CN103647458A - 变频系统及给其内的高压变频器进行预充电的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
Description
变频系统及给其内的高压变频器进行预充电的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及变频器领域，尤其涉及一种变频系统及给其内的高压变频器进行预充电的方法和装置。
背景技术
[0002] 随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用，特别是，高压大功率变频器的应用日渐广泛。高压大功率变频器包括多个串联连接的功率单元(又称功率模块、变流单元、低压逆变单元)。
[0003] 现有高压变频器大多采用功率单元串联的拓扑结构，在电源输入侧配置移相变压器，将高压转化为低压。移相变压器通常具有多个副边绕组，为了抑制对电网的谐波，这些副边绕组常常采用曲折绕法，达到移相的效果，分别给各个串联的功率单元供电。移相变压器的每个副边绕组都带有一个低压三相输入的单相逆变输出单元，数个低压单相逆变单元串联即可形成一相高压，三“串”不同相位的低压单相逆变单元连接即可形成三相高压。在电路原理上，此移相变压器起到了隔离的作用，使各功率单元相互之间在输入侧隔离，这样，由于功率单元的逆变桥在输出侧相互串联，功率单元的整体电位(电势)就会逐级提高。通常，此移相变压器有一个辅助绕组，为变频器的冷却风机供电。
[0004] 高压变频器在高压上电时，若采用直接冲击的方法，即直接闭合为其供电的高压断路器，会对高压电网产生7至10倍于额定电流的冲击电流，影响电网的安全、稳定运行。同时，会对功率单元内的直流电容和整流器件产生很大的冲击电流，影响其使用寿命。
发明内容
[0005] 本发明实施例所要解决的技术问题在于，针对现有技术中高压大功率变频器在高压上电瞬间对电网及内部功率单元冲击较大从而缩短使用寿命的缺陷，提供一种变频系统及给其内的高压变频器进行预充电的方法和装置，可避免高压上电瞬间对变频系统的冲击。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种变频系统，包括高压变频器，所述高压变频器包括移相变压器和功率单元，所述移相变压器包括原边绕组以及分别与所述原边绕组电磁耦合的副边绕组和辅助绕组，所述副边绕组与所述功率单元连通以给所述功率单元供电；所述变频系统还包括预充电装置，所述预充电装置包括低压预充电单元、高压预充电单元、以及预充电控制单元；
[0007] 所述低压预充电单元连接在一低压交流电与所述辅助绕组之间，用于在高压上电之前对所述功率单元进行充电，使所述移相变压器的原边绕组感应出电压，减小高压交流电为所述高压变频器预充电时的电流；
[0008] 所述高压预充电单元连接在一高压交流电与所述原边绕组之间，用于限制所述高压交流电为所述高压变频器预充电时的电流；[0009] 所述预充电控制单元用于在预充电过程中，启动所述低压预充电单元利用所述低压交流电对所述辅助绕组进行预充电；
[0010] 所述预充电控制单元还用于当所述低压预充电单元进行预充电时，监测所述原边绕组通过电磁感应生成的原边电压，当所述原边电压达到预设的电压阈值时，启动所述高压预充电单元利用所述高压交流电对所述原边绕组进行预充电，并关闭所述低压预充电单元，直至所述原边绕组的电流稳定后完成预充电。
[0011] 其中，所述低压预充电单元包括低压限流模块和低压开关模块，所述低压限流模块和所述低压开关模块串联后连接在所述低压交流电与所述辅助绕组之间。
[0012] 其中，所述低压限流模块包括低压电阻。
[0013] 其中，所述低压限流模块包括晶闸管调压器。
[0014] 其中，所述高压预充电单元包括高压限流模块和高压开关模块，所述高压限流模块和所述高压开关模块串联后连接在所述高压交流电与所述原边绕组之间。
[0015] 其中，所述高压限流模块包括高压电阻。
[0016] 其中，所述高压限流模块还包括与所述高压电阻串联的熔断器。
[0017] 其中，所述高压开关模块包括预充回路真空接触器和旁路功能真空接触器，所述预充回路真空接触器与所述熔断器和高压电阻串联后，再与所述旁路功能真空接触器并联。
[0018] 相应地，本发明还提供了一种用于给变频系统中的高压变频器进行预充电的预充电装置，所述高压变频器包括移相变压器和功率单元，所述移相变压器包括原边绕组以及分别与所述原边绕组电磁耦合的副边绕组和辅助绕组，所述副边绕组与所述功率单元连通以给所述功率单元供电；所述预充电装置包括低压预充电单元、高压预充电单元、以及预充电控制单元；
[0019] 所述低压预充电单元连接在一低压交流电与所述辅助绕组之间，用于在高压上电之前对所述功率单元进行充电，使所述移相变压器的原边绕组感应出电压，减小高压交流电为所述高压变频器预充电时的电流；
[0020] 所述高压预充电单元连接在一高压交流电与所述高压变频器的移相变压器的原边绕组之间，用于限制所述高压交流电为所述高压变频器预充电时的电流；
[0021 ] 所述预充电控制单元用于在预充电过程中，启动所述低压预充电单元利用所述低压交流电对所述移相变压器的辅助绕组进行预充电；
[0022] 所述预充电控制单元还用于当所述低压预充电单元进行预充电时，监测所述移相变压器的原边绕组通过电磁感应生成的原边电压，当所述原边电压达到预设的电压阈值时，启动所述高压预充电单元利用所述高压交流电对所述原边绕组进行预充电，并关闭所述低压预充电单元，直至所述原边绕组的电流稳定后完成预充电。
[0023] 另一方面，本发明还提供了一种给变频系统中的高压变频器进行预充电的方法，所述高压变频器包括移相变压器和功率单元，所述移相变压器包括原边绕组以及分别与所述原边绕组电磁耦合的副边绕组和辅助绕组，所述副边绕组与所述功率单元连通以给所述功率单元供电；所述方法包括:
[0024] 利用一低压交流电对所述移相变压器的辅助绕组进行预充电；
[0025] 检测所述移相变压器的原边绕组通过电磁感应生成的原边电压；[0026] 当所述原边电压达到预设的电压阈值时，利用一高压交流电对所述移相变压器的原边绕组进行预充电，并切断所述低压交流电，直至所述原边绕组的电流稳定。
[0027] 实施本发明实施例，具有如下有益效果:通过在高压上电前依次对变频系统进行低压预充电和高压预充电，不仅可以避免变频系统受到冲击进而缩短使用寿命，还可以避免单纯进行低压预充电因充不满而只能减小部分冲击的缺陷，同时避免了单纯进行高压预充电因充电时间短而只能减小部分冲击的缺陷；采用本申请的技术方案，完全避免高压上电瞬间对变频系统的冲击，提高了可靠性，延长了变频系统的使用寿命。
附图说明
[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029] 图1是本发明变频系统实施例的结构示意图；
[0030] 图2是图1中的低压预充电单元的一个实现方式的电路图；
[0031] 图3是图1中的低压预充电单元的另一实现方式的电路图；
[0032] 图4是图1中的高压预充电单元的一个实现方式的电路图；
[0033] 图5是图1中的高压预充电单元的另一实现方式的电路图；
[0034] 图6是本发明给图1所示的变频系统中的高压变频器进行预充电的方法的流程图。
具体实施方式
[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036] 请参见图1，是本发明一优选实施例提供的变频系统的结构示意图。变频系统包括高压变频器I和预充电装置2。
[0037] 其中，高压变频器I包括移相变压器11和功率单元12。移相变压器11具有原边绕组111、副边绕组112和辅助绕组113。通常，原边绕组111与高压交流电(例如IOkV高压母线)连通构成回路，副边绕组112与功率单元12连通构成回路，辅助绕组113与高压变频器I的冷却风机(图中未示出)连通。当高压变频器I上电正常工作后，原边绕组111的回路中的电流在原边绕组111上产生磁场，根据电磁感应效应，副边绕组112和辅助绕组113都会相应地感应生成感应电流，分别给高压变频器I中的功率单元12和冷却风机供电，功率单元12可以进一步地给与其连接的负载(例如图4-5中示出的电动机M等)供电。
[0038] 但是，随着高压变频器行业的发展，整机容量不断攀升，变频系统(例如单套变频调速系统)在上高压瞬间对电网以及功率单元12内部电容的冲击越来越大。这会严重影响功率单元12的使用寿命，对电网冲击巨大，严重时甚至会引起用户上级综保柜的跳闸，给用户带来严重的损失。在用户可靠性要求非常高的现场，例如:高炉鼓风机现场，因为此类现场非常重要，故针对此类负载往往采用高压变频器双机或多机并联的变频系统方案，需要同时启动两台大功率的高压变频器，在启动的瞬间对上级厂用电开关柜的冲击电流也是非常大的；而且伴随着整机功率的增加，对应的功率单元12电流也在不断提高,功率单元12内部的电容容量也会增加，在上电瞬间对功率单元12内部电容的冲击也是非常巨大的。
[0039] 为了解决这个问题，在本发明的实施例中，还提供了一种预充电装置2，用于在上高压电之前，对高压变频器进行预充电，以避免上电瞬间的巨大冲击对变频系统造成破坏。
[0040] 预充电装置2包括低压预充电单元21、高压预充电单元22和预充电控制单元23。
[0041] 低压预充电单元21连接在一低压交流电与所述变频系统的移相变压器11的辅助绕组113之间，其中，低压交流电可以是外接的380V的三相交流电，额定功率为30kVA，频率为50Hz。低压预充电单元21具有限流功能，可以是低压电阻、晶闸管等低压电路中常见的具有限流功能的电子元件。低压预充电单元21用于在高压上电之前对功率单元12进行充电，使移相变压器11的原边绕组111感应出电压，减小高压交流电为高压变频器I预充电时的电流。
[0042] 高压预充电单元22连接在一高压交流电与所述变频系统的移相变压器11的原边绕组111之间。其中，高压交流电可以是变频系统中原有的IOkV高压母线。高压预充电单元22也具有限流功能，可以是高压电阻等高压电路中常见的具有限流功能的电子元件。
[0043] 预充电控制单元23用于在预充电过程中，首先启动所述低压预充电单元21，使所述低压预充电单元21利用所述低压交流电对所述移相变压器11的辅助绕组111进行预充电。在对辅助绕组111施加电压的同时，移相变压器11内部建立磁通，移相变压器111的副边绕组112可以感应得到感应电压，因此副边绕组112可以利用该感应电压对所述高压变频器的功率单元12进行预充电。
[0044] 另外，预充电控制单元23还用于当所述低压预充电单元21进行预充电时，监测所述移相变压器11的原边绕组111的电压，当所述原边绕组111的电压达到预设的电压阈值时，启动所述高压预充电单元22利用所述高压交流电对所述移相变压器11的原边绕组111进行预充电，并关闭所述低压预充电单元21，直至冲击平复后完成预充电。其中，所述电压阈值可以根据现场的实际情况进行预设，例如，可以根据现场低压交流电的电压值来设置该电压阈值，这是因为现场的低压交流电往往不是很稳定、波动比较大，为防止现场低压交流电偏高导致电子元件的损坏，一般会根据现场的低压交流电的具体特性来设置低压预充电单元21的限流功能，并相应地设置该电压阈值。例如，可以在原边绕组111的电压达到所需值的85%〜90%时，启动高压预充电单元22并关闭低压预充电单元21。
[0045] 理论上，单独使用低压预充电单元21或单独使用高压预充电单元22都能对高压变频器进行预充电，但是在实际应用中，这种预充电效果并不好。
[0046] 对于低压预充电单元21，由于很多现场的低压三相交流电往往比380V要高出很多，并且很多现场的低压三相交流电压不是很稳定、波动比较大，为防止现场低压三相交流电偏高引起电子元件的损坏，一般将低压预充电单元21的压降设置的较大；这会导致对高压变频器I的预充电基本上充不满，所以在上高压的瞬间还是会有一定冲击，从而会对变频系统造成一定影响。
[0047] 对于高压预充电单元22，在预充电时，上高压电的瞬间对功率单元12内部的电容冲击还是比较大的，所以针对功率单元12内部电容预充电需要增加充电时间，但是单独使用高压预充电单元22的方案很难解决上高压电瞬间功率单元12充电时间短这一问题，因此在上高压的瞬间还是会有一定冲击，从而会对变频系统造成一定影响。
[0048] 本发明实施例中，通过在高压上电前依次对变频系统进行低压预充电和高压预充电，不仅可以避免变频系统受到冲击进而缩短使用寿命，还可以避免单纯进行低压预充电因充不满而只能减小部分冲击的缺陷，同时避免了单纯进行高压预充电因充电时间短而只能减小部分冲击的缺陷；采用本申请的技术方案，完全避免高压上电瞬间对变频系统的冲击，提高了可靠性，延长了变频系统的使用寿命。
[0049] 具体地，低压预冲电单元21可以包括低压限流模块(图1中未示出)和低压开关模块(图1中未示出)，低压限流模块和低压开关模块串联后连接在低压交流电与辅助绕组113之间。下面将参考图2和图3描述低压预充电单元21的一些具体实现方式。
[0050] 请参见图2，是本发明一个实施例提供的低压预充电单元21的电路图。如图2所示，并参见图1，低压限流模块包括低压电阻，例如图2中所示的三个低压电阻R1，其中每个低压电阻Rl分别连接在三相交流电的一个相支路(A相支路、B相支路、C相支路)中。
[0051] 低压开关模块包括第一开关KMl和第二开关KM2，其中，第一开关KMl是第二开关KM2的上级开关，只有当KMl闭合后，KM2才能够闭合。这样可以进一步提高电路的可靠性。在图2所示的电路中，KMl和KM2都是接触器，其中KMl具有线圈、可控开关、主触片和副触片(为了简化电路图，图2中均由附图标记KMl进行标记)，KM2只具有线圈和主触片(为了简化电路图，图2中均由附图标记KM2进行标记)。KMl的线圈与可控开关串联后连接在低压交流电的任意两相(例如A相和B相)之间，KM2的线圈也连接在低压交流电的任意两相(例如A相和B相)之间。KMl的主触片连接在低压交流电与低压电阻Rl之间，KMl的副触片与KM2的线圈串联，KM2的主触片连接在低压电阻Rl与辅助绕组113之间。当可控开关接收到来自预充电控制单元23的低压预充电信号时，可控开关闭合，KMl的线圈通电后吸合KMl的主触片和副触片，从而给KM2的线圈通电；KM2的线圈通电后，吸合KM2的主触片，连通辅助绕组113与低压交流电，开始给辅助绕组113进行预充电。可控开关收到来自预充电控制单元23的低压预充电停止信号时进行类似的操作，本领域普通技术人员可以很容易推导得到，在此不再赘述。
[0052] 由于低压电阻的成本较低，这种使用低压电阻Rl作为低压限流元件的方案可以降低成本。但是，在高压变频器现场投运之前，往往需要进行反送电实验，即通过调压器接入移相变压器11的辅助绕组113，然后调节调压器的电压，从而检测是否存在故障(此实验对于一台高压变频器很重要)。因为调压器体积、重量很大，很多现场都不具备调压器，所以给工程人员造成了较大的不便。为了解决这个问题，最好能使用晶闸管调压器作为限流元件，这样不用自带调压器也可以完成反送电实验。
[0053] 请参见图3，是本发明另一个实施例提供的低压预充电单元21的电路图。如图3所示，并参见图1，低压限流模块包括一个晶闸管调压器QJCV，低压开关模块的结构与图2类似，不再赘述。
[0054] 这个实施例虽然增加了成本，但是，可以通过调节晶闸管调压器QJCV的触发角控制晶闸管调压器QJCV缓慢升压，从而使辅助绕组113的电压缓慢上升，逐渐建立起移相变压器的磁场，对变频系统电子元件的保护能力更强，进一步提高了系统可靠性，延长了系统使用寿命。[0055] 在预充电完成后，只需切除低压预充电单元21即可。例如，如图2和图3所示，可以在低压预充电单元21与低压交流电之间设置低压总开关QF1，QF1可以是断路器，在预充电前，闭合QF1，在预充电完成后，先断开KMl和KM2，然后通过断开QFl来移除低压预充电单元21。
[0056] 高压预冲电单元22可以包括高压限流模块(图1中未示出)和高压开关模块(图1中未示出)，所述高压限流模块和所述高压开关模块串联后连接在所述高压交流电(例如IOkV高压母线)与所述原边绕组111之间。下面将参考图4和图5描述低压预充电单元21的一些具体实现方式。
[0057] 请参见图4，是本发明一个实施例提供的高压预充电单元22的电路图。如图4所示，并参见图1，高压限流模块包括高压电阻，例如图4中所示的三个高压电阻R2，其中每个高压电阻R2分别连接在三相交流电的一个相支路中。
[0058] 如图4所示，并参见图1，高压开关模块包括电阻串联真空接触器KM3和电阻旁路真空接触器KM4。
[0059] 其中，KM4与高压电阻R2并联后，再与KM3串联连接在移相变压器11的原边绕组111与高压交流电(IOkv高压母线)之间。假设原始状态时KM3和KM4均是断开的，当预充电控制单元23检测到原边绕组111的的原边电压达到预设的电压阈值时，向KM3发出高压预充电信号，使KM3闭合，这时，高压交流电(即IOkV高压母线)经由高压电阻R2与高压变频器I连通，开始对高压变频器I进行预充电，直至预充电控制单元23检测到原边绕组的电流稳定时，闭合KM4，将高压电阻R2旁路，高压变频器I的预充电过程结束，开始正常工作。
[0060] 在图4所示的实施例中，虽然高压电阻R2被短路后不再起限流作用，但是在高压变频器I正常工作时R2仍连接在变频系统中，很可能造成安全隐患。在图5所示的实施例中，对高压开关模块的结构进行了相应的改进。
[0061] 请参见图5，是本发明另一个实施例提供的高压预充电单元22的电路图。如图5所示，并参见图1，高压限流模块包括高压电阻，优选地，还包括与高压电阻串联的熔断器，例如图5中所示的三个高压电阻R2和三个熔断器FUl，其中每个高压电阻R2和熔断器FUl串联后分别连接在三相交流电的一个相支路中。
[0062] 如图5所示，并参见图1，高压开关模块包括预充回路真空接触器KM5和旁路功能真空接触器KM6，所述预充回路真空接触器KM5与所述熔断器FUl和高压电阻R2串联后，再与所述旁路功能真空接触器KM6并联在移相变压器11的原边绕组111与高压交流电(IOkV高压母线)之间。假设原始状态时KM5和KM6均是断开的，当预充电控制单元23检测到原边绕组111的的原边电压达到预设的电压阈值时，向KM5发出高压预充电信号，使KM5闭合，这时，高压交流电(S卩IOkV高压母线)经由高压电阻R2、熔断器FUl与高压变频器I连通，开始对高压变频器I进行预充电，直至预充电控制单元23检测到原边绕组的电流稳定时，闭合KM6，将高压电阻R2和熔断器FUl短路，高压变频器I的预充电过程结束，开始正常工作。一段时间后(具体时间值可以预先进行设置)，预充电控制单元23控制KM5断开，彻底断开R2、FU1在变频系统中的通路。
[0063] 优选地，如图5所示，高压开关模块还可以包括高压预冲总开关QSl，KM5、KM6均经由QSl与高压交流电(即IOkV高压母线)连通，这样方便用户更好地对预充电装置进行控制。
[0064] 另外，整个高压变频器I通常还包括一个总开关QF2，可以安装在一高压进线柜中，连接在高压预充电单元22和高压交流电之间，便于用户对整个高压变频器I进行控制。
[0065] 另外，如图4和图5所示，在高压变频器中，往往设置有控制柜，用于对高压变频器的运行进行控制，在本发明的一些实施例中，预充电装置2中的预充电控制单元23可以集成在控制柜中。
[0066] 请参见图6，是本发明的给图1所示的变频系统中的高压变频器进行预充电的方法的流程图，该方法包括:
[0067] S601、利用一低压交流电对高压变频器的移相变压器的辅助绕组进行预充电。
[0068] S602、检测所述移相变压器的原边绕组通过电磁感应生成的原边电压。
[0069] S603、当所述原边电压达到预设的电压阈值时，利用一高压交流电对所述移相变压器的原边绕组进行预充电，并切断所述低压交流电，直至所述原边绕组的电流稳定。
[0070] 特别地，可以采用图3所示的低压预充电单元和图5所示的高压预充电单元，利用图6所示的方法对变频系统中的高压变频器进行预充电。首先通过晶闸管调压器QJCV对移相变压器11的辅助绕组113进行预充电，通过调整晶闸管调压器QJCV的输出来改变对移相变压器11的辅助绕组113施加的电压，在对辅助绕组113施加电压的同时移相变压器11内部建立磁通，移相变压器11的副边绕组112感应出电压，给功率单元12进行预充电，同时移相变压器11的原边绕组111感应出高压；通过升高晶闸管调压器QJCV的输出电压即可对功率单元12和移相变压器11进行缓慢的充电。当在移相变压器11的原边绕组侧检测出设定的电压值(即预设的电压阈值)时，预充电控制单元23向高压预充电单元12发出高压预充电信号，控制KM5合闸，同时断开移相变压器11的辅助绕组113侧通过晶闸管调压器QJCV充电的回路。在高压上电的3个周期(或者例如5s)内，移相变压器11的原边绕组111的电流趋向于稳定，可以通过时间继电器控制旁路功能真空接触器KM6，将移相变压器11的原边绕组111侧用于高压预充电的三个高压电阻R2和熔断器FUl旁路，此后整个变频系统完成上高压这一操作。
[0071] 在初次调试时，可以先通过晶闸管调压器QJCV对移相变压器11的辅助绕组113施加电压，并且暂不闭合移相变压器11的原边绕组111侧的高压预冲总开关QS1，保证整个变频系统只有通过移相变压器11的辅助绕组113感应出的电压，然后进行反送电实验，从而解决了每次需要带调压器到用户现场这一问题。
[0072] 实施本发明实施例，可以获得以下优势:有效的防止了因为容量太大在变频系统上高压瞬间引起的用户上级开关柜跳闸的缺陷；有效的对功率单元中的电容进行了预充电，防止在上电瞬间对功率单元内电容的冲击而造成功率单元使用寿命的减少；有效的解决了单纯的针对移相变压器辅助绕组充电充不满这一问题；有效的解决了单纯的针对移相变压器原边绕组充电导致单元充电时间短的问题；增加了这种重要负载的使用可靠性；方便了工程人员去现场做例行试验，大大减轻了工程人员在现场的工作量。
[0073] 以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
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