CN104065058A - 一种三相独立控制的电压不平衡发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相独立控制的电压不平衡发生器，属于电力电子技术领域，包括正常输出电路，不平衡输出电路，隔离变压器，控制电路，上位机。正常输出电路由二极管H桥电路，功率开关器件及其保护电路构成，不平衡输出电路结构包括二极管H桥电路，功率开关器件及其保护电路和调压器。控制电路采集电压不平衡发生器的输入及隔离变压器的输出端电压，通过上位机实现数据的人机交换，同时根据输出电压的需要，通过上位机对控制电路发出指令，控制电路输出各功率开关器件的开通或关断的触发信号，驱动正常输出电路和不平衡输出电路工作，实现正常电压或不平衡电压的实时输出。

Description

一种三相独立控制的电压不平衡发生器

技术领域

本发明涉及一种电压控制发生器，具体是一种三相独立控制的电压不平衡发生器，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着微处理器、电力电子技术及现代控制理论的发展，在国家大力倡导节能减排的背景下，电力电子装置被大规模运用于电力系统及工业生产中，如变流器、电力有源滤波器、静止无功补偿装置等的应用。在上述电力电子装置的运行过程中，实际电网不平衡现象常有发生，此时，在电网平衡条件下设计的控制策略，会使电力电子装置出现不正常运行状况，容易产生非特征谐波，且三相电流不平衡、损耗增大等，进而会使电力电子装置运行性能下降，严重时会使电力电子装置发生故障，甚至烧坏电力电子装置等。因此，通常需要对电力电子装置在电网电压不平衡控制条件下的运行状况及控制策略进行研究，需要一种电压不平衡发生器在实验室条件下进行电网不平衡现象的模拟。

目前，常规的电压不平衡发生器的主体结构为变流器，以“交-直-交”的形式实现，价格昂贵，控制复杂。通常，采用两电平PWM变流器实现交流电压变化时，功率开关器件数量为十二个，成本较高，同时需要对变流器的整流及逆变部分分别进行控制，控制系统较为复杂，并且任何一个功率开关器件发生故障，直接导致电压不平衡发生器无法输出可靠的三相电压，甚至无法输出无电压不平衡现象的正常电压。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三相独立控制的电压不平衡发生器，适合在电力电子装置测试不平衡实验时模拟三相电压不平衡现象，特别是变流器装置、电力有源滤波器、静止无功补偿装置的不平衡实验的测试。本发明的目的是克服现有电压不平衡发生器的不足，提出了一种新的电压不平衡发生器。本发明采用三相独立的二极管H桥电路和功率开关器件及其保护电路,结构简单，所用功率开关器件数量少，成本大幅减少；同时控制简单，实时性能好，并且可实现三相电压的独立控制，能够实现电压的单相、多相变化，是一种有效且可靠的电压不平衡发生器设计方案。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种三相独立控制的电压不平衡发生器，包括正常输出电路、不平衡输出电路、隔离变压器、控制电路、上位机；正常输出电路的三相交流输入端与三相电网连接，其三相交流输出端与隔离变压器的输入端相连，经隔离变压器后输出电网电压，不平衡输出电路的三相交流输入端与三相电网连接，不平衡输出电路的三相交流输出端与隔离变压器的输入端连接；控制电路采样电压传感器传输的电压信号，通过上位机操作正常输出电路和不平衡输出电路的工作状态，控制电路输出触发信号，通过正常输出电路和不平衡输出电路来控制接通状态，改变电网电压。

正常输出电路包括三相独立的二极管H桥电路和功率开关器件及其保护电路。在三相正常输出电路的单相拓扑结构中，二极管H桥电路和功率开关器件及其保护电路并联；单相二极管H桥电路由四个功率二极管组成，两个功率二极管（Da1、Da2）串联与串联的功率二极管（Da3、Da4）并联，形成H桥拓扑结构，快恢复二极管D1与电阻R1和电容C1依次串联，并于功率开关器件Sa1两端，形成功率开关器件及其保护电路。

不平衡输出电路包括可独立控制的三相二极管H桥电路、功率开关器件及其保护电路和调压器，三相二极管H桥电路的输入端为不平衡输出电路的交流输入端，三相二极管H桥电路的输出端与调压器的输入端相连，调压器的输出端为不平衡输出电路的交流输出端；单相不平衡输出电路中，二极管H桥电路和功率开关器件及其保护电路并联；单相二极管H桥电路由四个功率二极管组成，两个功率二极管（D1a、D2a）串联与串联的功率二极管（D3a、D4a）并联，形成H桥拓扑结构，快恢复二极管Da与电阻Ra和电容Ca依次串联，并联于功率开关器件S1a两端，形成功率开关器件及其保护电路。

本发明正常输出电路和不平衡输出电路的控制均通过控制电路实现，在控制电路中，电压传感器采集三相交流输入电压及三相交流输出电压经AD采样芯片输入至FPGA/CPLD进行逻辑处理转换，得到的信息数据传递给DSP处理器。DSP处理器将三相电网电压和功率器件的开关状态的信息综合并经RS232或USB结口传递给上位机，上位机根据综合信息对DSP处理器进行参数设定。DSP处理器接收设定数据后，发出开通或者关断指令，经FPGA/CPLD处理转换产生功率开关器件及其保护电路中功率开关器件工作所需触发信号，触发信号由光电转换电路转换为光信号控制功率开关器件工作，从而实现对三相独立控制的电压不平衡发生器的远程实时控制。

本发明可以实现输出电网电压瞬时变化的模拟，满足电力电子装置控制算法测试研究的实时性及可行性，同时，选择不同功率等级的功率二极管及功率开关器件，可满足不同功率条件下的电网不平衡要求。调压器的数值决定了输出电压的数值，设置调压器的数值，可以输出不同的电压，实现了模拟电网不平衡电压的宽范围。

本发明的有益效果是：优化了系统结构，降低了成本，控制系统简单可靠；可实现三相电压的远程独立控制，能够实现电压的单相、多相变化，具备良好的瞬态模拟能力；采用DSP处理器及FPGA/CPLD，控制电路计算精度高，处理速度快；引入光电转换，光信号触发功率开关器件，抗干扰能力强。

本发明可满足电力电子装置在测试电网不平衡条件适应性时对电压不平衡发生器的需求，具有广阔的市场及应用前景。

附图说明

图1是三相独立控制的电压不平衡发生器原理图；

图2是正常输出电路结构图，其中：

(a)三相正常输出电路结构图；

(b)单相正常输出电路结构图；

图3是不平衡输出电路结构图,其中：

(a)三相不平衡输出电路结构图；

(b)单相不平衡输出电路结构图；

图4是控制电路结构框图；

图中：1、正常输出电路，2、不平衡输出电路，3、隔离变压器，4、控制电路，5、上位机，6、二极管H桥电路，7、功率开关器件及其保护电路，8、调压器，9、DSP处理器，10、FPGA/CPLD,11、AD采样芯片，12、光电转换电路，13、电压传感器，D1、快恢复二极管，R1、Ra电阻，C1、Ca、电容，Sa1、S1a功率开关器件，Da1～Da4、D1a～D4a、功率二极管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种三相独立控制的电压不平衡发生器原理图。本发明包括正常输出电路1、不平衡输出电路2、隔离变压器3、控制电路4、上位机5。正常输出电路1的三相交流输入端与三相电网连接，其三相交流输出端与隔离变压器3的输入端相连后输出电网电压，不平衡输出电路2的三相交流输入端与三相电网连接，不平衡输出电路2的三相交流输出端与隔离变压器3的输入端连接；控制电路4采样电压传感器传输的电压信号，通过上位机5决定正常输出电路1和不平衡输出电路2的工作状态，控制电路4输出触发信号，通过正常输出电路1和不平衡输出电路2来控制电路的接通状态，改变电网电压。

如图2所示，本发明的正常输出电路1包括三相独立的二极管H桥电路6和功率开关器件及其保护电路7。在单相正常输出电路1中，二极管H桥电路6和功率开关器件及其保护电路7并联；单相二极管H桥电路6由四个功率二极管（Da1～Da4）组成，串联的两个功率二极管（Da1、Da2）与串联的功率二极管（Da3、Da4）并联，形成H桥拓扑结构，快恢复二极管D1与电阻R1和电容C1依次串联，并于功率开关器件Sa1两端，形成功率开关器件及其保护电路7。

如图3所示，本发明的不平衡输出电路2包括三相独立的二极管H桥电路6、功率开关器件及其保护电路7和调压器8，三相二极管H桥电路6的输入端为不平衡输出电路2的交流输入端，三相二极管H桥电路6的输出端与调压器8的输入端相连，调压器8的输出端为不平衡输出电路2的交流输出端。在单相不平衡输出电路2中，二极管H桥电路6和功率开关器件及其保护电路7并联；单相二极管H桥电路6由四个功率二极管（D1a～D4a）组成，串联的两个功率二极管（D1a、D2a）与串联的功率二极管（D3a、D4a）并联，形成H桥拓扑结构，快恢复二极管Da与电阻Ra和电容Ca依次串联，并联于功率开关器件S1a两端，形成功率开关器件及其保护电路7。

如图4所示，控制电路4的结构框图。本发明的控制电路4由DSP处理器9，FPGA/CPLD 10,AD采样芯片11，光电转换电路12、电压传感器13组成；电压传感器13采集三相交流输入电压及三相交流输出电压经AD采样芯片11输入至FPGA/CPLD 10进行逻辑处理转换，得到的信息数据传递给DSP处理器9；DSP处理器9发出开通或关断指令，经FPGA/CPLD 10处理转换产生功率开关器件及其保护电路7中功率开关器件工作所需触发信号，触发信号由光电转换电路12转换为光信号控制功率开关器件工作；DSP处理器9将三相电网电压和功率器件的开关状态的信息综合经RS232或USB结口传递给上位机5，上位机5根据综合信息对DSP处理器9进行参数设定，实现对三相独立控制的电压不平衡发生器的远程实时控制。

本发明的具体实施流程如下：首先操作人员根据所需电压不平衡信息调节不平衡输出电路2中的调压器8，之后通过上位机5输入正常输出电压控制指令，控制电路4中的DSP处理器9接收到控制指令后，产生控制信号，FPGA/CPLD 10将控制信号处理产生驱动正常输出电路1中功率开关器件的驱动信号，驱动信号经光电转换电路12转换为光信号触发功率开关器件导通，输出正常三相交流电压；在需要产生不平衡电压时刻，操作人员通过上位机输入相关控制指令，控制电路4中DSP处理器9接收到控制指令后，产生控制信号，FPGA/CPLD 10将控制信号处理产生驱动正常输出电路1中功率开关器件的关断及不平衡输出电路2中相关功率开关器件导通的驱动信号，驱动信号经光电转换电路12转换为光信号触发功率开关器件关断和导通，输出不平衡的三相交流电压；在以上过程中，电压传感器13实时采集输入及输出的三相交流电压信息，经控制电路4处理后传输给上位机5，便于操作人员观察判断。

Claims (5)

1.一种三相独立控制的电压不平衡发生器，其特征在于包括正常输出电路（1）、不平衡输出电路（2）、隔离变压器（3）、控制电路（4）、上位机（5）；正常输出电路（1）由三相二极管H桥电路（6）和功率开关器件及其保护电路（7）构成，不平衡输出电路（2）包括三相二极管H桥电路（6）、功率开关器件及其保护电路（7）和调压器（8）构成，正常输出电路（1）的三相交流输入端与三相电网连接，其三相交流输出端与隔离变压器（3）的输入端相连后输出电网电压，不平衡输出电路（2）的三相交流输入端与三相电网连接，不平衡输出电路（2）的三相交流输出端与隔离变压器（3）的输入端连接；控制电路（4）采样电压传感器传输的电压信号，通过上位机（5）决定正常输出电路（1）和不平衡输出电路（2）的工作状态，控制电路（4）输出触发信号，通过正常输出电路（1）和不平衡输出电路（2）来控制调压器的接通状态，改变电网电压。

2. 根据权利要求1所述的一种三相独立控制的电压不平衡发生器，其特征在于，所述的正常输出电路（1）包括可独立控制的三相二极管H桥电路（6）和功率开关器件及其保护电路（7），单相正常输出电路（1）中，二极管H桥电路（6）和功率开关器件及其保护电路（7）并联；单相二极管H桥电路（6）由四个功率二极管组成，两个功率二极管（Da1、Da2）串联后与串联的功率二极管（Da3、Da4）并联，形成H桥拓扑结构，快恢复二极管D1与电阻R1和电容C1依次串联，并于功率开关器件Sa1两端，形成功率开关器件及其保护电路（7）。

3.根据权利要求2所述的一种三相独立控制的电压不平衡发生器，其特征在于，所述的正常输出电路（1）中三相二极管H桥电路（6）的输入端为正常输出电路（1）的交流输入端，三相二极管H桥电路（6）输出端为正常输出电路（1）的交流输出端。

4.根据权利要求1所述的一种三相独立控制的电压不平衡发生器，其特征在于，所述的不平衡输出电路（2）包括可独立控制的三相二极管H桥电路（6）、功率开关器件及其保护电路（7）和调压器（8），三相二极管H桥电路（6）的输入端为不平衡输出电路（2）的交流输入端，三相二极管H桥电路（6）的输出端与调压器（8）的输入端相连，调压器（8）的输出端为不平衡输出电路（2）的交流输出端；单相不平衡输出电路（2）中，二极管H桥电路（6）和功率开关器件及其保护电路（7）并联；单相二极管H桥电路（6）由四个功率二极管组成，两个功率二极管（D1a、D2a）串联后与串联的功率二极管（D3a、D4a）并联，形成H桥拓扑结构，快恢复二极管Da与电阻Ra和电容Ca依次串联，并于功率开关器件S1a两端，形成功率开关器件及其保护电路（7）。

5.根据权利要求1所述的一种三相独立控制的电压不平衡发生器，其特征在于，所述的控制电路（4）由DSP处理器（9），FPGA/CPLD(10),AD采样芯片（11），光电转换电路（12）、电压传感器（13）组成；电压传感器（13）采集三相交流输入电压及三相交流输出电压经AD采样芯片（11）输入至FPGA/CPLD(10)进行逻辑处理转换，得到的信息数据传递给DSP处理器（9）；DSP处理器（9）发出开通或关断指令，经FPGA/CPLD(10)处理转换产生功率开关器件及其保护电路（7）中功率开关器件工作所需触发信号，触发信号由光电转换电路（12）转换为光信号控制功率开关器件工作；DSP处理器（9）将三相电网电压和功率器件的开关状态的信息综合经RS232或USB结口传递给上位机（5），上位机（5）根据综合信息对DSP处理器（9）进行参数设定，实现对三相独立控制的电压不平衡发生器的远程实时控制。