CN102594105A - 具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源 - Google Patents

Abstract

一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源。包括电源柜、开关柜。其中电源柜主回路由整流电路和升压斩波电路两部分构成。整流电路为三相全桥不控整流电路结构，升压斩波电路为DC/DC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模式；开关柜由多个独立的防反二极管和熔断式开关组成，各个熔断式开关没有电气的连接，可以单独输出直流电压，也可以根据需求扩展直流输出端口的数量。本发明能够确保对重要负载的不间断供电，保障生产安全和正常的生产工作。

Description

具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源

技术领域

本发明属于电源技术领域，适用于各种容量或者多支路直流电源供电的负载单元。

背景技术

直流电源现在已经广泛应用于工业生产的各个领域，从大型的生产流水线到小巧的电子检验设备，直流电源都发挥着重要的作用。对于重要的直流负载而言，在交流电网电压跌落或者发生异常时，直流电源必然会受到影响，进而反应到直流负载侧，通常会引起设备停机或触发保护动作，从而造成直流拖动系统的非正常停机，危及设备安全，造成企业的经济损失。而且，现有的低电压穿越电源是单一直流输出的装置，在现场应用需要扩展的场合中，尤其是拖动小负载的情况下，不能实现一机多负载的特性。另外，柜内的主要发热元器件散热处理不均，在装置升压启动时，升压执行部件的温升过快。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，适用于多个小功率负载的并联运行；柜内的风扇按照主要的发热分布点进行安装布置，通过专用的通风孔对柜内主要温升部件进行散热，将柜内环境、功率部件的温升降到最低。而且利用通风孔散热，可以更好实现防尘散热处理，满足现场环境要求。进一步实现电网交流电源电压发生跌落时，单路或者多路直流负载由于工作电压过低而造成的停机、触发保护或工作状态异常等情况。直流稳压电源可以在系统异常时，为直流系统提供稳定的动力电源和控制电源，维持直流拖动系统的连续、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一拖多式直流稳压电源，包括电源柜和开关柜，其特征在于：

电源柜包括进线电抗器、三相全桥不控整流桥、BOOST升压电路、交流断路器、交流接触器、直流端子排，其中所述进线电抗器、三相全桥不控整流桥、BOOST升压电路顺次连接，所述进线电抗器的输入端依次通过交流接触器、交流断路器与电源柜外的交流电源相连，所述BOOST升压电路的输出端连接至直流端子排；

开关柜由多组独立的直流输出电路组成，每一组直流输出电路包括两路串联连接的防反二极管和熔断式开关，所述每一组直流输出电路的输入端均连接至电源柜中的直流端子排，所述每一组直流输出电路的输出端作为直流输出电源与用电负载相连。

开关柜由多组独立的直流输出电路组成，每一组直流输出电路包括两路串联连接的防反二极管和熔断式开关，所述每一组直流输出电路的输入端均连接至电源柜中的直流端子排，所述每一组直流输出电路的输出端作为直流输出电源与用电负载相连。

这种直流稳压电源串联于系统三相电源与单路或者多路直流负载之间，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，保证直流负载工作状态不变，维持电网故障前的运行状态，保障生产安全。利用本套具有低电压穿越能力的装置，在出现电网问题时，不会影响到敏感负荷，提高了拖动系统的安全可靠性。在系统电压正常时，BOOST升压电路工作于续流二极管的模式，BOOST升压电路中的IGBT等电力电子开关器件不参与装置工作，降低装置整体故障率。同时本发明中的电源可提供稳定的交流控制电源。

电源柜内进线电抗器输入端外接的交流电源电压正常时，BOOST升压电路不启动，交流电能经过进线电抗器、三相不控整流桥与BOOST升压电路中的续流二极管输出，再经过开关柜到负载侧。当检测到电网电压出现跌落或者发生异常时，BOOST升压电路自启动，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的直流电能供给负载，保证电源最终输出稳定的直流电压，确保单路或者多路直流负载的稳定运行。同时本发明中的电源可提供稳定的交流控制电源。

本发明具有以下技术效果：

一拖多式直流稳压电源可以实现单一负载或者多负载并联工作的现场需求，通过对主要发热部件的分布布置和定点散热处理，可以将柜内的升压部件温升降到最低，也有利用降低柜内的环境温度，减小装置的故障率，延长了电力电子器件的使用寿命，散热的分散布置也有利于装置的防尘处理，可以减小现场由于灰尘堆积造成短路等现象的发生。

这种直流稳压电源串联于系统三相电源与单路或者多路直流负载之间，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，保证直流负载工作状态不变，维持电网故障前的运行状态，保障生产安全。利用本套具有低电压穿越能力的装置，在出现电网问题时，不会影响到敏感负荷，提高了拖动系统的安全可靠性。在系统电压正常时，BOOST升压电路工作于续流二极管的模式，IGBT等电力电子开关器件不参与装置工作，降低装置整体故障率。同时本发明中的电源可提供稳定的交流控制电源。

附图说明

附图1为具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源的电源柜元器件位置示意图；

附图2为具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源的电源柜电路结构示意图；

附图3为具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源的开关柜结构示意图。

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。

具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源有两面屏柜组成：电源柜、开关柜。

如附图1所示为本发明公开的具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源的电源柜结构示意图。

电源柜内部设置为多层结构，模块化设计理念，可实现快速安装与维护。电源柜底部设置电缆进线孔，既可以实现内部与外部的电气连接，还有利于装置的散热；最下层设置隔离变压器，可根据现场需要的控制电源电压等级进行隔离变压器变比的更改，避免了由于变压器体积较大而无法安装的情况；从下至上的第二层，从左至右依次设置交流断路器、直流端子排、UPS输出隔离开关，这样交流进线、直流出线、交流控制电源出线都在同一平面，方便现场查线和使用维护；从下至上的第三层，从左至右依次设置交流接触器、以及由BOOST升压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的IGBT模块、平波电抗器，IGBT模块与平波电抗器共同构成了装置的BOOST升压电路，实现系统低电压穿越时的升压功能，交流接触器用来实现装置的自动停机，无需人为干预；电源柜最上一层从左至右依次设置进线电抗器、三相全桥不控整流桥、直流支撑电容，这个环节是将不控整流输出的直流电能滤波、存储，为串联连接的BOOST升压电路提供直流电压源。

交流电源线先经过电源柜底部的进线孔，再接入柜体左侧的交流断路器的进线端，交流断路器的出线端接入上方的交流接触器，交流接触器输出接入到进线电抗器输入端，进线电抗器起到保护整流桥，减少谐波干扰的作用，电抗器的输出端引到不控整流桥，不控整流桥位于进线电抗器的右侧，不控整流桥的输出端接入到右方的直流支撑电容，直流支撑电容对系统的直流电压进行滤波和储能，直流支撑电容直接连接到下方的平波电抗器，平波电抗器也是BOOST升压电路的必要部件，平波电抗器输出端接入到左方的IGBT模块组件的输入侧，IGBT模块的输出侧再接入柜体下方的直流端子排，实现了电源柜的整个布线结构。

如图2所示具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源的电源柜电路结构示意图。

电源柜包括交流断路器、交流接触器、进线电抗器、三相全桥不控整流桥、直流支撑电容、BOOST升压电路，各部分顺次连接。所述交流断路器为下进线，上出线，外部电网交流电源直接接入交流断路器的进线端，交流断路器的出线端接入正上方的所述交流接触器进线端，交流接触器也为下进线、上出线，交流接触器的出线端接入所述进线电抗器的输入端，进线电抗器的输出端接入所述三相全桥不控整流桥的三相输入端，三相全桥不控整流桥的输出端输出的是脉动的直流电压，这个直流电压利用所述直流支撑电容进行滤波与存储，其中三相全桥不控整流桥的共阴极端与直流支撑电容的正极相连，作为直流电压源的正极端口；三相全桥不控整流桥的共阳极端与直流支撑电容的负极相连，作为直流电压源的负极端口；直流电压源的正极接入所述BOOST升压电路的正极公共端，直流电压源的负极接入到BOOST升压电路的负极公共端。所述BOOST升压电路主要由平波电抗器和多组BOOST并联电路串联构成，所述各组BOOST并联电路错频工作，其中每一组BOOST并联电路均有两个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联而成，每一个绝缘栅双极型晶体管IGBT并联续流二极管。所述BOOST升压电路的输出端连接至直流端子排。

所述电源柜还包括UPS输入隔离开关、隔离变压器、工业级UPS，以及UPS输出隔离开关，各部分顺次连接。其中所述UPS输入隔离开关接在所述交流断路器的进线端，与交流断路器属于并联连接，UPS输入隔离开关的输出端与隔离变压器的原边相连，即380V侧，隔离变压器的副边即220V侧，直接与工业级UPS的输入侧相连，为UPS提供交流电源，UPS的输出侧接入到UPS输出隔离开关的进线侧，最后UPS输出隔离开关输送的就是220V交流稳压控制电源。

整流电路为三相全桥不控整流电路结构，升压斩波电路为DC/DC升压模式，其拓扑选用BOOST升压电路，BOOST升压电路由平波电抗器、开关元件IGBT与续流二极管构成。开关柜由多个独立的防反二极管和熔断式开关组成，各个熔断式开关都是独立的直流输出端口。同时本发明中的电源可提供稳定的交流控制电源。

电源柜内部具有一定功率的工业级UPS，从交流电网引入A相、C相两根火线，然后输入到柜体下层的380V/220V小型隔离变压器，隔离变压器的输出端接入到上方的UPS输入端，UPS的输出端接入隔离开关，隔离开关输出的就是稳定的单相220V交流控制电源。不同等级的控制电源等级可以根据需求更换隔离变压器的变比解决。

本发明中，BOOST升压电路起到抬升电压水平的作用，将其前端直流支撑电容上直流电能变换为电压水平等级更高的直流电能输出，其输出连接至开关柜，经过熔断式开关再到单路或者多路直流负载。

本发明中的BOOST升压电路采用三重BOOST模式，即三个BOOST电路并联运行，三个BOOST电路中的开关元件触发角度互差120°，起到降低输入、输出端谐波电流含量的目的。如图3所示为具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源的开关柜结构示意图。

直流电源线先经过开关柜的电缆进线孔，通过电缆槽进行固定后，接入多组由两路串联连接的防反二极管和熔断式开关组成的直流开关，每组直流开关中二极管阳极悬空的作为直流电源正极的进线端，二极管阴极悬空的作为直流电源负极的进线端，直流开关输出端接入直流负载。各个直流开关完全是并联连接，互相没有电气连接，直流电源线都是从电源柜的直流端子排引入。

本发明中，直流稳压电源的电源柜采用平时续流二极管工作模式，故障时启动IGBT的控制方式。即在三相系统电压正常时刻，BOOST升压环节的IGBT不进行开关动作，电能经三相系统、进线电抗器、整流桥、BOOST续流二极管经过开关柜后再送入单路或者多路直流负载；在电力系统发生故障，如单相接地或两相短路或三相短路故障时，整流桥输出电压发生跌落，此时BOOST升压环节投入运行，通过控制其IGBT的开关动作，保证直流负载的工作电压维持恒定，即与系统未跌落时电压一致。从而确保直流拖动系统不停机，且维持系统故障前的运行状态。

Claims (7)

1.一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，包括电源柜和开关柜，其特征在于：

电源柜包括进线电抗器、三相全桥不控整流桥、BOOST升压电路、交流断路器、交流接触器、直流端子排，其中所述进线电抗器、三相全桥不控整流桥、BOOST升压电路顺次连接，所述进线电抗器的输入端依次通过交流接触器、交流断路器与电源柜外的交流电源相连，所述BOOST升压电路的输出端连接至直流端子排；

开关柜由多组独立的直流输出电路组成，每一组直流输出电路包括两路串联连接的防反二极管和熔断式开关，所述每一组直流输出电路的输入端均连接至电源柜中的直流端子排，所述每一组直流输出电路的输出端作为直流输出电源与用电负载相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，其特征在于：

所述三相全桥不控整流桥两输出端并联直流母线支撑电容。

3.根据权利要求2所述的一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，其特征在于：所述BOOST升压电路主要由平波电抗器和多组BOOST并联电路串联构成，所述各组BOOST并联电路错频工作，其中每一组BOOST并联电路均有两个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联而成，每一个绝缘栅双极型晶体管IGBT并联续流二极管。

4.根据权利要求3所述的一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，其特征在于：

所述电源柜还包括隔离变压器、UPS，以及UPS输出隔离开关，所述隔离变压器的输入端与所述交流电源相连，隔离变压器的输出端顺次连接UPS、UPS输出隔离开关，以输出交流稳压控制电源。

5.根据权利要求4所述的一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，其特征在于：

电源柜内部设置为多层结构，电源柜底部设置电缆进线孔，最下层设置隔离变压器；从下至上的第二层，从左至右依次设置交流断路器、直流端子排、UPS输出隔离开关；从下至上的第三层，从左至右依次设置交流接触器、以及由BOOST升压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的IGBT模块、平波电抗器；电源柜最上一层从左至右依次设置进线电抗器、三相全桥不控整流桥、直流支撑电容。

6.根据权利要求4所述的一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，其特征在于：

通过所述UPS，可提供一路或多路220V/380V/110V交流稳压控制电源。

7.根据权利要求1或4或5所述的一种具有低电压穿越能力的一拖多式直流稳压电源，其特征在于：

当电源柜进线电抗器输入端外接交流电源电压正常时，所述BOOST升压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT不工作，电能通过与BOOST升压电路中各绝缘栅双极型晶体管IGBT并联的续流二极管传送至开关柜中的各组直流输出电路。

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