CN105743374A - 一种拓扑结构及控制方法优化的变频器低电压穿越电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变频器的具有新型拓扑及控制方法的低电压穿越电源装置。本装置连接到变频器内部整流桥输出端，在电网电压发生跌落时启动升压，维持变频器输入电压的正常，避免了负载电机停机。本装置由PWM功率模块、晶闸管、防逆流二极管和断路器组成。电压正常时，变频器直接从电网取电，本装置处于热备用状态，时刻监视变频器整流桥的输出电压，此时功率部分无电流。电压跌落时，启动PWM功率模块的整流升压功能并触发晶闸管，对变频器供电。为保证控制部分在电网电压跌落时不断电，从变频器内部整流桥输出端取电作为控制器电源。针对本装置可靠性要求高的特点，软件上设计了日自检、年自检、异常检测等手段，可及早排查系统异常。

Description

一种拓扑结构及控制方法优化的变频器低电压穿越电源装置

技术领域：

本发明涉及变频器应用领域，当电源电压跌落时及时升压保证变频器正常运行，特别适用于变频器因输入电压跌落会引起巨大损失的场所。

背景技术：

常规变频器通过整流和逆变控制来调节输出交流电压和频率，具有很好的调速和节能性能，配合过压、过流、过载等保护，使其在工业生产的很多领域得到应用，如变频空调、冶金行业的大型轧机控制、电梯、高架游览车控制、火力电厂的给煤机等。但是，当电网电压低于一定值(一般为额定电压的80％)时，变频器输出功率严重不足，并发生欠压停机保护，这在某些场合会引起事故，如火力电厂给粉变频电机。研制变频器低电压穿越电源是解决该问题的重要手段。

变频器低电压穿越电源的基本要求是，正常情况下由电网直接给变频器供电，低电压穿越电源处于热备用状态；当电网电压跌落到一定值时，低电压穿越电源快速启动向变频器提供额定电压和额定功率并维持一定时间；此外，控制回路电源及附件都需要具有低压穿越能力，防止低压时控制失效。

已有低电压穿越电源相关文献大多是将输入电源经三相不控整流电路和滤波电路变为直流电，输入到BOOST电路实现升压功能。如文献CN102299644A、CN103326385A、CN103545913A、CN103762865A、CN104578170A、CN203466765U、CN203707871U、CN203984225U，其中文献CN104578170A、CN203466765U、CN203707871U、CN203984225U采用单组BOOST升压电路，适用于中小功率变频器。此种电路结构运行时，会在三相电源输入端产生很大谐波，对电网产生污染，特别在电网存在故障导致电压跌落时，巨大的谐波污染会使电网电压进一步畸变，引起电网连锁恶化反应。文献3采用动态电压补偿方式，电路拓扑包括隔离变压器、单相全波整流电路、直流母线支撑电容、单相全桥逆变电路、LC滤波电路、全桥整流电路。此种电路组成部分较多，控制方式复杂，成本较高。对于控制电源的设计，已有文献多采用UPS单独供电或UPS与其他电源组合供电方式，如文献CN102299644A、CN103762865A、CN203466765U、CN203707871U。UPS需定时管理，且电池使用寿命短，对使用环境要求高。不仅会增加设备的维护量，还会为系统引入薄弱环节。文献CN103545913A将UPS作为BOOST升压电路的备用输入电源，同样会引入薄弱环节。

另外，低电压穿越电源要求在紧急热备时起作用，所以对控制策略可靠性和完备性具有极高要求，现有文献缺乏严密的控制策略设计，存在控制盲区。

针对现有文献资料和技术的不足，本发明设计了使用器件少、性能稳定、谐波小、对电网无污染、全闭环无盲区控制策略的低电压穿越电源。

发明内容：

本发明采用的技术方案包括：利用PWM功率模块的整流和升压功能，在电网电压跌落时，将电压升高并给变频器供电，避免变频器停机保护引起的拖动电机停转。三相电源经断路器、滤波电抗进入到PWM功率模块的输入端，经PWM功率模块作用后，从输出端流出并经过隔离晶闸管和防电流反流二极管达到变频器整流桥的输出端，驱动变频器工作。

控制器采集PWM功率模块输入端的三相交流电压和电流、输出端的直流电压和电流，作为设备启动判据和PWM功率模块的SPWM双环PI控制的反馈量。控制器输出的脉冲用来控制PWM模块的开关管和隔离晶闸管，完成设备的升压工作。当电网电压正常时，设备的断路器QF闭合，变频器直接从电网取电工作，低电压穿越电源处于热备用状态，功率部分不工作，没有电流通过。控制部分实时采集变频器内部整流输出端电压Udc的大小，当Udc的值小于启动阈值时，控制器发出脉冲触发PWM功率模块的开关管，并触发导通隔离晶闸管SCR。由PWM整流器实现稳定输出直流电压对变频器供电，此时由于电网输出电压低，不再直接对变频器供电。

为保证整个系统的正常工作，控制电源也要具有低电压穿越能力，即在输入电压降低时，向控制回路的供电保持稳定，控制器不会因断电而停止工作。针对此要求，本发明从变频器内部整流桥输出端直接取电，为控制器提供电源。在电网电压正常时，变频器供给控制器正常电源，在电网电压开始跌落时，控制器便会启动PWM功率模块进行升压，变频器输出侧电压经过较小幅度降落后又恢复正常，整个跌落过程的电压变化幅度都在控制电源可接受变化范围之内，控制器不会失电停机。

为控制功率回路可靠运行，设计了一套完备无运行盲区控制流程和控制算法。控制回路上电后进行设备初始化，后控制断路器QF合闸，再进入开机自检，即PWM功率模块进行升压工作，若升压不成功，即自检失败，控制器会立即停止功率部分工作，并将故障信号上传给上位机，等待检修。若升压成功，即自检成功，控制器不对功率部分进行其他操作，进入热备用待机状态。在热备用状态，实时采集输入端的三相交流电压和电流，并采集变频器内部整流桥输出侧直流电压作为设备是否启动升压的判据。当满足启动条件时，则利用设计的锁相、解耦控制、晶闸管触发判据，触发PWM功率模块的开关管和隔离晶闸管，实现升压和定直流电压。当电网电压恢复正常或达到最长工作时间后，功率部分停止升压工作，控制器再次进入热备用待机状态。由于设备长时间处于热备用待机状态，需自动定期对其进行状态检测，设计了日自检、年自检和设备异常检测，设备定时进行升压工作，工作正常则保持热备用待机状态，否则停机并将故障信息上传给上位机。

本发明具有以下优点：

功率回路部分，相比于现有的利用BOOST电路进行升压的拓扑来说，本拓扑节省功率器件，可以省掉整流桥和滤波电容，很大程度的节约了成本，特别在大功率的情况下，整流桥和电容器需要更大的裕量，会增大器件选型的难度。在使用效果上，本发明没有了整流桥，不会在输入端产生高次谐波，不会对电网产生污染。在电网电压跌落时，不会因设备产生的谐波污染导致电网状况的进一步恶化。

在控制器电源选择方式上，本发明在变频器内部整流桥输出端取电，作为控制电源给控制器供电。没有选用现有文献和技术所采用的利用UPS供电方式，避免给系统引入薄弱环节，省去了电池充放电管理，减少了设备的维护量。若在电网侧取电作为控制电源，较宽的电网电压变化范围会使得开关电源较难选取，且稳定性较差，在电网电压降到最低时，有很大可能会出现开关电源输出断电的情况，威胁控制器进而影响整个装置的正常运行。采用在变频器内部整流桥输出端取电并配合普通开关电源，便可实现对控制器的长期稳定供电。

在控制策略上，本发明给出了一整套控制流程和控制算法，且控制流程不存在控制盲区，保证了设备可以在各种工况下保持长期运行。本发明采用双环PI调节方式，并在软件上设计了日自检、年自检和异常检测等功能，提高了设备的可靠性。

附图说明：

附图1示出了一种拓扑结构及控制方法优化的低电压穿越电源装置拓扑图

附图2示出了低电压穿越电源装置系统控制流程图

具体实施方式：

如图1所示，本发明硬件部分可划分为功率回路部分和控制回路部分。功率回路包括断路器QF、PWM功率回路、隔离晶闸管(SCR)、防反电路；控制回路主要包括控制器电源部分、电压采样、电流采样、控制器、驱动电路等。

断路器QF为三相交流型开关，QF三相输入端与电网三相依次相接，输出端三相接PWM功率模块的三相电感输入端。当电网电压正常时，将断路器闭合，设备功率回路得电，若设备没有故障，断路器将一直保持闭合状态。

PWM功率回路由三相交流电感、六个全控器件IGBT以及输出侧滤波电容组成。三相交流电感一端连接到断路器QF的输出侧，另一端接到六个全控器件IGBT组成的三个桥臂的中点上，每个桥臂由两只IGBT组成，上桥臂IGBT的发射极与下桥臂IGBT的集电极相连，所有上桥臂的集电极相连作为输出端正极，所有下桥臂的发射极相连作为输出端负极。C为滤波电容，连接到正负极之间。

隔离电路由晶闸管SCR构成，两端分别连接到PWM功率模块输出端与防反电路之间，晶闸管阳极连接到PWM功率部分的正极，负极连接防反二极管的阳极，用来隔离与连接本装置和变频器。

防反电路D由一对二极管组成，分别串接到输出线路的正负极上。接到正极上的二极管的阳极连接到晶闸管的阴极，二极管阴极接到变频器内部整流桥输出端正极；接到负极的二极管阴极连接到PWM功率模块输出端的负极，二极管阳极接到变频器内部整流桥输出端负极。加装防反电路的目的是防止变频器拖动的电机在制动时产生的回流流入本发明中。

从变频器内部整流桥输出端取电。从变频器内部整流桥输出端的正负极分别引出两条导线，连接到给控制器供电的开关电源输入端，开关电源输出端接到控制器，为其提供可用的电压等级。

采样电路需采集断路器QF之后，PWM功率模块电感之前的三相交流电压和电流，并将其连接到控制器，经dq变换后，作为双环PI调节的内环反馈量；还需采集变频器整流桥输出端的直流电压，并将其与启动阈值进行比较，判断是否触发电路进行升压。

控制器控制所有环节的工作。控制器具有开入开出功能、AD采样以及较强的运算能力。还具有看门狗自动复位等功能，可防止程序跑飞导致控制器死机。

驱动电路连接到控制器和PWM功率模块的开关管和晶闸管SCR上，在升压时用来控制开关管和隔离电路晶闸管的导通和关断。还具有将控制电与功率电隔离的功能，防止控制板被功率回路的强电所干扰。

本发明的控制系统流程图如图2所示。

控制器得电后，进行初始化处理，然后向断路器QF的电操机构发出合闸指令，电操机构驱动断路器合闸。合闸完毕，设备进入开机自检状态。若自检成功，设备进入热备用待机状态，若自检失败，设备自动跳闸停机并上传故障信号给上位机。设备进入热备用待机状态后，实时采集变频器整流桥输出的直流电压Udc的大小，当电压低于启动阈值时(一般为额定电压的90％左右)，控制器启动PI双环控制，最后输出三相正弦调制波。采用经典SPWM法对三相正弦波进行解调，得到的脉冲列触发PWM功率模块的开关管。电压恢复或设备到达最长工作时间时，设备停止发波，再次进入热备用待机状态。当设备处于热备用待机状态，若日自检时间或年自检时间到，设备进行自检。日自检为每天进行一次短暂的升压工作；年自检为每年进行一次断路器QF分闸后重新合闸操作，检验断路器是否故障。自检成功则回到热备用待机状态，失败则立即停机并将故障信号上传到上位机。同时，还进行故障监测，检测设备是否出现电压过大、电流过大、温度过高、断路器QF和晶闸管SCR状态异常等异常状态，若存在异常，自动停机并将异常信息上传给上位机。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种给变频器供电的低电压穿越电源装置，其特征在于，该装置的功率部分由断路器、PWM功率模块、隔离电路和防反电路组成；控制部分硬件由控制电源、控制器、采样电路、驱动电路组成，控制软件含有一套无运行盲区控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种给变频器供电的低电压穿越电源装置，其特征在于，所述的PWM功率模块由三相交流电抗器，六个全控器件IGBT构成三相全桥，以及在直流侧并联的滤波电容组成，作为整流和升压电路，将从电网得到三相交流电压升高到预设的直流电压值，并可保证交流输入端单位功率因数和正弦电流波形。

3.根据权利要求1所述的一种给变频器供电的低电压穿越电源装置,其特征在于，所述的控制电源从变频器的内部整流桥输出端取电，能抵抗各种恶劣工况的扰动，具有更高的供电可靠性。

4.根据权利要求1所述的一种给变频器供电的低电压穿越电源装置,其特征在于，所述的一套无运行盲区控制策略中，所有的开关量均有反馈，控制器发出开关命令后，会对其反馈状态量进行采集和处理，实现自动控制；升压过程采用PI双环算法，输出电压的设定值可调，双环自动转换；日自检、年自检配合异常检测功能，可及时排查设备故障；所有异常状况都有处理支路，并能自动或远程恢复正常。