CN102545646B - 变频器异常电压穿越电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器异常电压穿越电源，主要由旁路电路、整流电路、升降压电路三部分构成。旁路电路采用三相静态开关，整流电路为三相不控整流电路结构，升降压电路为DCDC变换。变频器异常电压穿越电源采用平时旁路，交流电压故障时动作的控制方式，即在系统电压跌落至一定程度时，升降压电路投入运行，进行升压控制，保证穿越电源输出电压维持恒定；在系统电压上升至一定程度时，变频器异常电压穿越电源封锁旁路电路，同时升降压电路投入运行，进行降压控制，以保证输出直流电压维持恒定。在系统电发生异常时，穿越电源始终输出稳定的直流电压以确保变频器不停机，拖动电机输出转速、转矩、功率不发生变化。

Description

变频器异常电压穿越电源

技术领域

本发明属于电源与变频器技术领域，具体涉及一种变频器异常电压穿越电源，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

变频器作为一种高精度的电能控制装置，目前已大量应用于工业生产的各个领域，其主要通过对电机转速、转矩和功率的控制来实现工业应用。变频器一般采用交流电源输入，经内部整流后转换为直流电源，再对此直流电源进行逆变从而实现对电机的控制。变频器进行内部逆变时，内部直流母线电压需维持在一定范围内，过低的直流母线电压无法保证逆变的正常运行从而会触发欠压保护，而过高的电压有可能损坏器件，因而会触发过压保护。

当电力系统中发生短路故障时，会导致交流电压跌落，而在系统恢复正常过程中，有可能因发电机或其它装置，如SVC，因强励磁而不能及时退出从而导致在低电压结束后发生短暂的高电压现象。对于变频器而言，交流电压的跌落或上升，经过整流桥的整流作用，会体现为其内部直流母线电压的下降或升高，进而触发变频器保护，拖动电机停转。对于需要连续运行的关键负荷，这种因低电压或高电压而造成的停机会造成严重后果，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及高电压恢复过程，保证负载的持续、可靠运行。

为解决以上问题，当前有通过为变频器增加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，来解决低电压停机问题，而对于高电压问题，变频器直流母线处增加直流蓄电池支撑的方法难以解决，此外上述两种方案中，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异常电压穿越电源，用于解决电网交流电源电压发生异常电压及整个恢复过程中，变频器停机、触发保护或工作状态异常等情况。变频器异常电压穿越电源可以在系统异常时，为变频器拖动系统提供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。

本发明的具体方案如下：

一种变频器异常电压穿越电源，该电源串接于电网三相交流电源与变频器之间，所述变频器异常电压穿越电源包括整流电路、升降压电路和旁路电路；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；

所述升降压电路选用CUK电路，包括三重CUK并联支路和输出储能电容，所述三相不控整流桥输出端正负极之间并联直流母线支撑电容后与所述三重CUK并联支路的输入端相连，所述三重CUK并联支路输出端的正负极性之间并联输出储能电容后连接至变频器的直流输入端子；

所述旁路电路由三相静态开关组成，所述三相交流电源连接至所述三相静态开关输入端，三相静态开关输出端连接至所述变频器三相交流输入端子。

本发明具有以下技术效果：

变频器异常电压穿越电源采用平时旁路，交流电压故障时动作的控制方式，即在三相系统电压正常时，升降压电路中的开关器件不动作，旁路电路的三相静态开关处于导通状态，电能经三相系统、旁路电路送入变频器；在系统电压跌落至一定程度时，升降压电路投入运行，进行升压控制，保证穿越电源输出电压维持恒定；在系统电压上升至一定程度时，变频器异常电压穿越电源封锁旁路电路，同时升降压电路投入运行，进行降压控制，以保证输出直流电压维持恒定，在系统电发生异常时，穿越电源始终输出稳定的直流电压以确保变频器不停机，拖动电机输出转速、转矩、功率不发生变化。

附图说明

图1为变频器异常电压穿越电源拓扑结构示意图；

图2为电网电压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为升降压自动控制框图；

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所示为本发明的变频器异常电压穿越电源的结构示意图。

实施例1：变频器异常电压穿越电源由三部分组成：整流电路1，由二极管模块构成的三相全桥不控整流器；升降压电路2，由电抗器、电容、IGBT、续流二极管组成的DC/DCCUK升降压模块；旁路电路3，由三相静态开关构成的三相旁路电路。

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；

直流升降压电路2采用CUK升降压电路拓扑，包括三重CUK并联支路和输出储能电容，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与所述三重CUK并联支路的输入端相连，所述三重CUK并联支路输出端和所述三相不控整流桥输出端经过直流母线支撑电容后的负极性端之间并联输出储能电容后连接至变频器的直流输入端子。各CUK电路错频工作，每一CUK电路由缘栅双极型晶体管(IGBT)、直流电感、电容、二极管构成，在每一CUK并联支路中，所述输入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，所述输入电感的另一端连接至绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与电容一端的连接处，所述电容的另一端与所述输出电感的一端连接，所述输出电感的另一端与输出储能电容的一端相连，所述二极管的阳极与输出电感与电容的连接处相连，阴极与所述三相不控整流桥输出端经过直流母线支撑电容后的负极性端相连，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极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负极性端。通过调整IGBT的导通占空比，控制前后端直流电压的变比。直流升降压模块可将整流后直流电容上的直流电压变换为更高或更低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，为了降低直流输入、输出侧的电流谐波，减小所选用直流电感的感值，选取了三重CUK模式，即将三个完全相同的CUK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°；

旁路电路3采用晶闸管构成的三相静态开关，每相由两个反并联的晶闸管组成，控制晶闸管的触发角，可使每个晶闸管在其正向偏置的半个周波内导通或在整个周波处于截止状态。本发明中，当电网电压正常时，三相静态开关路处于导通状态，三相交流电源经旁路电路输出到变频器；当电网电压跌落低于升压控制预定值时，三相静态开关处于导通状态，三相交流电源经旁路电路、升降压电路输出至变频器；当电网电压过高高于降压控制预定值时，三相静态开关处于关断状态，三相交流电源经升降压电路变换后输出至变频器。

该变频器异常电压穿越电源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，变频器异常电压穿越电源可以只包括整流电路1、升降压电路2和旁路电路3三部分。通过外部的电网电压检测电路检测电网电压状态，在外部电网电压检测电路检测到电网电压跌落到升压控制预定值，通过外部的控制系统控制驱动升降压电路2动作，进行升压变换；当检测到外部电网电压上升至降压控制预定值时，通过外部控制系统驱动升降压电路2动作，进行降压变换，从而保证在电网整个异常电压过程中变频器异常电压穿越电源能输出稳定的直流电压，从而保证变频器不停机。

实施例2：本申请变频器异常电压穿越电源除了包括实施例1中所述的整流电路1、升降压电路2、旁路电路3以外，还进一步包括不间断电源(UPS)和变压器的二次电源输出电路4，以便提一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，本申请的变频器异常电压穿越电源除了具有实施例1和/或2的部分以外，还可以进一步包括集成在变频器异常电压穿越电源内部的控制电路5，所述控制控制电路5包括信号采集模块、电网电压监控模块、升降压电路自动控制模块。信号采集模块是将功率电路测得的电压电流信号转化为控制电路所能接收的信号。电网电压经信号采集电路，连接至电网电压监控模块，所述电网电压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或大于预定值(即升压控制预定值、降压控制预定值)，作为升降压电路的启动判据。

整流电路侧直流母线支撑电容C1的电压Udc1及升降压电路侧电容C2电压信号Udc2经过信号采集模块传送至升降压电路自动控制模块；直流母线电流经霍尔电流传感器，通过信号采集模块传送至升降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CUK并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。升降压电路自动控制模块接收到电压、电流及开关信号后，先进行快速保护计算判断是否有故障发生，再按照变频器异常电压穿越电源的控制方法，调用相关控制子程序控制各CUK并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通和关断，在电压跌落时，将整流后的电压Udc1电压泵升至变频器的额定输入范围；将电压上升时，将整流后的电压Udc1降压至变频器的额定输入范围，同时关断旁路电路的晶闸管。通过以上手段，保证在电网发生故障，系统电压跌落或上升时，变频器可正常工作，升降压电路的自启动时间小于100us。

所述变频器异常电压穿越电源的控制方法是按如下步骤进行：

电网电压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至升压控制预定值以下或上升是否大于至降压控制预定值以上，并向升降压电路自动控制模块发出恒压控制启动指令，

步骤一：采集电网电压、电流、直流电压、电流数据；

步骤二：对采集数据进行转换，传送至升降压电路自动控制模块；

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升压控制预设值或高于降压预设值，若低于升压控制预设值或高于降压预设值，向自动控制模块发出启动信号，否则返回至步骤一。

升降压电路自动控制模块接收到电网电压监控模块发出的启动信号后，调用恒压控制(即直流输出电压恒定控制)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：对采集模块传送的电网电压、电流、直流电压、电流进行快速保护计算，如发生保护进入步骤二，否则进入步骤三；

步骤二：封锁CUK电路中IGBT脉冲，清除启动标记位，返回至步骤一；

步骤三：若接到启动信号，调用恒压控制程序，其控制方法如图4所示；

步骤四：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；

步骤五：确认当前状态，若为升压控制则调用bang-bang控制程序，保证在升压控制中，出现电压超调较大，超过bang-bang限值后，退出恒压自动控制模块并进入步骤七，若未超过bang-bang限值，继续执行步骤六；若为降压控制则执行步骤五后进入步骤六；

步骤六：判断是否满足装置退出条件，若满足则进入步骤七，若不满足返回步骤一；

步骤七：封脉冲，恒压控制流程退出；

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；

实施例4：在实施例3的基础上，本申请变频器异常电压穿越电源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，如每天上午9点钟，在电网三相电压正常的条件下，控制每一CUK并联支路中的缘栅双极型晶体管IGBT进行开关动作，并将变频器异常电压穿越电源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，保证在升压控制中，出现电压超调较大，超过bang-bang限值时，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，CUK升降压部分的IGBT平时处于旁路状态，即在三相系统电压正常时，CUK电路的IGBT不进行开关动作，电能经三相系统、整流桥、CUK电路、二极管送入变频器直流端子。装置中集成了电网电压监控模块，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CUK电路的启动判据。装置中集成的升降压电路自动控制模块，依据电网电压监控模块的实时输出电压值与外部设定的启停门限值，对CUK电路进行滞环控制，启停时间反应时间小于100us。启停升降压环节，是通过控制IGBT的开关动作，进而启动CUK电路来实现，CUK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 (10)

1.一种变频器异常电压穿越电源，该电源串接于电网三相交流电源与变频器之间，所述变频器异常电压穿越电源包括整流电路、升降压电路和旁路电路；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； 

所述升降压电路选用CUK电路，包括三重CUK并联支路和输出储能电容，所述三相不控整流桥输出端正负极之间并联直流母线支撑电容后与所述三重CUK并联支路的输入端相连，所述三重CUK并联支路输出端的正负极性之间并联输出储能电容后连接至变频器的直流输入端子； 

所述旁路电路由三相静态开关组成，所述三相交流电源连接至所述三相静态开关输入端，三相静态开关输出端连接至所述变频器三相交流输入端子； 

当电网电压正常时，三相静态开关路处于导通状态，三相交流电源经旁路电路输出到变频器；当电网电压跌落低于升压控制预定值时，三相静态开关处于导通状态，三相交流电源经旁路电路、升降压电路输出至变频器；当电网电压高于降压控制预定值时，三相静态开关处于关断状态，三相交流电源经升降压电路变换后输出至变频器。 

2.根据权利要求1所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

所述升降压电路由三重CUK电路并联构成，各CUK并联支路错频工作。 

3.根据权利要求2所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

每一CUK并联支路均由一输入电感、一输出电感、一串联电容、一绝缘栅双极型晶体管IGBT、一二极管组成； 

在每一CUK并联支路中，所述输入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，所述输入电感的另一端连接至绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与串联电容一端的连接处，所述串联电容的另一端与所述输出电感的一端连接，所述输出电感的另一端与输出储能电容的一端相连，所述二极管的阳极与输出电感和串联电容的连接处相连，二极管的阴极与所述三相不控整流桥输出端经过直流母线支撑电容后的负极性端相连，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极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负极性端。 

4.根据权利要求3所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

所述变频器异常电压穿越电源在电网三相交流电源电压正常时，升降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； 

所述变频器异常电压穿越电源在电网三相交流电源电压跌落低于升压控制预定值时，升降压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作，进行升压控制，输出稳定的直流电压，为变频器提供电能； 

所述变频器异常电压穿越电源在电网三相交流电压超过降压控制预定值时，所述旁路电路三相静态开关处于关断状态，升降压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作，进行降压控制，输出稳定的直流电压，为变频器提供电能。 

5.根据权利要求1或4所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

所述旁路电路中每一相静态开关由两个反并联的晶闸管组成； 

晶闸管在电网三相交流电源电压正常或者跌落低于升压控制预定值时，处于导通状态； 

在电网三相交流电源电压超过降压控制预定值时，晶闸管处于关断状态。 

6.根据权利要求1-4任一权利要求所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

该变频器异常电压穿越电源可提供一路或多路直流稳压动力电源 。

7.根据权利要求1-4任一权利要求所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

所述变频器异常电压穿越电源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。 

8.根据权利要求4所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

所述变频器异常电压穿越电源内部还集成电网电压监控模块，采集电网三相交流电源电压，通过坐标变换的方法，实时计算电网三相交流电源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状态，作为升降压电路的启动判据。 

9.根据权利要求8所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

所述变频器异常电压穿越电源还进一步集成升降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CUK并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，对升降压电路进行滞环自启动控制，自启动时间小于100us。 

10.根据权利要求9所述的变频器异常电压穿越电源，其特征在于： 

所述变频器异常电压穿越电源还能够在所述升降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CUK并联支路中的缘栅双极型晶体管IGBT进行开关动作，并将变频器异常电压穿越电源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。 

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