发明中的有源滤波模块、无功补偿模块和变频逆变输出模块分别为三相全桥电路，三相全桥电路是由六只IGBT绝缘栅双极性功率管组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断，以输出三相电压。

本发明可在有源滤波模块、无功补偿模块或变频逆变输出模块上设有LC滤波电路，以适用不同的功率等级和不同的工况要求。

本发明还可在主电路上设有电感、电容、电阻或变压器，以根据有源滤波模块、无功补偿模块或变频逆变输出模块的功率不同而增加。

本发明的有益效果是：由于采用了一种直流母线并联式的模块化电源，集有源滤波、无功补偿、变频逆变功能于一体，通过并联的方式对车载发电机供电进行波形质量改造，有效地补偿车载发电机的无功电流，同时产生特定设备所需要的可靠的特定频率与幅值的电压，在保障电气系统性能的前提下，极大的减轻了车载电源系统的重量与体积，具有结构新颖、电压稳定、重量轻、体积小、设备成本低等优点。

附图说明  

图1是现有技术中的粗电直接供电模式示意图。

图2是现有技术中的由稳压电源供电模式示意图。

图3是本发明采用的供电模式示意图。

图4是本发明中总体结构原理框图。

图5是本发明中功能模块的电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

一种具有电能质量分级管理功能的模块化电源，设有发电机输出的三相电源1和主电路，其特征在于主电路上设有源滤波模块61、无功补偿模块62、变频逆变输出模块63、功率驱动模块（66、68、610）、AD采样模块（65、67、69）和电源控制器64，有源滤波模块61具有有源滤波器的功能，对车载发电机供电进行波形质量改造，发出相应频率的谐波电流，对粗电通过相应谐波补偿的方式来消除其谐波成分，以消除接入点的电压畸变，无功补偿模块62具有无功补偿功能，可以准确实时地对阻感性负载所需要的无功进行补偿，可以有效地抑制车载发电机的无功电流，有源滤波模块61与无功补偿模块62可以根据工况来选择是否工作在相应模式，向直流母线提供能量，以保持直流母线电压（653、673、693）的稳定，有源滤波模块61和无功补偿模块62并联在直流母线上，以代替传统的大功率AC/AC稳压电源，通过无功补偿，有效的减小了车载电源的容量，直流母线上设有变频逆变输出模块63，变频逆变输出模块63作为变频逆变输出单元，从直流母线取电，产生外部电路所需要的可靠的特定频率与幅值的电压，对直流母线的电压进行逆变输出，转化成幅值与频率稳定的精电供给，以利于用共享直流母线的变频逆变输出单元来代替精电电源，节省了精电电源中的整流环节，极大降低了车载电源的体积和重量，电源控制器64输入端经AD采样模块（65、67、69）分别与发电机输出的三相电源1和直流母线电压（653、673、693）相连，电源控制器64输出端一路经功率驱动模块66控制有源滤波模块61的输出，一路经功率驱动模块68控制无功补偿模块62输出粗电负载，另一路经功率驱动模块610控制变频逆变输出模块63的输出，使之输出频率幅值稳定的静电负载，电源控制器64负责总体的管理功能，集成多路输入输出到控制器64中，以利于对每一个模块根据其功能进行模拟量采样与功率模块驱动输出。

本发明中的电源控制器64可采用内核为DSP的电源控制器64，以利于进行模拟量采样与功率模块驱动输出。

本发明中的有源滤波模块61、无功补偿模块62和变频逆变输出模块63分别为三相全桥电路，三相全桥电路是由六只IGBT绝缘栅双极性功率管（74、75、76）组成三组桥臂，电源控制器64发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块（66、68、610）后分成六路，分别来驱动6只IGBT（74、75、76）的开关通断，以输出稳定的三相电压。

本发明可在有源滤波模块61、无功补偿模块62或变频逆变输出模块63上设有LC滤波电路71，以适用不同的功率等级和不同的工况要求。

本发明还可在主电路外围设有电感器、电容72、电阻73或变压器，以根据有源滤波模块61、无功补偿模块62或变频逆变输出模块63的功率不同而增加。

如图4所示，本发明包括了有源滤波模块61、无功补偿模块62、变频逆变模块63、电源控制器64、AD采样模块65,67,69、功率驱动模块66,68,610。

电源控制器64从AD采样模块65得到发电机三相电压651、发电机输出的三相电流652、直流母线电压653一共七路信号，由DSP（数字信号处理器）进行计算后，得到发电机三相输出电压中所含有的谐波畸变，然后根据相应的谐波抑制算法计算出三路PWM触发信号，然后经功率驱动模块66来控制有源滤波模块61的输出。

电源控制器64从AD采样模块67得到粗电负载三相电压671、粗电负载输出的三相电流672、直流母线电压673一共七路信号，由DSP（数字信号处理器）进行计算，算出粗电负载所需要的无功功率，根据此无功补偿量得到三路PWM触发信号，然后经功率驱动模块68来控制无功补偿模块62的输出。

电源控制器64从AD采样模块69得到精电负载三相电压691、精电负载输出的三相电流692、直流母线电压693一共七路信号，根据精电负载的电压反馈量进行负反馈闭环计算，得到三路PWM触发信号，然后经功率驱动模块610来控制变频逆变模块63的输出，使之输出相应频率幅值的电压。

其中，有源滤波模块61、无功补偿模块62、变频逆变模块63主体结构均为三相全桥电路，如图5所示，图中74,75,76为六只IGBT（绝缘栅双极性功率管）组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成6路，然后分别来驱动6只IGBT的开通关断，输出三相电压。

本发明上述三种模块根据实际工况的需要来设计LC滤波电路71。

本发明上述三种模块共享相同的直流母线电容73与直流母线分压电阻72。

本发明上述三种模块的功能实现由电源控制器64来配置，当电源控制器64配置有源滤波模块61、无功补偿模块62具有直流母线60稳压功能的时候，有源滤波模块61、无功补偿模块62中任意一个模块均可具有PWM整流器的功能，使直流母线60电压稳定，为变频逆变模块63的输出提供有功功率。

本发明由于采用直流母线并联式的模块化电源，集有源滤波、无功补偿、变频逆变功能于一体，通过并联的方式对车载发电机供电进行波形质量改造，有效地补偿车载发电机的无功电流，同时产生特定设备所需要的可靠的特定频率与幅值的电压，在保障电气系统性能的前提下，极大的减轻了车载电源系统的重量与体积，具有结构新颖、电压稳定、重量轻、体积小、设备成本低等优点。

Claims (3)

1.一种具有电能质量分级管理功能的模块化电源，设有发电机输出的三相电源和主电路，其特征在于主电路上设有源滤波模块、无功补偿模块、变频逆变输出模块、功率驱动模块、AD采样模块和电源控制器，有源滤波模块和无功补偿模块并联在直流母线上，直流母线上设有变频逆变输出模块，发电机输出的三相电源和直流母线电压分别经AD采样模块与电源控制器相连，电源控制器输入端经AD采样模块分别与发电机输出的三相电源和直流母线电压相连，

电源控制器输出端一路经功率驱动模块控制有源滤波模块的输出，一路经功率驱动模块控制无功补偿模块输出粗电负载，另一路经功率驱动模块控制变频逆变输出模块的输出。

2.根据权利要求1所述的一种具有电能质量分级管理功能的模块化电源，其特征在于电源控制器采用内核为DSP的电源控制器。

3.根据权利要求1所述的一种具有电能质量分级管理功能的模块化电源，其特征在于有源滤波模块、无功补偿模块和变频逆变输出模块分别为三相全桥电路，三相全桥电路是由六只IGBT绝缘栅双极性功率管组成三组桥臂，电源控制器发出的三路PWM触发信号，经功率驱动模块后分成六路，分别来驱动6只IGBT的开关通断。

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