CN102570953B - 电网电源转换稳压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网电源转换稳压装置，用于把国内电网电源转换成国际上其它不同制式电源，且在负载变化时保持电压稳定。由电网电源给电动机供电，电动机与三相交流发电机通过联轴器连接实现电网电源转换，负载变化时通过本装置控制发电机励磁线圈中的励磁电流大小，以此对负载所引起的发电机输出电压变化进行补偿。所述电网电源转换稳压装置包括变压器、电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路、手动控制电路、主控制器、IGBT驱动电路及其模块、相加器电路、显示系统、远程监控系统。本发明转换效率高，输出电源的电压稳定，并可远程监控，安全性高、实用性强，易于在港口超大功率电网电源转换电站中推广应用。

Description

电网电源转换稳压装置

技术领域

本发明属于电工领域的电力转换技术，是一种把国内电网电源转换成国际上其它不同制式电源，且在负载变化时保持电压稳定的装置。

背景技术

在大型港口或码头，熙熙攘攘的船只在带来经济效益的同时也带来了巨大的污染。船只停靠码头一般可采用岸电供电，但由于国内外电网制式不同，例如日本电源为100V，欧洲电源有127V、230V等，因此存在着匹配问题，目前各国的船只仍用柴油作为主要能源，靠自带发电机发电，因此柴油排放物对港口的污染尤为严重。随着对环境保护越来越重视，使用清洁能源为船只提供动力成为了唯一的解决途径。因各种清洁能源最终都转化成电能输出，而由于各国交流电工频不尽相同，来往于港口的各国船只也可能使用不同频率、不同电压的交流电，要为这些船只供电，就需要一种将国内工频交流电转换为其他频率和电压的装置。

目前国内外普遍采用的方法是将标准工频交流电整流成直流电，再将直流电逆变成目标频率、电压的交流电。这种方法有两个缺点：一是整流过程会产生高次谐波，容易引起用电设备的干扰问题，并且变频器对输入的直流电的稳定性要求较高，谐波问题容易导致变频器工作状况不佳；二是变频器在高电压、大电流情况下内部器件工作状况难以确定，大量散热容易烧毁器件，并且转换效率也难以提高。此外，大型船只上的用电设备负载较大，极容易使发电机输出电压产生波动，电压不稳将导致安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电网电源转换稳压装置，以解决已有的采用变频器来进行电网电源转换的方法存在的电网污染、成本高、转换效率低等问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括变压器、电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路、手动控制电路、主控制器、多个IGBT驱动电路及模块、相加器、显示系统、远程监控系统。其中：变压器把三相发电机输出电压等比变换成两路低压输出，第一路输出经电压幅度检测电路后到主控制器，第二路输出经电压频率检测电路后到主控制器；负载回路经过负载电流检测电路与主控制器连接；手动控制电路与主控制器连接；主控制器输出三路PWM波给IGBT驱动电路去驱动IGBT模块，IGBT模块输出励磁电流经过相加器后共同激励发电机；显示系统直接与主控制器连接显示系统实时工况，远程监控系统对系统的运行状况进行远程实时监控。

所述的变压器，把三相发电机接负载回路输出的数百伏电压等比降低到几十伏，这样不仅可以使检测精度提高，而且安全性更高。。

所述变压器的第一路输出经过幅度检测电路输入到主控制器的电路中，通过A/D变换后由主控制器判断得出电压的幅度，并由主控制器编程输出具有自动负反馈作用的第一路PWM波到第一个IGBT驱动电路去驱动该IGBT的模块；通过负载电流检测电路的输出经A/D变换后由主控制器判断得出负载回路电流大小，并由主控制器编程输出具有自动正反馈作用的第二路PWM波到第二个IGBT驱动电路去驱动该IGBT的模块，若负载变化使回路电流增大，则反馈输出的PWM波占空比增大，使励磁电流增大。两路自动调节输出并联作用，从而使发电机输出的电压基本保持不变。

所述变压器的第二路输出经过电压频率检测电路输入到主控制器后，通过A/D变换再由主控制器判断得出所测电压的频率。

所述手动控制电路使主控制器输出相应占空比的第三路PWM波到第三个IGBT驱动电路去驱动该IGBT的模块，其强制调节输出可以控制三相发电机励磁线圈中的励磁电流大小来改变发电机电压。

上述三个IGBT模块输出通过相加器并联，共同控制三相发电机励磁线圈中的励磁电流。

所述显示系统由主控制器控制实时显示三相发电机的输出电压幅度与频率、变压器的输出电压幅度与频率、负载回路电流大小及主控制器输出的PWM波的频率和占空比。

所述远程监控系统和主控制器的通信信道是有线信道或无线信道，并且通过网页、应用程序或移动终端对系统的运行状况进行远程实时监控。

所述转换稳压装置采用IGBT模块控制发电机励磁线圈中电流大小，属于强电控制部分，而电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路、主控制器、手动控制电路、显示系统是弱电部分，装置中对强弱电进行隔离是采用光电耦合器、电流互感器实现的。

本发明提供的上述电网电源转换稳压装置，其由24V蓄电池电源变换出四组独立的低压电源。电源独立，减少了各电路相互之间的干扰，增加了系统的安全性。

本发明提供的转换稳压装置，其与现有技术相比具有以下的主要优点：

1. 可实现国内工频交流电向各国常用频率交流电的转换，输出功率可达300KW-500KW。

2. 具有稳压效果良好的输出，当输出所接负载变化时，可以保证输出电压恒定在一定的电平范围。

3. 具有极高的转换效率，将能量浪费控制在最小范围。

4. 采用变压器耦合和光电耦合的方法，可将发电机输出电压进行隔离检测和控制，使精度更高、安全性更好。

5. 可实时对系统工作情况以及各输出量进行采样测量，并以各种形式的显示方式展示在用户控制面板上。

6. 可实现远程监控管理，其形式可以是网页、应用程序、移动终端。

总之，本发明提供的转换稳压装置，具有实用性强，具有转换效率高、结构简单、体积小、成本低、安全性好、利于推广应用等优点。

附图说明

图1是本发明电网电源转换稳压装置的结构框图。

图2是本发明的电压幅度自动控制结构图。

图3是本发明的电流反馈自动控制结构图。

图4是本发明的电压幅度手动控制结构图。

图5是本发明的电压频率检测结构图。

图6是本发明的低压电源结构图。

具体实施方式

本发明提供的电网电源转换稳压装置，其用于把国内电网电源转换成国际上其它不同制式电源，且在负载变化时保持电压稳定。由电网电源给电动机供电，电动机与三相交流发电机通过联轴器连接实现电网电源转换，负载变化时通过本装置控制发电机励磁线圈中的励磁电流大小，以此对负载所引起的发电机输出电压变化进行补偿。所述电网电源转换稳压装置包括变压器、电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路、手动控制电路、主控制器、IGBT驱动电路及其模块、相加器电路、显示系统、远程监控系统。本发明转换效率高，输出电源的电压稳定，并可远程监控，安全性高、实用性强，易于在港口超大功率电网电源转换电站中推广应用。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的电网电源转换稳压装置，其主控制器对三相发电机输出电压的频率和幅度、负载回路电流进行检测，根据电压幅度大小一方面由主控制器编程输出具有负反馈作用的第一路PWM波驱动第一个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块，控制IGBT模块1对发电机励磁线圈中的励磁电流进行自动负反馈调整，另一方面根据负载回路电流大小由主控制器编程输出具有正反馈作用的第二路PWM波驱动第二个IGBT模块，控制IGBT模块2对发电机励磁线圈中的励磁电流进行自动正反馈调整，同时可由手动控制电路控制主控制器输出相应占空比的第三路PWM波驱动第三个IGBT模块，三个IGBT模块的输出通过相加器电路共同控制三相发电机励磁线圈中电流使负载发生变化时发电机输出电压也能保持稳定。

本发明提供的电网电源转换稳压装置，其结构如图1所示，包括变压器、电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路、手动控制电路、主控制器、相加器电路、显示系统、远程监控系统，以及IGBT1、IGBT 2和IGBT 3模块及其驱动电路。其中：变压器把发电机输出电压等比变换成两路低压输出，第一路输出经电压幅度检测电路后到主控制器，第二路输出经电压频率检测电路后到主控制器；负载回路经过负载电流检测电路与主控制器电路连接；手动控制电路与主控制器电路连接；主控制器电路输出三路PWM波给IGBT驱动电路1、IGBT驱动电路2和IGBT驱动电路3分别去驱动三个IGBT模块；三个IGBT模块的输出经过相加器电路后控制励磁电流共同激励发电机；显示系统直接与主控制器连接显示系统实时工况，远程监控系统对系统的运行状况进行远程实时监控。

所述主控制器可选用ATMEL公司的AVR系列单片机ATMEGA128，当电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路和手动控制电路的模拟输出到主控制器后，经过主控制器自带的A/D转换器变成数字控制信号，控制主控制器编程输出相应占空比的PWM波形。

所述IGBT及其驱动电路由IGBT驱动电路和三个IGBT模块组成，其中：IGBT模块选用英飞凌公司的BSM400GA120DN2，其驱动电路选用三菱公司的IGBT专用驱动芯片M57962和光电耦合器4N25组成。

所述显示系统选用液晶模块12864。

所述电压幅度检测电路，其自动控制结构如图2所示，包括变压器、全波整流器、幅度调节电路1、光电耦合器、缓冲电路、幅度调节电路2、主控制器、IGBT1驱动电路、IGBT模块1、显示系统，其中：变压器的第一路交流输出首先经过全波整流器把正弦波变为方波，再经过光电耦合器进行光电隔离放大，然后经过缓冲电路后输入到主控制器的A/D端口，A/D转换后由主控制器对采样数据进行判断处理。其中全波整流器可采用DF06，光电耦合器可采用4N25，缓冲电路可采用三极管9013构成的射极跟随电路。由于光电耦合器对输入电压进行耦合隔离时还有放大作用，因此需要对电路进行调节，在光电耦合器前和缓冲电路后分别加入幅度调节1和2，可采用电位器对输入电压和输出电压分别进行调整，使主控制器采集到的数据更精确。主控制器在采集到电压幅度检测电路的数据后，编程输出第一路具有负反馈功能的PWM波，即若所测电压幅度减小（负载变大），则PWM波的占空比增大，反之若所测电压幅度增大（负载变小），PWM波的占空比减小。PWM波输入到IGBT专用驱动电路中去驱动IGBT模块1。变压器的输入电压（即三相发电机接负载的输出电压）的幅度、变压器的输出电压的幅度及微控制器输出的第一路PWM波的频率和占空比可由显示系统实时显示出来。

变压器的第一路输出经过幅度检测电路输入到主控制器电路，通过A/D变换后由主控制器判断得出发电机输出电压的幅度，并由主控制器编程输出有自动负反馈作用的PWM波1到IGBT1驱动电路去驱动IGBT模块1，即负载变化时使发电机端电压下降得越多，则负反馈后PWM波的占空比越大，使励磁线圈中励磁电流越大，故使发电机的端电压升高而对负载引起的电压波动进行补偿；通过负载电流检测电路的输出经A/D变换后由主控制器判断得出负载回路电流大小，并由主控制器编程输出具有自动正反馈作用的PWM波2到IGBT2驱动电路去驱动IGBT模块2，若负载变化使回路电流增大，则反馈输出的PWM波占空比增大，使励磁电流增大。两路自动调节输出并联作用使得发电机输出电压基本保持稳定，而且负载回路中电流波动比电压波动更大，电流正反馈作用更为明显。显示系统实时显示出发电机输出电压幅度、变压器输出电压幅度、负载回路电流大小和两路PWM波的频率和占空比。

变压器的第二路输出经过频率检测电路输入到主控制器，通过A/D变换后由主控制器判断得出发电机输出电压的频率，并由显示系统实时显示出来。

所述电流反馈自动控制电路如图3所示，包括负载电流检测电路、主控制器、IGBT2驱动电路、IGBT模块2、显示系统。所述负载电流检测电路可选用LMKI—0.5型电流互感器，其检测值输出到主控制器的A/D端口，A/D转换后由主控制器对采样数据进行判断处理，并由显示系统实时显示出电流值。主控制器根据电流大小编程输出第二路具有正反馈功能的PWM波去驱动IGBT模块2。

所述电压幅度检测电路，其手动控制如图4所示，包括手动控制电路、主控制器、IGBT3驱动电路、IGBT模块3、显示系统。手动控制电路由电位器组成，该电位器的一端接5V电源，一端接地，中端调节。调节电位器可改变输入到主控制器的A/D端口的电压，A/D转换后由主控制器对采样数据进行判断处理，编程输出第三路相应占空比的PWM波到IGBT专用驱动电路中去驱动IGBT模块3。手动控制电路输出电压、PWM波的频率和占空比可由显示系统实时显示出来。

所述电压频率检测电路的结构如图5所示，包括变压器、光电耦合电路、波形整形电路、主控制器、显示系统。由于三相发电机的输出电压频率由电动机的转速控制，因此本装置只对频率进行检测显示。频率检测相当于检测时间，因此只需检测半波即可，变压器的第二路交流输出经过光电耦合器4N25后变为半波，再经过波形整形电路变为方波输入到主控制器的A/D端口，A/D转换后由主控制器对采样数据进行判断处理，并由显示系统实时显示出频率值。

所述显示系统和远程监控系统对整个装置的运行状况进行现场实时监察和远程实时监控。远程监控系统的形式是多样的，可以是网页、应用程序、移动终端等，远程监控系统和主控制器电路的通信信道可以是有线信道也可以是无线信道，可灵活地对本装置的运行状况进行远程实时监控。

所述低压电源如图6所示，24V蓄电池电源经过DC/DC变换得到四组低压电源，第一组电源提供+15V和-5V电源给IGBT模块1及其驱动电路，第二组电源提供+15V和-5V电源给IGBT模块2及其驱动电路，第三组电源提供+15V和-5V电源给IGBT模块2及其驱动电路，第四组电源提供+5V电源给装置中其余电路，电源独立，减少各电路相互之间的干扰。其中DC/DC1和DC/DC2、DC/DC3可选用电源模块YND5-24D15，DC/DC4可选用电源模块YND5-24S05，三端稳压器1和2可选用7905。

本装置通过变压器把三相发电机接负载回路输出的数百伏电压等比降低到十伏左右，可采用输入为400V，输出为12V、12V，功率为2VA的变压器，变压器的两路输出分别接电压幅度检测电路和电压频率检测电路，这样不仅可以使检测精度提高，而且安全性更好。

所述转换稳压装置对强、弱电部分使用光电耦合器和电流互感器隔离，并且各个模块电路采取独立电源供电，既增强了系统电路的安全性，又减少了相互之间的干扰。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的结构作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种电网电源转换稳压装置，其特征是包括变压器、电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路、手动控制电路、主控制器、多个IGBT驱动电路及模块、相加器、显示系统、远程监控系统，其中：变压器把三相发电机输出电压等比变换成两路低压输出，第一路输出经电压幅度检测电路后到主控制器，第二路输出经电压频率检测电路后到主控制器；负载回路经过负载电流检测电路与主控制器连接；手动控制电路与主控制器连接；主控制器输出三路PWM波给IGBT驱动电路去驱动IGBT模块，IGBT模块输出励磁电流经过相加器后共同激励发电机；显示系统直接与主控制器连接显示系统实时工况，远程监控系统对电网电源转换稳压装置的运行状况进行远程实时监控。

2.根据权利要求1所述的电网电源转换稳压装置，其特征在于：变压器把三相发电机接负载回路输出的400伏电压等比降低到12伏，这样不仅使检测精度提高，而且安全性更高。

3.根据权利要求1所述的电网电源转换稳压装置，其特征是：所述变压器的第一路输出经过幅度检测电路输入到主控制器的电路中，通过A/D变换后由主控制器判断得出电压的幅度，并由主控制器编程输出具有自动负反馈作用的第一路PWM波到第一个IGBT驱动电路去驱动该IGBT的模块；通过负载电流检测电路的输出经A/D变换后由主控制器判断得出负载回路电流大小，并由主控制器编程输出具有自动正反馈作用的第二路PWM波到第二个IGBT驱动电路去驱动该IGBT的模块，两个IGBT模块的自动调节，使三相发电机励磁线圈中励磁电流受控，从而使该发电机输出的电压保持不变。

4.根据权利要求1所述的电网电源转换稳压装置，其特征是：所述变压器的第二路输出经过电压频率检测电路输入到主控制器后，通过A/D变换再由主控制器判断得出所测电压的频率。

5.根据权利要求3所述的电网电源转换稳压装置，其特征是：所述手动控制电路使主控制器输出相应占空比的第三路PWM波到第三个IGBT驱动电路去驱动该IGBT的模块，其强制调节输出控制三相发电机励磁线圈中的励磁电流大小来改变发电机电压。

6.根据权利要求5所述的电网电源转换稳压装置，其特征是：所述第一个IGBT模块、第二个IGBT模块和第三个IGBT模块输出通过相加器并联，共同控制三相发电机励磁线圈中的励磁电流。

7.根据权利要求1所述的电网电源转换稳压装置，其特征是：所述显示系统由主控制器控制实时显示三相发电机的输出电压幅度与频率、变压器的输出电压幅度与频率、负载回路电流大小及主控制器输出的PWM波的频率和占空比。

8.根据权利要求1所述的电网电源转换稳压装置，其特征是：所述远程监控系统和主控制器的通信信道是有线信道或无线信道，并且通过网页、应用程序或移动终端对系统的运行状况进行远程实时监控。

9.根据权利要求1所述的电网电源转换稳压装置，其特征是：所述电网电源转换稳压装置采用IGBT模块控制发电机励磁线圈中电流大小，属于强电控制部分，而电压幅度检测电路、电压频率检测电路、负载电流检测电路、主控制器、手动控制电路、显示系统是弱电部分，该装置中对强弱电进行隔离是采用光电耦合器、电流互感器实现的。

10.根据权利要求1所述的电网电源转换稳压装置，其特征是该电网电源转换稳压装置由24V蓄电池电源变换出四组独立的低压电源。