CN104505931B

CN104505931B - 一种逆变电源用直流双电源转换开关

Info

Publication number: CN104505931B
Application number: CN201510030800.2A
Authority: CN
Inventors: 张艳军; 杨晟飞; 章建峰; 张振华; 杨祯
Original assignee: 704th Research Institute of CSIC
Current assignee: 704th Research Institute of CSIC
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN104505931A

Abstract

本发明涉及一种逆变电源用直流双电源转换开关，两组直流电源分别通过各自的输入EMI滤波器和转换单元接逆变电源直流母线电容，两组转换单元结构相同，均包括两个断路器、两个接触器、一个IGBT绝缘栅双极型晶体管和二极管，充分利用ATS导通损耗小和STS切换时间短的优势，将IGBT与接触器并联使用，IGBT在转换时工作，接触器在转换完成后导通，既保证快速转换，又解决了IGBT的散热问题，提高装置的效率。有自动控制和手动控制两种工作模式供用户选择，并可由用户任意设定一路直流电源为主用电，且可以在线检修，用户界面友好，体积小，重量轻，维修性好，具有较好的应用前景。

Description

一种逆变电源用直流双电源转换开关

技术领域

本发明涉及一种电力设备，特别涉及一种逆变电源用直流双电源转换开关。

背景技术

逆变电源将直流电转换成交流电为小型电网的负载供电，为保证可靠性，直流输入常采用两路直流电源，一路为主用，一路为备用。当主用电源断电时，自动转换到备用电源；当主用电源恢复供电时，自动转换到主用电源供电，两电源转换不影响逆变电源正常工作。常用的直流转换开关有自动转换开关ATS(Automatic Transfer Switch)和静态转换开关STS(Static Transfer Switch)。ATS将负载电路从一个电源自动换接至备用电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。但ATS为机械结构，以接触器为转换执行部件，转换时间在100ms左右，转换时间长，逆变器直流母线电压跌落严重，难以在此逆变电源系统中应用。STS为电源二选一自动切换系统，正常工作状态下，主电源正常时，负载通过主电源供电。在主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。STS采用晶闸管SCR(Silicon Controlled Rectifier)或IGBT作为开关器件，标准切换时间为≤8ms，不会造成敏感类负载断电。但SCR、IGBT存在导通损耗，需配散热器和风扇进行散热，致使STS体积、重量大，效率低。

发明内容

本发明是针对现在常用的直流转换开关存在的问题，提出了一种逆变电源用直流双电源转换开关，充分利用ATS导通损耗小和STS切换时间短的优势，将IGBT与接触器并联使用，IGBT在转换时工作，接触器在转换完成后导通，既保证快速转换，又解决了IGBT的散热问题，提高装置的效率。

本发明的技术方案为：一种逆变电源用直流双电源转换开关，两组直流电源分别通过各自的输入EMI滤波器和转换单元接逆变电源直流母线电容，两组转换单元结构相同，均包括两个断路器、两个接触器、一个IGBT绝缘栅双极型晶体管和二极管，第一接触器接在输入EMI滤波器输出和逆变电源直流母线电容前端之间，第二接触器并联在IGBT的集电极和发射极两端，IGBT与二级管串联接在两个断路器之间；一个断路器接输入EMI滤波器输出，另一个断路器接逆变电源直流母线电容前端；电压电流采样板采集两组直流电源输出端的电流电压信号送控制算法板，控制算法板发出IGBT驱动信号和接触器控制信号；IGBT驱动信号通过IGBT驱动电路控制IGBT导通或断开，接触器控制信号通过接触器控制电路控制接触器吸合和断开，IGBT和第二接触器同时接收控制算法板吸合信号，当第二接触器完全吸合后，断开IGBT，完成两组直流电源转换供电。

所述逆变电源用直流双电源转换开关，还包括面板，面板包括自动和手动控制开关、旁路开关和人机交互终端，自动和手动控制开关和旁路开关输入开关信号到控制算法板选择控制方式，其中旁路开关信号输入控制算法板，控制算法板输出控制信号控制第一接触器闭合，第二接触器和IGBT断开，两组直流电源任何一组旁路供电，人机交互终端与控制算法板互通，选择控制方式，并显示运行参数及运行状态。

所述二极管的阴极通过断路器接逆变电源直流母线电容，电压钳位同时防止逆变电源直流母线电容和其他电源倒灌，将两组直流电源独立开。

本发明的有益效果在于：本发明逆变电源用直流双电源转换开关，将IGBT与接触器并联使用，充分发挥ATS和STS各自的优势，转换速度快且损耗小。本发明有自动控制和手动控制两种工作模式供用户选择，并可由用户任意设定一路直流电源为主用电，且可以在线检修，用户界面友好，体积小，重量轻，维修性好，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明逆变电源用直流双电源转换开关结构示意图；

图2为本发明逆变电源用直流双电源转换开关控制示意图；

图3为本发明逆变电源用直流双电源转换开关控制流程图；

图4为本发明逆变电源用直流双电源转换开关静态转换波形图。

具体实施方式

如图1、2所示逆变电源用直流双电源转换开关结构和控制示意图，包括直流电源I10、直流电源II20、输入EMI滤波器I11、输入EMI滤波器II21、第一转换单元、第二转换单元、控制单元和逆变电源直流母线电容0。

第一转换单元，一端连接输入EMI滤波器I11，另一端与逆变电源直流母线电容0相连。第一转换单元由断路器I12、断路器II15、IGBT I13、二极管I14、接触器I18和接触器III17构成。IGBT I13和接触器I18并联作为转换开关，转换速度快且损耗小；断路器I12、断路器II15分别接在IGBT I13的集电极和二极管I14的阴极两端，用于在检修IGBT I13时断开，将IGBT I13与电隔离，确保安全在线检修；接触器III17接断路器I12前端和逆变电源直流母线电容前端，为了在检修IGBT I13时闭合导通，保证检修时对逆变电源直流母线电容0不间断供电；IGBT I13发射极和断路器II15之间串联的二极管I14作用是电压钳位，防止逆变电源直流母线电容0和直流电源II20的能量倒灌到直流电源I10，同时也避免了直流电源I10和直流电源II20之间的环流。

第二转换单元结构同第一转换单元，一端连接输入EMI滤波器II21，另一端与逆变电源直流母线电容0相连。第二转换单元由断路器III22、断路器IV25、IGBT II23、二极管II24、接触器II28和接触器IV27构成。IGBT II23和接触器II28并联作为转换开关，转换速度快且损耗小；断路器III22、断路器IV25分别接在IGBT II23的集电极和二极管II14的阴极，用于在检修IGBT II23时断开，将IGBT II23与电隔离，确保安全在线检修；接触器IV27接断路器III22前端和逆变电源直流母线电容0前端，为了在检修IGBT II23时闭合导通，保证检修时对逆变电源直流母线电容0不间断供电；IGBT II23发射极和断路器IV25之间串联的二极管I24作用是电压钳位，防止逆变电源直流母线电容0和直流电源I10的能量倒灌到直流电源II20，同时也避免了直流电源I10和直流电源II20之间的环流。

输入EMI滤波器I11和输入EMI滤波器II21，一端连接直流电源，另一端与转换单元相连；其作用是滤除差模和共模信号，抑制电磁干扰。

控制单元，包括电压电流采样板I16、电压电流采样板II26、面板4、控制算法板5和接口板8。电压电流采样板I16和电压电流采样板II26采集直流电源I10和直流电源II20输出电流电压信号，将采集的信号送接控制算法板5，采集直流电源的电压电流信号供控制算法板5判断直流电源使用状态；面板4由自动/手动控制开关1、旁路开关2、人机交互终端3构成；自动/手动控制开关1信号输入控制算法板5，供操作人员选择自动控制模式或手动控制模式；旁路开关信号输入控制算法板，供操作人员选择直流电源I旁路或直流电源II旁路；人机交互终端3与控制算法板5互通，供操作人员选择直流电源I10或直流电源II20为主用电，并显示运行参数及运行状态。控制算法板5接收电压电流采样板I16、电压电流采样板II26、面板4的信号，经过逻辑判断和算法处理，发出IGBT驱动信号和接触器控制信号；接口板8由IGBT驱动电路6和接触器控制电路7构成，接收控制算法板5发出的指令，经过功率放大后分别驱动IGBT 13、23和控制接触器17、18、27、28。

本发明的控制流程开机后，控制算法板5实时检测自动/手动控制开关1信号，判断本发明处于的控制模式；

1)在手动控制模式下，控制算法板5发出关闭IGBT I13、IGBT II23、接触器I18、接触器II28控制信号；同时检测旁路开关2信号，当操作人员选择直流电源I旁路，控制算法板5发出开通接触器III17控制信号，逆变电源由直流电源I旁路供电；当操作人员选择直流电源II旁路，控制算法板5发出开通接触器接触器IV27控制信号，逆变电源由直流电源II旁路供电；

2)在自动控制模式下，控制流程如图3，图中U_L、U_H分别正常电压的最低电压和最高电压，U_I10、U_II20分别为直流电源I10和直流电源II20的输出电压。控制算法板5首先判断直流电源I10和直流电源II20哪路电源为主用电源。以直流电源I10设为主用电源，直流电源II20设为备用电源为例介绍本发明的自动控制模式的流程。控制算法板5实时检测两路直流电源电压，当U_L<U_I10<U_H时，主电正常，关断IGBT II23、接触器II28并同时开通IGBT I13、接触器I18，IGBT I13开通速度快，较接触器I18提前开通，直流电源I10通过IGBT I13为逆变电源直流母线电容0供电，接触器I18闭合后，关断IGBT I13，直流电源I10通过接触器I18为逆变电源直流母线电容0供电，本发明处于主电供电状态。当U_I10>U_H或U_I10<U_L时，主电不正常，采用同样的方法判断备电是否正常，若备电也不正常，报警提醒；若备电正常，关断IGBTI13、接触器I18并同时开通IGBT II23、接触器II28，IGBT II23通速度快，较接触器II28提前开通，直流电源II20通过IGBT II23为逆变电源直流母线电容0供电，接触器II28闭合后，关断IGBT II23，直流电源II20通过接触器II28为逆变电源直流母线电容0供电，本发明处于备电供电状态。本发明处于备电供电状态时，当U_L<U_I10<U_H,主电恢复正常,关断IGBTII23、接触器II28并同时开通IGBT I13、接触器I18，转换到主电供电。由于接触器II28关断时间大于IGBT I13的开通时间，存在接触器II28与IGBT I13同时开通的状态，但电压钳位二极管I14和二极管II24避免了接触器II28与接触器II28同时导通时直流电源I 10和直流电源II20之间的环流。总之，IGBT只在转换过程中开通，开通持续时间为接触器的开通时间，约为100ms,转换完成后直流电源通过接触器为逆变电源直流母线电容0供电，充分利用了IGBT转换速度快，接触器导通损耗小的优点。

图4为本发明的静态转换波形，主备电转换时，逆变电源直流母线电压跌落约4％20V,逆变电源输出电压、电流正常，表明本发明具有较快的转换速度，能保证逆变电源正常工作。

Claims

1.一种逆变电源用直流双电源转换开关，两组直流电源分别通过各自的输入EMI滤波器和转换单元接逆变电源直流母线电容，两组转换单元结构相同，均包括两个断路器、两个接触器、一个IGBT绝缘栅双极型晶体管和二极管，第一接触器接在输入EMI滤波器输出和逆变电源直流母线电容前端之间，第二接触器并联在IGBT的集电极和发射极两端，IGBT与二级管串联接在两个断路器之间；一个断路器接输入EMI滤波器输出，另一个断路器接逆变电源直流母线电容前端；电压电流采样板采集两组直流电源输出端的电流电压信号送控制算法板，控制算法板发出IGBT驱动信号和接触器控制信号；IGBT驱动信号通过IGBT驱动电路控制IGBT导通或断开，接触器控制信号通过接触器控制电路控制接触器吸合和断开，IGBT和第二接触器同时接收控制算法板吸合信号，当第二接触器完全吸合后，断开IGBT，完成两组直流电源转换供电；其特征在于，还包括面板，面板包括自动和手动控制开关、旁路开关和人机交互终端，自动和手动控制开关和旁路开关输入开关信号到控制算法板选择控制方式，其中旁路开关信号输入控制算法板，控制算法板输出控制信号控制第一接触器闭合，第二接触器和IGBT断开，两组直流电源任何一组旁路供电，人机交互终端与控制算法板互通，选择控制方式，并显示运行参数及运行状态；所述二极管的阴极通过断路器接逆变电源直流母线电容，二极管起到电压钳位作用，电压钳位防止逆变电源直流母线电容与两组直流电源之间能量倒灌，阻断两路直流电源之间的环流，将两组直流电源独立开。