CN106160517B - 一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统 - Google Patents

一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，包括电源转换电路和控制器；电源转换电路由三相整流电路、电容C1和降压电路并联而成，具有AC‑DC‑AC的拓扑结构；三相整流电路由三相交流整流桥臂并联而成，且每相交流整流桥臂均由两个二极管串联而成，且每相交流整流桥臂的串联点均连接位于输入母线上的三相空气开关QF1；降压电路由第一降压桥臂和第二降压桥壁并联而成，第一降压桥臂由IGBT管T1和IGBT管T3串联而成，第二降压桥臂由IGBT管T2和IGBT管T4串联而成，IGBT管T3的正极和IGBT管T4的正极构成降压电路的第一端部，IGBT管T1的正极和IGBT管T2的正极分别连接一个电感，两个电感并联，降压电路的第一端部与两个电感之间通过电容C2连接。

Description

一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统
技术领域
本发明涉及一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统。
背景技术
变频柴油发电机组包括变速发动机、永磁同步电机和控制器，其能根据负载功率的变化自动调整变速发动机的转速，从而改变永磁同步电机的输出频率和功率，使柴油发电机组始终工作在最节能的状态。变速发动机的机械动力转换为可变频率和可变电压的电源，经过开关电源整流环节输出稳定的恒压直流电，即使在非线性负载和不平衡负载的情况下，也能输出持续、稳定、不间断的电源。永磁同步电机有很多优势，采用无轴承外转子结构，简单的机械结构使电机具有长寿命，高效率和高可靠性，因无摩擦功率损失，综合效率可达96％以上，远高于小功率传统定速发电机。配用转速可调的变速发动机后输出功率可调，与负载可实现最佳匹配，变速发动机的功率输出与其转速相关而不是由喷油量决定，避免变速发动机因工作在低负载区而造成的积炭等损害，同时由于永磁同步电机没有励磁绕组、轴承等，可靠性也大幅提高。由于以上优点，变频柴油发电机组在小功率段机组应用愈来愈广泛。
由变频柴油发电机组发出的三相频率变化、电压变化的中频交流电，无法直接与常规负载匹配使用，须经由电源转换控制系统整流稳压为稳定的直流电或恒压工频交流电方可使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其在保证变频柴油发电机组能提供恒压的直流电的同时，实现了对于电源转换电路的有效保护。
实现上述目的的一种技术方案是：一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，包括电源转换电路和控制器；
所述电源转换电路由三相整流电路、电容C1和降压电路并联而成，具有AC-DC-AC的拓扑结构；
所述三相整流电路由三相交流整流桥臂并联而成，且每相所述交流整流桥臂均由两个二极管串联而成，且每相所述交流整流桥臂的串联点均连接位于输入母线上的三相空气开关QF1；
所述降压电路由第一降压桥臂和第二降压桥壁并联而成，所述第一降压桥臂由IGBT管T1和IGBT管T3串联而成，所述第二降压桥臂由IGBT管T2和IGBT管T4串联而成，IGBT管T3的正极和IGBT管T4的正极构成所述降压电路的第一端部，IGBT管T1的正极和IGBT管T2的正极分别连接一个电感，两个所述电感并联，所述降压电路的第一端部与两个所述电感之间通过电容C2连接，两个所述电感与所述电容C2形成LC滤波电路；
所述三相整流电路的两端，以及IGBT管T1的正极和IGBT管T2的正极均设有与所述控制器连接的电流传感器和电压传感器。
进一步的，所述变频柴油发电机组输出电源转换控制系统还包括EMI滤波器，两个所述电感与所述EMI滤波器的第二输入端之间设有防反二极管D0，所述EMI滤波器的第一输入端连接所述降压电路的第一端部，所述EMI滤波器的第二输出端连接直流母线，所述EMI滤波器的第一输出端连接0V电源线。
再进一步的，所述EMI滤波器上，以及所述防反二极管D0的正极均设有连接所述控制器的电流传感器和电压传感器。
进一步的，所述电压传感器通过光耦或者继电器进行隔离。
进一步的，所述电流传感器为非接触式电流传感器。
再进一步的，所述控制器和所述防反二极管D0的正极之间连接有的PID调节器电路。
进一步的，所述输入母线上设有输入功率因数感应电感。
进一步的，所述变频柴油发电机组输出电源转换控制系统还包括箱体，所述三相空气开关置于所述箱体内，所述电源转换电路和所述LC滤波电路均通过位于所述箱体内的接线端子连为一体。
再进一步的，所述控制器位于所述箱体的箱壁上，所述控制器上设有消声按钮，蜂鸣器和状态指示灯。
采用了本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统的技术方案，包括电源转换电路和控制器；所述电源转换电路由三相整流电路、电容C1和降压电路并联而成，具有AC-DC-AC的拓扑结构；所述三相整流电路由三相交流整流桥臂并联而成，且每相所述交流整流桥臂均由两个二极管串联而成，且每相所述交流整流桥臂的串联点均连接位于输入母线上的三相空气开关QF1；所述降压电路由第一降压桥臂和第二降压桥壁并联而成，所述第一降压桥臂由IGBT管T1和IGBT管T3串联而成，所述第二降压桥臂由IGBT管T2和IGBT管T4串联而成，IGBT管T3的正极和IGBT管T4的正极构成所述降压电路的第一端部，IGBT管T1的正极和IGBT管T2的正极分别连接一个电感，两个所述电感并联，所述降压电路的第一端部与两个所述电感之间通过电容C2连接，两个所述电感与所述电容C2形成LC滤波电路；所述三相整流电路的两端，以及IGBT管T1的正极和IGBT管T2的正极均设有与所述控制器连接的电流传感器和电压传感器。其技术效果是：其在保证变频柴油发电机组能提供恒压的直流电的同时，实现了对于电源转换电路的有效保护。
附图说明
图1为本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统的电路示意图。
图2为本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统的箱体内的左视、正视和右视展开示意图。
图3为图2的B向示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：
本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统包括电源转换电路1和EMI滤波器2，电源转换电路1包括并联设置的三相整流电路11、降压电路12和电容C1。
三相整流电路11由并联设置的A相交流整流桥臂、B相交流整流桥臂和C相交流整流桥臂组成。
所述A相交流整流桥臂由二极管D1和二极管D4串联而成，二极管D4的正极为A相交流整流桥臂的第一端部，二极管D1的负极为A相交流整流桥臂的第二端部。所述B相交流整流桥臂由二极管D2和二极管D5串联而成，二极管D5的正极为B相交流整流桥臂的第一端部，二极管D2的负极为B相交流整流桥臂的第二端部。所述C相交流整流桥臂由二极管D3和二极管D6串联而成，二极管D6的正极为C相交流整流桥臂的第一端部，二极管D3的负极为C相交流整流桥臂的第二端部。所述A相交流整流桥臂的第一端部、所述B相交流整流桥臂的第一端部和所述C相交流整流桥臂的第一端部构成三相整流电路11的第一端部，所述A相交流整流桥臂的第二端部、所述B相交流整流桥臂的第二端部和所述C相交流整流桥臂的第二端部构成三相整流电路11的第二端部。
三相交流整流电路11连接位于输入母线上的三相空气开关QF1，三相空气开关QF1同时连接二极管D1的正极、二极管D2的正极和二极管D3的正极，即A相交流整流桥臂的串联点、B相交流整流桥臂的串联点和C相交流整流桥臂的串联点。
降压电路12包括并联设置的第一降压桥臂和第二降压桥臂。
所述第一降压桥臂由IGBT管T1和IGBT管T3串联而成，IGBT管T3的正极为所述第一降压桥臂的第一端部，IGBT管T1的负极为所述第一降压桥臂的第二端部。所述第二降压桥臂由IGBT管T2和IGBT管T4串联而成，IGBT管T4的正极为所述第二降压桥臂的第一端部，IGBT管T2的负极为所述第二降压桥臂的第二端部。所述第一降压桥臂的第一端部和所述第二降压桥臂的第一端部连接成为降压电路12的第一端部，所述第一降压桥臂的第二端部和所述第二降压桥臂的第二端部连接形成降压电路12的第二端部。
三相整流电路11的第一端部和降压电路12的第一端部同时连接电容C1的第一端部，形成电源转换电路1的第一端部。三相整流电路11的第二端部和降压电路12的第二端部同时连接电容C1的第二端部，形成电源转换电路1的第二端部。
EMI滤波器2的第二输入端连接防反二极管D0的负极，EMI滤波器2的第一输入端与防反二极管D0的正极之间连接电容C2。
EMI滤波器2的第一输入端连接电源转换电路1的第一端部，防反二极管D0的正极与IGBT管T1的正极，即降压电路12的第一降压桥臂的串联点之间通过电感L1连接，防反二极管D0的正极与IGBT管T2的正极，即降压电路12的第二降压桥臂的串联点之间通过电感L2连接。电感L1和电感L2和电容C2组成了一组LC滤波电路。
本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统中的电源转换电路1根据变频柴油发电机组电源的技术要求，主拓扑采用AC-DC-AC的结构，由变频柴油发电机组的永磁同步电机输出的中频交流电经过三相整流电路11的不控整流，而变为直流电流，直流电流再经过降压电路12的交错buck降压后，以及由电感L1、电感L2和电容C2组成的LC滤波电路的滤波后，再通过防反二极管D0与EMI滤波器2，输出特定电压的恒压直流电。其中EMI滤波器2的第二输出端连接直流母线，EMI滤波器2的第一输出端连接0V电源线。
本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统还包括控制器3，控制器3通过数据采集信号线，同时连接位于三相整流电路1的三相交流整流桥臂的两端，即二极管D4、二极管D5和二极管D6的正极，以及二极管D1、二极管D2和二极管D3的负极的电流传感器和电压传感器，用于对三相整流电路1的输入电压和输入电流进行检测，并使控制器3对输入母线进行过电压保护，欠压保护。其中位于三相整流电路1的三相交流整流桥臂的两端的电流传感器为非接触式电流传感器。
控制器3通过数据信号线，连接位于IGBT管T1正极和IGBT管T3正极，即降压电路12的第一降压桥臂的串联点，以及第二降压桥臂的串联点上的电流传感器和电压传感器，用于检测IGBT管T1～T4的故障，并使控制器3对IGBT管T1～T4的驱动故障进行响应。其中位于降压电路12的第一降压桥臂的串联点，以及第二降压桥臂的串联点上的电流传感器为非接触式电流传感器。
另外一方面，控制器3通过数据信号线连接位于防反二极管D0正极的电流传感器和电压传感器，以及位于EMI滤波器2上的电流传感器和电压传感器，用于检测EMI滤波器2的输入电压和输入电流，以及输出电压和输出电流，确保EMI滤波器2的恒流或恒压输出，比如保证输出电压始终为+48V。另外控制器3也可以定设定EMI滤波器2的输出电流或输出电压的限值，该限值可调。EMI滤波器2的输出电压或输出电流达到限值时，维持输出电压或输出电流在限值不变。其中位于防反二极管D0正极和EMI滤波器2上的电流传感器为非接触式电流传感器。
因此在本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统中，电源转换电路1的三相整流电路11和降压电路12的配置满足三相负载平衡要求，同时满足多种测量与控制要求。
本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统中，电源转换电路1上的所有电压传感器均通过光纤、光耦或继电器与电源转换电路1进行隔离，位于防反二极管D0正极的电压传感器均通过光纤、光耦或继电器与防反二极管D0进行隔离，位于EMI滤波器2上的电压传感器均通过光纤、光耦或继电器与EMI滤波器2进行隔离。以降低耦合噪声，避免形成接地环路。
当输入电源电压，即输入三相整流电路11的电压在220V/380V±15％范围波动变化时，会影响到直流母线的电压，为确保直流母线的输出稳压要求，需要降压电路12的PWM调整占空比满足直流母线电压变化的要求，当输入电源电压降低引起直流母线电压下降时，控制器3会使降压电路12的PWM调整占空比自动加大以满足直流母线输出稳定电压要求，同样当输入电源电压增加引起直流母线电压上升时，控制器3会使降压电路12的PWM调整占空比自动减小满足直流母线输出稳定电压要求。
当电源转换电路1的输入功率因数不小于0.92时，由于EMI滤波器2连接的是非线性负载，对电源转换电路1污染大，因电源转换电路1本身AC-DC-AC的拓扑特点，输入前级的交流转直流整流单元，即三相整流电路11的输入功率的功率因数被拉低，为使输入三相整流电路11的输入功率的功率因数不小于0.9，输入母线上采用输入功率因数感应电感(图中未显示)，使电源转换电路1在满载工作时的输入功因数大于0.9。
当输入电压变化或输出负载的功率变化时，一般都会引起输出电压的变化，控制器3通过电压负反馈的方式实时反馈调节输出电压，再配合优化的与控制器3和防反二极管D0的正极连接的PID调节器电路(图中未显示)，使得输出电压控制在输出稳定的基础上，有较快的响应速度确保其闭环控制的幅频特性和相频特性均在优化状态，进一步确保负载稳压率和电源稳压率在指标要求之内。
本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统的功能体现在：
检测由直流母线输出的输出电压并与标准电压进行比较，当输出电压超过设定上限时，控制器3切断电源转换电路1，使得输出电压终止输出并报警。
检测降压电路12上的IGBT管T1～T4上电流信号，当IGBT管T1～T4中任意一个短路损坏时，信号反馈到控制器3上，控制器3切断降压电路12的输出并报警。
检测由直流母线输出的负载电流信号并判断负载电流信号状态，依负载电流信号状态，确定为延时保护、立即保护或忽略不保护等。当直流母线的输出电压很低且负载电流很大时视其为短路状态并立即关断电源转换电路1的输出。
控制器3检测与输入母线连接模组和变压器温度，当其温度高于安全温度时，切断电源转换电路1的输出并报警。
控制器3检测输入母线上的输入欠压及输入缺相，当检测到输入母线的电压低于设定值时，切断电源转换电路1的输出并报警。
同时强电磁辐射环境可能会对控制器3产生电磁辐射干扰，控制器3安装在兼容特殊电磁条件的控制电路板上；在强电磁辐射环境下，控制器3可能会受到共用电源转换电路1的其他设备的电磁传导干扰，同时电源转换电路1也可能会对电网或负载产生传导干扰，此部分在设计时优化与输入输出滤波功能匹配相应的EMI滤波器2，及高频电感，即电感L1和电感L2，确保电源在整个系统中安全可靠工作。
本发明的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统还包括箱体5，三相空气开关QF1位于箱体5内，箱体5内，电源转换电路1、所述LC滤波电路、防反二极管D0和EMI滤波器2通过接线端子4连为一体。箱体5的左壁和右壁的下部均设有通风孔51。控制器3位于箱体5右壁的上部，控制器3上设有消声按钮TB，蜂鸣器FM和状态指示灯HD，电源转换电路1正常工作指示灯HD显示为绿色，电源转换电路1故障指示灯HD显示为红色。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，包括电源转换电路和控制器；其特征在于：
所述电源转换电路由三相整流电路、电容C1和降压电路并联而成，具有AC-DC-AC的拓扑结构；
所述三相整流电路由三相交流整流桥臂并联而成，且每相所述交流整流桥臂均由两个二极管串联而成，且每相所述交流整流桥臂的串联点均连接位于输入母线上的三相空气开关QF1；
所述降压电路由第一降压桥臂和第二降压桥臂并联而成，所述第一降压桥臂由IGBT管T1和IGBT管T3串联而成，所述第二降压桥臂由IGBT管T2和IGBT管T4串联而成，IGBT管T3的正极和IGBT管T4的正极构成所述降压电路的第一端部，IGBT管T1的正极和IGBT管T2的正极分别连接一个电感，两个所述电感并联，所述降压电路的第一端部与两个所述电感之间通过电容C2连接，两个所述电感与所述电容C2形成LC滤波电路；
所述三相整流电路的两端，以及IGBT管T1的正极和IGBT管T2的正极均设有与所述控制器连接的电流传感器和电压传感器，
所述变频柴油发电机组输出电源转换控制系统还包括EMI滤波器，两个所述电感与所述EMI滤波器的第二输入端之间设有防反二极管D0，所述EMI滤波器的第一输入端连接所述降压电路的第一端部，所述EMI滤波器的第二输出端连接直流母线，所述EMI滤波器的第一输出端连接0V电源线。
2.根据权利要求1所述的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其特征在于：所述EMI滤波器上，以及所述防反二极管D0的正极均设有连接所述控制器的电流传感器和电压传感器。
3.根据权利要求1～2中任意一项所述的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其特征在于：所述电压传感器通过光耦或者继电器进行隔离。
4.根据权利要求1～2中任意一项所述的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其特征在于：所述电流传感器为非接触式电流传感器。
5.根据权利要求1所述的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其特征在于：所述控制器和所述防反二极管D0的正极之间连接有的PID调节器电路。
6.根据权利要求1所述的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其特征在于：所述输入母线上设有输入功率因数感应电感。
7.根据权利要求1所述的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其特征在于：所述变频柴油发电机组输出电源转换控制系统还包括箱体，所述三相空气开关置于所述箱体内，所述电源转换电路和所述LC滤波电路均通过位于所述箱体内的接线端子连为一体。
8.根据权利要求7所述的一种变频柴油发电机组输出电源转换控制系统，其特征在于：所述控制器位于所述箱体的箱壁上，所述控制器上设有消声按钮，蜂鸣器和状态指示灯。
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