CN104967303A - 智能电能路由器直流单元自启动控制装置和自启动方法 - Google Patents
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Abstract
一种智能电能路由器直流单元自启动控制装置和自启动方法，其输入侧H桥控制电路通过第一取能线圈从输入侧电源取电，输出侧H桥控制电路通过第二取能线圈从输出侧直流电容取电；该变换器的自启动方式包括:输出侧H桥开关闭锁，相当不控整流桥，调节输入侧H桥的开关状态，使得输入侧H桥输出交流方波占空比D从0逐渐上升到0.5。当输出侧直流电容电压稳定后，输出侧H桥开关改为可控状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能电能路由器直流单元的自启动控制装置和自启动方法。
背景技术
智能电能路由器直流单元的输入侧和输出侧H桥开关为可控开关器件，能够实现能量的双向流动，中间的高频变压器具有电气隔离的作用，同时具有体积小、功率密度大的优点，智能电能路由器直流单元在机车牵引、电力电子变压器、可再生能源发电等场合有着重要的应用。
智能电能路由器直流单元通常为模块级联形式或者与其他类变换器，如AC/DC、DC/AC，构成高压、大功率的能量转换系统。智能电能路由器直流单元的自启动方式对其所在的能量转换系统的自启动方式有着参考意义。
在现有的直流单元自启动方式中，有的通过在直流电压输入侧串联可变电阻的方法，通过改变串联电阻的阻值大小，使得输入侧H桥直流电压从较小的数值逐步升高，但是串联电阻会增加损耗，并且机械触点降低了可靠性；有的采用辅助电路，但是采用这种方法增加了电路控制的复杂性，并且不能实现输入侧H桥和输出侧H桥控制电路的电气隔离。
发明内容
本发明旨在克服现有智能电能路由器直流单元自启动方式的缺点，提出一种智能电能路由器直流单元的自启动控制装置和自启动方法。本发明可减少辅助电路和控制的复杂性，提高系统的可靠性，实现输入侧和输出侧电路的真正电气隔离，使得输出侧直流电容电压平缓上升，避免电容充电过程中的电流冲击。
本发明的智能电能路由器直流单元自启动控制装置，包括输入侧H桥控制电路、输出侧H桥控制电路、第一取能线圈和第二取能线圈四部分。输入侧H桥控制电路由第一取能线圈供电，输出侧H桥控制电路由第二取能线圈供电。第一取能线圈的高压侧正端与智能电能路由器直流单元的输入侧电源正端相连，第一取能线圈的高压侧负端与所述输入侧电源的负端相连；第一取能线圈的低压侧正端与输入侧H桥控制电路的正端相连，第一取能线圈的低压侧负端与输入侧H桥控制电路的负端相连。第二取能线圈的高压侧正端与智能电能路由器直流单元的输出侧直流电容正端相连，第二取能线圈的高压侧负端与所述输出侧直流电容的负端相连，第二取能线圈的低压侧正端与输出侧H桥控制电路的正端相连，第二取能线圈的低压侧负端与输出侧H桥控制电路的负端相连。
取能线圈的供电电压上升到某个数值时才能正常工作，其最低工作电压值与取能线圈的型号有关。在智能电能路由器直流单元刚开始工作时，输出侧直流电容电压值从零开始上升，而第二取能线圈从输出侧直流电容上获取电能，因此只有输出侧直流电容电压上升到第二自取能工作的最低电压时，第二取能线圈才开始工作。
输入侧H桥控制电路和输出侧H桥控制电路的电能分别从智能电能路由器直流单元的输入侧电源和输出侧直流电容上获取，而输入侧电源与输出侧直流电容之间有高频变压器隔离，因此输入侧H桥控制电路和输出侧控制电路实现了真正的电气隔离。
本发明自启动装置的自启动方法如下：
系统上电前，智能电能路由器直流单元与负载串联的机械开关断开，负载没有接入到智能电能路由器直流单元中。系统上电，第一取能线圈从输入侧直流电源获得电能，开始工作，输入侧H桥控制电路控制输入侧H桥输出的交流方波电压占空比D从0逐步上升到0.5，占空比D逐步上升的时间间隔为输出侧H桥控制电路的最小控制周期的整数倍。交流方波电压的频率大小等于谐振网络谐振频率大小。第二取能线圈和输出侧H桥控制电路不工作，输出侧H桥相当于不控整流桥。当智能电能路由器直流单元输出侧直流电容的电压达到第二取能线圈工作的范围时，第二取能线圈开始向输出侧控制电路供电，输出侧控制电路才能够控制输出侧H桥开关的开通和关断。当输入侧H桥输出的交流方波电压占空比D为0.5时，输出侧H桥控制电开始控制输出侧H桥开关状态，控制方式与智能电能路由器直流单元的控制策略有关。闭合机械开关，负载接入到系统中，完成智能电能路由器直流单元自启动。
本发明自启动控制装置和自启动方法也同样适用于智能电能路由器直流单元以模块级联形式组成的能量转换系统。
附图说明
图1为智能电能路由器直流单元自启动装置示意图；
图2为为智能电能路由器直流单元串联谐振DC/DC变换器自启动装置图；
图3为自启动策略输出直流电压仿真波形图；
图4为自启动策略输入侧H桥交流电流仿真波形图；
图5为自启动策略占空比D的仿真波形图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1所示为智能电能路由器直流单元自启动控制装置，智能电能路由器直流单元由输入侧H桥、输出侧H桥、高频变压器、谐振网络、输入侧直流电源，输出侧直流电容、负载等构成。输入侧直流电源与输入侧H桥相串联，输出侧H桥与输出侧直流电容相连，谐振网络和高频变压器在输入侧H桥和输出侧H桥之间。谐振网络有串联谐振、并联谐振、串并联谐振等形式，或者不加谐振网络，采用何种谐振方式与智能电能路由器直流单元的控制策略有关。
智能电能路由器直流单元自启动控制装置包括第一取能线圈、第二取能线圈、输入侧H桥控制电路和输出侧H桥控制电路。输入侧H桥控制电路由第一取能线圈供电，第一取能线圈高压侧正端与智能电能路由器直流单元输入电源的正端相连，第一取能线圈高压侧负端与所述输入电压的负端相连，第一取能线圈的低压侧正端与输入侧H的正端相连，第一取能线圈的低压侧负端与输入侧H桥的负端相连。输出侧H桥控制电路由第二取能线圈供电，第二取能线圈的高压侧正端与智能电能路由器直流单元输出侧直流电容的正端相连，第二取能线圈的高压侧负端与所述输出侧直流电容的负端相连，第二取能线圈的低压侧正端与输出侧H桥控制电路正端相连，第二取能线圈低压侧负端与输出侧H桥控制电路的负端相连。
第一取能线圈从输入侧直流电源获得电能再给输入侧H桥控制电路供电，第二取能线圈从输出侧直流电容获取电能再给输出侧H桥控制电路供电，输入侧直流电源与输出侧直流电容之间没有电气连接，中间相隔有高频变压器，因此输入侧H桥控制电路和输出侧H桥控制电路实现了电气隔离。
根据本发明的自启动装置的自启动方法如下：
系统上电前，智能电能路由器直流单元与负载串联的机械开关断开，负载没有接入到电路中。系统上电，第一取能线圈从输入侧直流电源取电开始工作，输入侧H桥控制电路控制输入侧H桥输出的交流方波电压占空比D从0逐步上升到0.5，方波电压的频率大小等于谐振网络谐振频率大小。第二取能线圈和输出侧H桥控制电路不工作，输出侧H桥相当于不控整流桥。当智能电能路由器直流单元输出侧直流电容的电压达到第二取能线圈工作的范围时，第二取能线圈开始给输出侧控制电路供电。当输入侧H桥输出的交流方波电压占空比D为0.5时，输出侧H桥控制电开始控制输出侧H桥开关状态，控制方式与智能电能路由器直流单元的控制策略有关。闭合机械开关，负载接入到系统中，完成智能电能路由器直流单元自启动。
以一台1000V/750V的智能电能路由器直流单元为例进一步说明本发明：该直流单元输入侧直流电压为1000V，输出侧直流电压为750V，高频变压器变比为1000：750，如图2所示，谐振网络的谐振方式为串联谐振。在高频变压器两侧串联谐振电容，谐振电容与高频变压器漏感构成谐振网络，谐振频率为10kHz，输出侧直流电容为1mF。负载为阻性负载10。
智能电能路由器直流单元输入侧电源开始供电前，确保与负载串联的开关K断开。输入侧电源开始供电，第一取能线圈从输入侧电源获得电能，将输入侧直流电压转换为输入侧H桥控制电路所需的电压大小，输入侧H桥控制电路输出控制信号g1、g2、g3、g4控制输入侧H桥的四个开关，使得输入侧H桥输出方波的占空比D从0逐步上升到0.5，输出侧直流电容电压逐步升高。当其上升到第二取能线圈工作的电压范围时，第二取能线圈开始为输出侧H桥控制电路供电。输出侧H桥控制电路输出控制信号g5、g6、g7、g8使得输出侧H桥开关处于闭锁状态。当占空比D上升到0.5后，输出侧H桥直流电容电压稳定。输入侧H桥控制电路输出控制信号g5、g6、g7、g8使得输入侧H桥开关按照正常运行时的策略有规律的开通和关断。闭合机械开关K，负载接入到电路中系统正常工作。
图5为占空比D的仿真波形图，占空比从0逐渐上升到0.5，所用时间为0.25s，0.3s时闭合机械开关K，负载接入到系统中。图3所示输出侧直流电容电压逐步升高，图4所示在输入侧H桥交流电流在预充电过程中包络线先上升后下降，系统切换到正常工作状态时无冲击电流。
Claims (4)
1.一种智能电能路由器直流单元自启动控制装置，其特征在于：所述的自启动控制装置包括输入侧H桥控制电路、输出侧H桥控制电路、第一取能线圈和第二取能线圈；输入侧H桥控制电路由第一取能线圈供电，输入侧H桥控制电路由第二取能线圈供电；第一取能线圈高压侧正端与智能电能路由器直流单元输入侧电源的正端相连，第一取能线圈的高压侧负端与所述输入侧电源的负端相连；第一取能线圈的低压侧正端与输入侧H桥控制电路的正端相连，第一取能线圈的低压侧负端与所述输入侧H桥控制电路的负端相连；第二取能线圈的高压侧正端与智能电能路由器直流单元输出侧直流电容的正端相连，第二取能线圈的高压侧负端与所述输出侧直流电容的负端相连，第二取能线圈的低压侧正端与输出侧H桥控制电路正端相连，第二取能线圈的低压侧负端与输出侧H桥控制电路的负端相连。
2.一种权利要求1所述的智能电能路由器直流单元自启动控制装置的自启动方法，其特征在于：所述的自启动方法为：
(1)断开智能电能路由器直流单元与负载相串联的机械开关K，负载不接入电路中；
(2)输入侧直流电源开始供电，第一取能线圈和输入侧H桥控制电路工作；调节输入侧H桥控制电路，使得输入侧H桥输出的交流方波电压占空比D从0逐渐上升到0.5；
(3)当智能电能路由器直流单元输出侧H桥直流电容的电压上升到第二取能线圈能工作的最低电压时，第二取能线圈开始工作；
(4)当智能电能路由器直流单元输出侧H桥直流电容的电压达到额定工作值时，输出侧H桥控制电路对智能电能路由器直流单元输出侧H桥开关进行控制，输出侧H桥开关由不控状态变为可控状态，使得输出侧H桥开关有规律的开通和关断；
(5)闭合智能电能路由器直流单元与负载相串联的机械开关K，将负载接入到电路中。
3.如权利要求2所述的智能电能路由器直流单元自启动方法，其特征在于，所述的输出侧H桥控制电路不工作时，输出侧H桥开关处于闭锁状态，输出侧H桥相当于不控整流桥。
4.如权利要求2所述的智能电能路由器直流单元自启动方法，其特征在于：所述步骤(2)中，输入侧H桥交流方波电压占空比D从0逐渐上升到0.5的过程中，占空比D逐步上升的时间间隔为输出侧H桥控制电路的最小控制周期的整数倍。
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