CN106208354A - 一种船用逆变电源双直流输入切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用逆变电源双直流输入切换装置，对应每路电源输入具有一个输入支路；具体包括PI控制器、波形发生器、第一全控型器件、第二全控型器件、第三全控型器件、第一驱动模块、第二驱动模块、电阻R、第一二极管D11、第四二极管D21，第一电压缓起单元、第一器件缓冲单元、第二电压缓起单元、第二器件缓冲单元；电压缓起单元，器件缓冲单元，器件驱动单元以及二极管构成一个输入支路；每个输入支路与直流电源相对应；本发明提供的船用逆变电源双直流输入切换装置，保证了船用逆变电源供电连续性；当逆变电源的其中一路输入直流电源故障时，能迅速的切换至另一路输入直流电源，以保证逆变器输出的连续性，并且切换过程可控、快速及安全。

Description

一种船用逆变电源双直流输入切换装置

技术领域

本发明属于船用电源技术领域，更具体地，涉及一种船用逆变电源双直流输入切换装置。

背景技术

在船舶电源技术领域，使用大功率逆变电源对船上交流负载进行供电；逆变电源的输入端一般包括2路直流电源输入，以确保当任意一路直流输入电源故障时，能迅速的切换至另一路输入直流电源，以保证逆变器输出的连续性；两路直流电源输入切换必须做到快速、安全无缝切换。

现有技术中依靠人工操作的切换方式包含故障发生、故障判断、执行切换、切换结束四个阶段，切换时间过长，无法保证交流供电连续性；另有利用二极管的单向导电性实现切换的方案，该方案具有如下缺陷：存在如下缺点：

(1)切换时间、切换过程不可控，易导致一路直流输入电源严重过载的情况；(2)当直流输入电源波动时，会导致来回切换的现象；(3)当两路输入电源的电压之间存在较大压差时，直接切换会导致逆变电路的输入直流母线DC-BUS的电压出现震荡，严重时，产生过电压，使逆变电路故障。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种船用逆变电源双直流输入切换装置，其目的在于解决现有船用逆变电源双直流输入切换中的来回切换和电压震荡问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种船用逆变电源双直流输入切换装置，包括PI控制器(proportional integral controller，比例和积分控制器)、波形发生器、第一全控型器件、第二全控型器件、第三全控型器件、第一驱动模块、第二驱动模块、电阻R、第一二极管D11、第四二极管D21；第一电压缓起单元、第一器件缓冲单元、第二电压缓起单元、第二器件缓冲单元；

第一电压缓起单元的一端连接第一路电压输入正端，第二端连接第一全控型器件的第二端；第一全控型器件的第一端连接第一路电压输入正端；第一器件缓冲单元的一端连接第一路电压输入正端，另一端连接第一全控型器件的第二端；第一驱动模块的第一端连接第一全控型器件的第三端；第一二极管D11的第一端连接第一路电压输入负端；

第二电压缓起单元的一端连接第二路电压输入正端，第二端连接第二全控型器件的第二端；第二全控型器件的第一端连接第二路电压输入正端，第二器件缓冲单元的一端连接第二路电压输入正端，另一端连接第二全控型器件的第二端；第二驱动模块的第一端连接第二全控型器件的第三端；

第一电压缓起单元的第二端与第二电压缓起单元的第二端连接，连接点作为直流母线电压输出正端；第四二极管D21的第一端连接第二路电压输入负端；第二端与第一二极管D11的第二端连接，连接点作为直流母线电压输出负端；

第一路电压输入正端、第一路电压输入负端、第二路电压输入正端、第二路电压输入负端、第一驱动模块的第二端、第二驱动模块的第二端、直流母线电压输出正端、以及直流母线电压输出负端均与PI控制模块连接；

第三全控型器件的第一端连接直流母线电压输出正端、第二端通过电阻连接直流母线电压输出负端、第三端则与波形发生器连接；

其中，第一驱动模块用于驱动第一全控型器件，第二驱动模块用于驱动第二全控型器件；波形发生器用于生成PWM波；PI控制器用于控制第一、二驱动模块的通断。

第一电压缓起单元用于对第一路电源电压进行缓冲；第二电压缓起单元用于对第二路电源电压进行缓冲。

优选地，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，其第一全控型器件和第二全控型器件采用晶闸管，第三全控型器件采用IGBT模块。

优选地，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，其第一电压缓起单元包括第二二极管D12和第一电阻R11；第二二极管D12的第一端连接第一路电压输入正端，第一电阻R11的第一端连接第二二极管D12的第二端；第一电阻R11的第二端则与第一全控型器件的第二端连接。

优选地，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，其第二电压缓起单元包括第五二极管D22和第三电阻R21；第五二极管D22的第一端连接第二路电压输入正端，第三电阻R21的第一端连接第五二极管D22的第二端；第三电阻R21的第二端则与第二全控型器件的第二端连接。

优选地，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，其第一器件缓冲单元包括第一电容C11、第三二极管D13、第二电阻R12；第一电容C11的第一端连接第一路电压输入正端，第二电阻R12的第一端与第三二极管D13的第一端均与第一电容C11的第二端连接；，第二电阻R12的第二端与第三二极管D13的第二端均与第一全控型器件的第二端连接。

优选地，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，其第二器件缓冲单元包括第二电容C21、第六二极管D23、第四电阻R22；第二电容C21的第一端连接第二路电压输入正端，第四电阻R22的第一端与第六二极管D23的第一端均与第二电容C21的第二端连接；，第四电阻R22的第二端与第六二极管D23的第二端均与第二全控型器件的第二端连接。

优选的，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，波形发生器输出信号的占空比根据以下方法获得：实时检测直流母线电压，并获取直流母线电压与预设阈值的差值；由PI控制器根据所述差值生成实时调整的占空比。

优选的，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，对波形发生器输出波形的占空比初始值赋值为1，并根据预设占空比衰减系数，控制占空比不断减小至0，实现RS阻尼效果的平滑退出。

优选的，上述船用逆变电源双直流输入切换装置，PI控制器的PI控制参数为变参，当母线电压与输入电压差值大于50V，采用一组PI参数，若母线电压与输入电压差值小于50V，则采用另一组PI参数。

本发明提供的船用逆变电源双直流输入切换装置，可快速完成切换动作，保证了供电连续性；当逆变电源的其中一路输入直流电源故障时，能迅速的切换至另一路输入直流电源，以保证逆变器输出的连续性，并且切换过程可控、快速及安全。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的船用逆变电源双直流输入切换装置，使用静态开关晶闸管实现了快速切换，保证了供电连续性，切换过程快速、可控；并且由于使用了静态开关晶闸管，在当前输入电源的电压在合格范围内时，即使另一路直流输入电源电压高于当前的母线电压值，也不进行切换；从而解决现有技术中当直流输入电源波动时可能出现的来回切换问题；

(2)本发明提供的船用逆变电源双直流输入切换装置，由于采用了消除振荡电路，消除了切换震荡；即使两路输入电源的电压之间存在较大压差时，切换过程中直流母线电压也无振荡，不会因切换而产生过电压导致逆变电路损坏。

附图说明

图1是实施例提供的船用逆变电源双直流输入切换装置的系统示意图；

图2是实施例提供的船用逆变电源双直流输入切换装置的电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的船用逆变电源双直流输入切换装置，其系统框图如图1所示，包括PI控制器、波形发生器、第一全控型器件、第二全控型器件、第三全控型器件、第一驱动模块、第二驱动模块、电阻R、第一二极管D11、第四二极管D21；第一电压缓起单元、第一器件缓冲单元、第二电压缓起单元、第二器件缓冲单元；

第一电压缓起单元的一端连接第一路电压输入正端，第二端连接第一全控型器件的第二端；第一全控型器件的第一端连接第一路电压输入正端；第一器件缓冲单元的一端连接第一路电压输入正端，另一端连接第一全控型器件的第二端；第一驱动模块的第一端连接第一全控型器件的第三端；第一二极管D11的第一端连接第一路电压输入负端；

第二电压缓起单元的一端连接第二路电压输入正端，第二端连接第二全控型器件的第二端；第二全控型器件的第一端连接第二路电压输入正端，第二器件缓冲单元的一端连接第二路电压输入正端，另一端连接第二全控型器件的第二端；第二驱动模块的第一端连接第二全控型器件的第三端；

第一电压缓起单元的第二端与第二电压缓起单元的第二端连接，连接点作为直流母线电压输出正端；第四二极管D21的第一端连接第二路电压输入负端；第二端与第一二极管D11的第二端连接，连接点作为直流母线电压输出负端；

第一路电压输入正端、第一路电压输入负端、第二路电压输入正端、第二路电压输入负端、第一驱动模块的第二端、第二驱动模块的第二端、直流母线电压输出正端、以及直流母线电压输出负端均与PI控制模块连接；

第三全控型器件的第一端连接直流母线电压输出正端、第二端通过电阻连接直流母线电压输出负端、第三端则与波形发生器连接。

本发明实施例提供的船用逆变电源双直流输入切换装置，其电路如图2所示；第一全控型器件和第二全控型器件采用晶闸管，第三全控型器件采用IGBT模块；波形发生器采用PWM发生器；

器件包括PI控制器、PWM发生器、SCR驱动1、SCR驱动2、晶闸管SCR11、二极管D11、二极管D12、电阻R11、电容C11、二极管D13、电阻R12、晶闸管SCR21、二极管D21、二极管D22、电阻R21、电容C21、二极管D23、电阻R22、IGBT模块、电阻R；

其中，二极管D12、电阻R11组成Vin1的缓起电路，电容C11、二极管D13、电阻R12组成晶闸管SCR11的缓冲电路；二极管D22、电阻R21组成Vin2的缓起电路，电容C21、二极管D23、电阻R22组成晶闸管SCR21的缓冲电路；

第一路电压输入Vin1切换至第二路电压输入Vin2的工作过程：PI控制器检测Vin1、Vin2、Vdcbus的电压，当Vin1故障掉电时，PI控制器给SCR驱动2发出允许开通信号，SCR驱动2控制晶闸管SCR21导通，Vin2经晶闸管SCR21、二极管D21接入直流母线，给外部逆变器供电；PI控制器给SCR驱动1发出禁止开通信号，SCR驱动1不再输出驱动脉冲，此时晶闸管上的反压将迫使晶闸管SCR1关断；切换过程中，PI控制器采用PI算法，给PWM发生器发PWM信号，经PWM发生器隔离放大后驱动IGBT模块，通过IGBT模块的导通关断控制，将电阻R3变成直流母线的可调阻尼电阻，以消除直流母线的电压振荡；

第二路电压输入Vin2切换至第一路电压输入Vin1的工作过程：PI控制器检测Vin1、Vin2、Vdcbus的电压，当Vin2故障掉电时，PI控制器给SCR驱动1发出允许开通信号，SCR驱动1控制晶闸管SCR11导通，Vin1经晶闸管SCR11、二极管D11接入直流母线，给外部逆变器供电；PI控制器给SCR驱动2发出禁止开通信号，SCR驱动2不再输出驱动脉冲，此时晶闸管上的反压将迫使晶闸管SCR2关断；切换过程中，PI控制器采用PI算法，给PWM发生器发PWM信号，经PWM发生器隔离放大后驱动IGBT模块，通过IGBT模块的导通关断控制，将电阻R3变成直流母线的可调阻尼电阻，以消除直流母线的电压振荡。

两路电压输入切换过程中的PI控制器的控制方法为：在切换过程中检测直流母线电压，计算直流母线电压与预设阈值的差值，通过PI调节器计算得到PWM信号的占空比，不断调整占空比；实施例中，占空比初始值赋值为1，同时设置预设占空比衰减系数，使占空比不断减小至0，实现RS阻尼效果的平滑退出；对于PI控制参数，采用变参法，若母线电压与输入电压差值大于50V，采用一组PI参数，若小于50V，采用另一种PI参数，以兼顾调节的快速性和稳定性。

需要说明的是，实施例中的晶闸管SCR11、晶闸管SCR21、IGBT模块，并不限定于使用晶闸管及IGBT，还可以采用其他全控型电力电子器件。

实施例中，仅为两路输入直流电源的切换，包括2个输入支路，各输入支路包括电压缓起单元，器件缓冲单元，器件驱动单元以及二极管；该电路形式可适用于多路输入直流电源的切换，譬如用于实现3路电源电压切换，只需再增加一个输入支路即可，譬如，增加晶闸管SCR31、二极管D31，二极管D32、电阻R31、电容C31、二极管D33、电阻R33。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，包括PI控制器、波形发生器、第一全控型器件、第二全控型器件、第三全控型器件、第一驱动模块、第二驱动模块、电阻R、第一二极管D11、第四二极管D21；第一电压缓起单元、第一器件缓冲单元、第二电压缓起单元、第二器件缓冲单元；

第一电压缓起单元的一端连接第一路电压输入正端，第二端连接第一全控型器件的第二端；第一全控型器件的第一端连接第一路电压输入正端；第一器件缓冲单元的一端连接第一路电压输入正端，另一端连接第一全控型器件的第二端；第一驱动模块的第一端连接第一全控型器件的第三端；第一二极管D11的第一端连接第一路电压输入负端；

第二电压缓起单元的一端连接第二路电压输入正端，第二端连接第二全控型器件的第二端；第二全控型器件的第一端连接第二路电压输入正端，第二器件缓冲单元的一端连接第二路电压输入正端，另一端连接第二全控型器件的第二端；第二驱动模块的第一端连接第二全控型器件的第三端；

第一电压缓起单元的第二端与第二电压缓起单元的第二端连接，连接点作为直流母线电压输出正端；第四二极管D21的第一端连接第二路电压输入负端；第二端与第一二极管D11的第二端连接，连接点作为直流母线电压输出负端；

第一路电压输入正端、第一路电压输入负端、第二路电压输入正端、第二路电压输入负端、第一驱动模块的第二端、第二驱动模块的第二端、直流母线电压输出正端、以及直流母线电压输出负端均与PI控制模块连接；

第三全控型器件的第一端连接直流母线电压输出正端、第二端通过电阻连接直流母线电压输出负端、第三端则与波形发生器连接。

2.如权利要求1所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述第一全控型器件和第二全控型器件采用晶闸管，第三全控型器件采用IGBT模块。

3.如权利要求1或2所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述第一电压缓起单元包括第二二极管D12和第一电阻R11；第二二极管D12的第一端连接第一路电压输入正端，第一电阻R11的第一端连接第二二极管D12的第二端；第一电阻R11的第二端则与第一全控型器件的第二端连接。

4.如权利要求1或2所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述第二电压缓起单元包括第五二极管D22和第三电阻R21；第五二极管D22的第一端连接第二路电压输入正端，第三电阻R21的第一端连接第五二极管D22的第二端；第三电阻R21的第二端则与第二全控型器件的第二端连接。

5.如权利要求1或2所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述第一器件缓冲单元包括第一电容C11、第三二极管D13、第二电阻R12；第一电容C11的第一端连接第一路电压输入正端，第二电阻R12的第一端与第三二极管D13的第一端均与第一电容C11的第二端连接；，第二电阻R12的第二端与第三二极管D13的第二端均与第一全控型器件的第二端连接。

6.如权利要求1或2所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述第二器件缓冲单元包括第二电容C21、第六二极管D23、第四电阻R22；第二电容C21的第一端连接第二路电压输入正端，第四电阻R22的第一端与第六二极管D23的第一端均与第二电容C21的第二端连接；，第四电阻R22的第二端与第六二极管D23的第二端均与第二全控型器件的第二端连接。

7.如权利要求1～6任一项所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述波形发生器输出信号的占空比根据以下方法获得：实时检测直流母线电压，并获取直流母线电压与预设阈值的差值；由PI控制器根据所述差值生成实时调整的占空比。

8.如权利要求7所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述占空比初始值赋值为1，并根据预设占空比衰减系数，控制占空比不断减小至0，实现RS阻尼效果的平滑退出。

9.如1～6任一项所述的船用逆变电源双直流输入切换装置，其特征在于，所述PI控制参数为变参，当母线电压与输入电压差值大于50V，采用一组PI参数，若母线电压与输入电压差值小于50V，则采用另一组PI参数。