CN103762920B - 用于发电机的变流器及其发电供电装置 - Google Patents

用于发电机的变流器及其发电供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于发电机的变流器，包含依次连接的整流器、电容器、逆变器和输出开关，其特征在于，还包括一双向DC/DC变换器、一启动开关、一储能单元和一控制单元。本发明的变流器具有对发动机的启动和充电的功能，省去了发动机庞大的启动机和充电器，大大降低了带有发动机发电机的发电系统的体积及成本，同时在发动机、发电机、整流器、电容器或逆变器等出现异常的时，能保证对负载的持续供电，大大提高了系统的可靠性。

Description

用于发电机的变流器及其发电供电装置
技术领域
本发明涉及变流器领域，特别涉及应用于发电机的变流器及其发电供电装置。
背景技术
发电机供电设备一般采如下两种方式对负载提供电能：
（1）发电机直接输出供给负载
即直接供电给负载，要求发电机输出电压恒频恒压，带有AVR（电压自动调节器）功能，这类供电设备存在以下缺点：一、无论轻载还是重载都处于全速运行状态，耗费较多的能量；二、由于存在机械惯性、发电机内部寄生参数等多种因素，发电机输出的电能质量较差：输出电压稳定度差、动态频率稳定度差、动态负载适应能力差、波形质量差，当较大负载投入时发电机还可能因调节不及时引起停机；三、由于负载为50/60Hz，要求发电机的输出电压频率也必须是50/60Hz，使得发电机体积庞大；四、当负载不平衡，或负载中含有谐波或无功成分时将严重影响发电机的负载能力、运行平稳度和输出波形质量；五、各设备间很难并联运行，即使并联运行，也对系统性能有较大的降低。直接输出电压的发电机只能用于一般的对电压要求不严格的设备。
（2）发电机经过变流器处理后供给负载
即经过变流器处理供给负载，这类供电设备在传统发电机的输出串联一级变流器，如附图1所示，变流器13通常由依次连接的整流器131、电容器132、逆变器133、输出开关134构成，变流器的输入端接至发电机12，发动机11接至发电机13，变流器13的输出端接至负载14，其中发动机必须包含充电器、启动器以及电池。发电机经过变流器处理后供给负载主要实现以下几个功能：一、对发电机输出的电能进行恒频恒压处理，得到质量非常高的电能，直接供电的发电机存在的输出电能质量问题将得到全面改善；二、经过控制优化的变流器对发电机而言相当于质量较好的负载：负载对称、电压平稳、谐波含量少、负载动态较缓慢，能最大限度发挥发电机的效用并起到很好的保护作用；三、变流器输出的电压可以通过先进的控制技术实现并联运行，且不影响系统的供电质量，不降低系统的供电能力。
然而当前的带有变流器的发电设备都是在传统的发动机——发电机系统的基础上改进而来，发动机包含了充电器、启动器以及电池，存在系统重、体积庞大、成本高的特点。
公开号为1445923的发明专利“逆变器式携带混合发动机发电机”公开了一种发电设备，采用电池与发动机-发电机同时供电的方式提高负荷能力，同时根据负载调节发动机转速从而达到降低油耗的目的。用于电池升压的DC/DC变流器输出串联有一只二极管，使得DC/DC电源的能量只能由电池流向电容器；同时，在该专利中没有对发动机进行改进，不能省去启动器和充电器，仍存在体积大、成本高问题。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提出一种用于发电机的变流器及其发电供电装置，具体方案如下：一种用于发电机的变流器，包含依次连接的整流器、电容器、逆变器和输出开关，其特征在于：还包括一双向DC/DC变换器、一启动开关、一储能单元和一控制单元，所述控制单元分别连接所述整流器、电容器、逆变器、输出开关、双向DC/DC变换器和启动开关的控制端，所述双向DC/DC变换器连接所述电容器和所述储能单元，所述储能单元还连接所述控制单元的电源端，所述启动开关的一端连接所述逆变器的输出端，所述整流器的输入端作为所述变流器的输入端并接至所述启动开关的另一端，所述输出开关的输出端作为所述变流器的输出端。
进一步的，所述双向DC/DC变换器工作于升压模式时，将所述储能单元电压升压并储存在所述电容器中。
进一步的，所述双向DC/DC变换器工作于降压模式时，将所述电容器电压降压并储存在所述储能单元中。
进一步的，所述双向DC/DC变换器为非隔离半桥、非隔离全桥、隔离半桥或隔离全桥构成的DC/DC变换器。
进一步的，所述启动开关为继电器、接触器、SCR、MOSFET或IGBT。
本发明还提供一种发电供电装置，包括所述的用于发电机的变流器，所述变流器的输出端用于连接负载，所述变流器的输入端连接一发电机的输出端，所述发电机的输入端连接一发动机，且所述发动机不包含充电机和启动器。
进一步的，所述变流器中的储能单元用所述发动机中的电池等效替换。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的用于发电机的变流器与现有技术的变流器相比增加了双向DC/DC变换器和启动开关，通过双向DC/DC变换器对电容器进行充电，利用逆变器、转换开关实现对发动机的启动，同时，双向DC/DC变换器可以对发动机的蓄电池进行充电，从而替代原发动机中启动器与充电器的，省去发动机原有的庞大的启动机与充电器，减少了发动机发电机的发电装置的体积及成本，另外，在发电机、发动机、整流器、电容器或者逆变器出现异常时，仍能保证对负载供电，提高发电系统的可靠性。
附图说明
图1现有技术的带有变流器的发动机、发电机发电系统；
图2本发明的用于发电机的变流器的原理框图；
图3本发明中双向 DC/DC变换器工作于升压模式的原理框图；
图4本发明中发电机启动的原理框图；
图5本发明中发电机启动后的运行原理框图；
图6本发明中发电机稳定运行后的运行原理框图；
图7本发明中发电机或发动机异常时，发电系统的运行原理框图；
图8本发明中整流器、电容器或逆变器常时，发电系统的运行原理框图；
图9本发明利用发电机的蓄电池的发电装置的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明提供一种用于发电机的变流器3，包含依次连接的整流器31、电容器32、逆变器33和输出开关34（用于发电机的变流器的发电供电装置中，优选接触器），还包括一双向DC/DC变换器36、一启动开关35、一储能单元38和一控制单元37，所述控制单元37分别连接所述整流器31的控制端、电容器32的控制端、逆变器33的控制端、输出开关34的控制端、双向DC/DC变换器36的控制端和启动开关35的控制端，所述双向DC/DC变换器36连接所述电容器32和所述储能单元38，所述储能单元38还连接所述控制单元37的电源端，用以为所述控制单元37供电，所述启动开关35的一端连接所述逆变器33的输出端，所述启动开关35的另一端接至所述整流器31的输入端，所述整流器31的输入端为所述变流器3的输入端，所述输出开关34的输出端作为所述变流器3的输出端。
所述双向DC/DC变换器36可以是非隔离半桥、非隔离全桥、隔离半桥或隔离全桥构成的DC/DC变换器，它的主要功能在于：所述双向DC/DC变换器36工作于升压模式时，将所述储能单元38电压升压并储存在所述电容器32中；所述双向DC/DC变换器36工作于降压模式时，将所述电容器32电压降压并储存在所述储能单元38中。
优选的，所述启动开关可以是继电器、接触器、SCR（可控硅）、MOSFET（金氧半场效晶体管）或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等。
本发明还提供一种发电供电装置，包括所述的用于发电机的变流器3，所述变流器3的输出端用于连接一负载4，所述变流器3的输入端连接一发电机2的输出端，所述发电机2的输入端连接一发动机1，且所述发动机1不包含充电机和启动器。其中，整流器31用于将发电机2输出的交流电转换为直流电，发动机1用于将化学能转换为机械能，发电机2用于将机械能转化为电能输出。另外，如图9所示，所述变流器3中的储能单元38可以用所述发动机1中的（蓄）电池39等效替换。
本发明的具体工作原理如下：
a、如图3所示，变流器3的控制单元37由储能单元38开始供电，控制单元37控制双向 DC/DC变换器36工作于升压模式，将储能元件38电压升压并储存在电容器32中；
b、如图4所示，当电容器32的端电压达到一定值时，控制单元37控制逆变器33工作于变频变压模式，并且，控制单元37控制启动开关35闭合，发电机2变为电动机推动发动机1启动；
c、当发动机1启动达到自持转速后，发动机1自行维持运行；
d、如图5所示，控制单元37控制双向DC/DC变换器36断开，并且控制启动开关35断开，整流器31启动，逆变器33启动并工作于恒频恒压模式，控制单元37控制输出开关34闭合，允许向负载4供电；
e、如图6所示，待系统运行稳定后，双向DC/DC变换器36工作于降压模式，将电容器32的电压降低到储能元件38电压，对储能元件38进行充电。
如图7所示，当发动机1或发电机2出现故障时，控制单元37控制双向逆变器36工作于升压模式，将储能元件38电压升压并储存在电容器32中，并通过逆变器33恒频恒压工作，给负载4供电。
如图8所示，当整流器31、电容器32或逆变器33出现故障时，控制单元37控制启动开关35闭合，发电机2产生的电能通过启动开关35、输出开关34，直接供给负载4供电。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于发电机的变流器，包含依次连接的整流器、电容器、逆变器和输出开关，其特征在于：还包括一双向DC/DC变换器、一启动开关、一储能单元和一控制单元，所述控制单元分别连接所述整流器、电容器、逆变器、输出开关、双向DC/DC变换器和启动开关的控制端，所述双向DC/DC变换器连接所述电容器和所述储能单元，所述储能单元还连接所述控制单元的电源端，所述启动开关的一端连接所述逆变器的输出端，所述整流器的输入端作为所述变流器的输入端并接至所述启动开关的另一端，所述输出开关的输出端作为所述变流器的输出端；
所述双向DC/DC变换器工作于升压模式时，将所述储能单元电压升压并储存在所述电容器中；
所述双向DC/DC变换器工作于降压模式时，将所述电容器电压降压并储存在所述储能单元中；
其中：
a、所述控制单元由所述储能单元开始供电，所述控制单元控制所述双向 DC/DC变换器工作于升压模式，将所述储能单元电压升压并储存在所述电容器中；
b、当所述电容器的端电压达到预设电压阈值时，所述控制单元控制所述逆变器工作于变频变压模式，并且，所述控制单元控制所述启动开关闭合，发电机变为电动机推动发动机启动；
c、当发动机启动达到自持转速后，发动机自行维持运行；
d、所述控制单元控制所述双向DC/DC变换器断开，并且控制所述启动开关断开，所述整流器启动，所述逆变器启动并工作于恒频恒压模式，所述控制单元控制所述输出开关闭合，允许向负载供电；
e、待系统运行稳定后，所述双向DC/DC变换器工作于降压模式，将所述电容器的电压降低到所述储能单元电压，对所述储能单元进行充电；
当发动机或发电机出现故障时，所述控制单元控制双向DC/DC变换器工作于升压模式，将所述储能单元电压升压并储存在所述电容器中，并通过逆变器恒频恒压工作，给负载供电；
当所述整流器、所述电容器或所述逆变器出现故障时，所述控制单元控制所述启动开关闭合，发电机产生的电能通过启动开关、输出开关，直接供给负载供电；
所述双向DC/DC变换器为非隔离半桥、非隔离全桥、隔离半桥或隔离全桥构成的DC/DC变换器；
所述启动开关为继电器、接触器、SCR、MOSFET或IGBT。
2.一种发电供电装置，包括所述权利要求1中所述的用于发电机的变流器，其特征在于：所述变流器的输出端用于连接负载，所述变流器的输入端连接一发电机的输出端，所述发电机的输入端连接一发动机，且所述发动机不包含充电机和启动器；
所述变流器中的储能单元用所述发动机中的电池等效替换。
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