CN104466962A - 智能型消谐装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种智能型消谐装置，即使在电网失电和外部控制器失效情况下，也能完成消谐功能保证电源及负载安全。该智能型消谐装置将感性负载(例如电机类负载)和容性补偿功率因数装置(例如负载侧的补偿功率因数用电容组)的谐振视作交流源，通过将该交流源经过可控整流、直流侧短接的方式进行谐振能量的快速泄放，从而保证负载及供电电源的安全性。

Description

智能型消谐装置
技术领域
本发明涉及一种基于半导体功率器件设计的智能消谐装置。
背景技术
在工业领域中存在大量感性负载，为提高负载功率因数降低对电源的容量要求通常使用容性负载对其进行功率因数补偿，然而供电电源停机后感性负载和补偿功率因数的容性装置极易发生自由谐振产生极高电压破坏负载及电源设备。
针对以上问题，中国专利ZL201220557735(一种智能型消谐器)、ZL201120205412(消谐装置)、ZL200810011439.9(数字式自动消谐装置)分别提出了各自的解决方案，但这些装置都无法在控制电源失电或者微处理器失效条件下依然进行负载供电线路的可靠消谐，且电路复杂，难以保证在失电条件下负载及供电电源的安全。
发明内容
本发明提供一种智能型消谐装置，即使在电网失电和外部控制器失效情况下，也能完成消谐功能保证电源及负载安全。
本发明提出的基本解决方案如下：
一种智能型消谐装置,主要由智能控制器和执行器组成；所述执行器采用主要由晶闸管和二极管组成的可控整流拓扑结构，负载供电线路的每一相分别引出短接至可控整流拓扑结构中相应的交流侧；所述智能控制器包括控制电源电路、信号综合处理电路、外部控制接口电路、电压传感器、以及晶闸管驱动电路，其中，外部控制接口电路用以实现外部控制器与所述信号综合处理电路之间的控制和反馈信号的传输，信号综合处理电路通过晶闸管驱动电路输出晶闸管驱动信号；电压传感器在负载供电线路与可控整流拓扑结构之间的短接线路上取电，电压传感器的输出并联接入晶闸管驱动电路，使得在谐振时电压传感器输出的直流电压信号独立地通过晶闸管驱动电路为晶闸管提供驱动信号。
该电压传感器与信号综合处理电路之间没有信号传输，而直接作用于驱动电路形成驱动信号，因此规避了因外部控制器失效、信号处理电路失效而导致未能有效消谐的问题。当负载回路发生自由谐振时，可直接触发进行消谐，不依赖与外控制器、信号处理电路。电压传感器完成负载供电线路的电压采样的目的在于实时监测负载供电线路电压，当谐振过压时可直接输出直流信号通过驱动电路驱动晶闸管进行消谐。
基于以上基本方案，本发明还进一步就具体电路结构作如下优化限定：
对于晶闸管驱动电路：受外部控制器指令消谐时晶闸管驱动电流经由驱动供电电压源、二极管、驱动电阻注入晶闸管，最后通过场效应管形成回路，控制信号作用于光电耦合器初级，次级通过分压电阻R2上的电压控制场效应管进入饱和导通状态。这样，在负载回路谐振过压，无论此时控制器工作状态如何，均可通过电压传感器直接作用于驱动电阻导通晶闸管进行消谐。
可以采用三极管替代上述场效应管。
外部控制接口电路采用光纤接口电路和/或电平接口电路。
可控整流拓扑结构对应于三相的负载供电线路，包括相互并联的三路整流组件和一路电感，其中每一路整流组件为串联的晶闸管和二极管，负载供电线路的每一相分别引出短接至对应一路整流组件中晶闸管与二极管之间。
本发明具有以下优点：
可通过外部控制器发出控制信号实现消谐功能，也可在外部控制器失效的条件下通过自身的电压传感器当检测到负载供电线路上发生谐振时自动进行消谐。
执行器具有短时的大电流承受能力不仅可以保证消谐功能的快速性，有效地保证负载及电源安全，而且通过拓扑设计简化了驱动电路的设计，提高了消谐的快速性。
智能控制器在完成半导体功率器件的驱动功能外设计了光纤接口电路和电平接口电路，通过光纤接口电路保证消谐控制信号的抗干扰性和快速性，电平接口电路降低了对外部对接装置的接口要求。
该装置可广泛应用于感性负载的供电线路或供电电源中。
附图说明
图1为智能型消谐装置示意图。
图2为智能控制器功能示意图。
图3为智能控制器驱动电路示意图。
具体实施方式
下面根据实例详细说明本发明的结构和工作原理。
如附图1所示，智能型消谐装置主要由两部分组成：智能控制器和执行器。本发明的基本工作原理：将感性负载(例如电机类负载)和容性补偿功率因数装置(例如负载侧的补偿功率因数用电容组)的谐振视作交流源，通过将该交流源经过可控整流、直流侧短接的方式进行谐振能量的快速泄放，从而保证负载及供电电源的安全性。
如图1，设计了执行器中晶闸管和二极管的拓扑关系。通过晶闸管可控性实现了可控消谐的目的，且晶闸管可承受电流巨大，尤其是短时内可承受电流甚至可达额定电流的20倍。执行器通过可控整流、直流侧短接方式进行消谐动作，利用晶闸管和二极管的快速性保证了消谐动作的时效性，避免了接触器类消谐装置直接短接三相供电线路的延时较大问题，保证了消谐的快速性，有效保证了负载和供电设备的安全。
在晶闸管和二极管选型方面，可通过理论计算或计算机仿真得到消谐时的电流值，基于此电流值可以进行晶闸管和二极管模块的选型，供电线路上的电压值直接决定了晶闸管和二极管的耐压值，供电的频率直接决定了是否需要选用快速晶闸管。
智能控制器中的电压传感器不需要辅助供电，不仅可实现负载供电线路的实时电压监测而且在负载供电线路上发生谐振时能够为晶闸管提供驱动能量，实现了在市电失电、UPS失电和控制电源失电的条件下仍可自动进行消谐的功能，且该电压传感器在消谐装置内部的执行器与负载供电线路的短接线路上取电，避免了过多的接线。如图1所示，智能型消谐装置与负载供电线路只有3个连接点，即图中所示1、2、3连接点。
如附图3所示，本发明还优化设计了晶闸管驱动电路：包括驱动供电电压源、二极管、场效应管、光电耦合器、驱动电阻、分压电阻R1和分压电阻R2，其中，驱动供电电压源依次正向接二极管、驱动电阻、场效应管后接地，驱动电阻产生分压提供晶闸管的驱动信号；分压电阻R1和分压电阻R2串联接地且整体与驱动电阻和场效应管并联、也与电压传感器的输出并联，场效应管的栅极依次经分压电阻R1与分压电阻R2之间的分压节点、光电耦合器的输出侧一端接地；所述光电耦合器的输出侧为集电极开路形式，光电耦合器的输入侧接信号综合处理电路的输出使能。
在供电设备正常供电时，信号综合处理电路使能信号E通过光耦拉低MOSFET上的栅极电压使其工作在截止区，因此晶闸管G、K极间无电流流过，晶闸管不工作，即不进行消谐处理。
当信号综合处理电路使能信号E拉高时，驱动供电电压源在R2上产生的分压高于MOSFET开启门限值，MOSFET导通，则晶闸管接通实现消谐功能。
当负载供电线路发生谐振产生高压时(无论此时信号综合处理电路和驱动供电电压源等是否故障、失效)，电压传感器输出的直流电压信号直接导致在MOSFET的基极上R2上电压升高超过MOSFET开启门限值后，MOSFET导通进而使得晶闸管导通进行消谐功能。当然，为了使电压传感器在此时起到作用，要求在信号综合处理电路发生故障、失效时，使能信号E为高阻态。
晶闸管驱动电路中，VD1二极管可保证在电压传感器输出直流电压较低(负载供电线路未发生谐振)时，作用在R1和R2两端的电压和为驱动供电电压源输出电压减去其正向压降，通过R1和R2的分压保证光耦PHT1截止时可正常接通MOSFET进而接通晶闸管；而外电路发生谐振时电压传感器输出电压升高，迫使R2上分压升高直接导致MOSFET开通进而晶闸管接通进行消谐，此时VD1截止保证了驱动供电电压源的安全。
通过以上执行器和智能控制器的设计，即使在智能控制器失效条件下，仍可通过电压传感器驱动执行器中的晶闸管进行消谐，保证了消谐功能的可靠性。
智能控制器在晶闸管驱动电路设计基础上，进行光纤接口电路设计和电平接口电路设计。光纤接口电路的设计实现了外部控制器对消谐功能的控制，且保证了控制信号抗干扰性和快速性；而电平接口电路的设计同样可实现对消谐功能的控制，在保证快速性的基础上，降低了对外部装置的接口电路要求。外部控制器可通过图2中所示智能控制器中的光纤接口电路或电平接口电路对智能型消谐装置的工作状态进行监控。当外部控制器发出消谐命令后，触发光纤接口电路或电平接口电路并通过信号综合处理电路作用于晶闸管驱动电路，最终驱动图1中执行器进行消谐。
控制器的信号含义设计中，可设计消谐控制信号为光纤点亮而消谐反馈信号为光纤熄灭，有效提高了信号的正确性和可靠性；而电平接口电路可设计消谐控制信号为高电平而反馈信号为低电平，能够有效提高信号的正确性。并可针对外部控制器不同需要对控制信号的接口电路信号进行屏蔽。

Claims (5)

1.一种智能型消谐装置,主要由智能控制器和执行器组成；其特征在于：
所述执行器采用主要由晶闸管和二极管组成的可控整流拓扑结构，负载供电线路的每一相分别引出短接至可控整流拓扑结构中相应的交流侧；
所述智能控制器包括控制电源电路、信号综合处理电路、外部控制接口电路、电压传感器、以及晶闸管驱动电路，其中，外部控制接口电路用以实现外部控制器与所述信号综合处理电路之间的控制和反馈信号的传输，信号综合处理电路通过晶闸管驱动电路输出晶闸管驱动信号；
电压传感器在负载供电线路与可控整流拓扑结构之间的短接线路上取电，电压传感器的输出并联接入晶闸管驱动电路，使得在谐振时电压传感器输出的直流电压信号独立地通过晶闸管驱动电路为晶闸管提供驱动信号。
2.根据权利要求1所述的智能型消谐装置,其特征在于：受外部控制器指令消谐时晶闸管驱动电流经由驱动供电电压源、二极管、驱动电阻注入晶闸管，最后通过场效应管形成回路，控制信号作用于光电耦合器初级，次级通过分压电阻R2上的电压控制场效应管进入饱和导通状态。
3.根据权利要求2所述的智能型消谐装置,其特征在于：采用三极管替代所述场效应管。
4.根据权利要求1所述的智能型消谐装置,其特征在于：所述外部控制接口电路采用光纤接口电路和/或电平接口电路。
5.根据权利要求1所述的智能型消谐装置,其特征在于：所述可控整流拓扑结构对应于三相的负载供电线路，包括相互并联的三路整流组件和一路电感，其中每一路整流组件为串联的晶闸管和二极管，负载供电线路的每一相分别引出短接至对应一路整流组件中晶闸管与二极管之间。
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