CN110572048A - 一种船用静止变频器 - Google Patents

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汪小娜
徐庆林
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Abstract

本发明公开了一种船用静止变频器。它包括集成于变频柜内的整流变压器、整流滤波电路、逆变电路、信号检测模块、控制模块和驱动模块，所述整流变压器用于对三相船用电源进行升压；所述整流滤波电路用于将升压后的交流电通过进行整流滤波处理形成直流电；所述逆变电路用于将直流电转变为交流电；所述信号检测模块用于检测直流电压信号、用于交流电压信号和交流电流信号，并将检测的信号输出至控制模块；所述控制模块用于根据接收的信号产生三相SPWM信号输出至驱动模块；所述驱动模块用于根据三相SPWM信号产生驱动信号输出至逆变电路。本发明具有效率高、体积小、功率密度高、可靠性高、工作稳定性好的优点，满足船体使用的特殊要求。

Description

一种船用静止变频器
技术领域
本发明属于电气设备技术领域，具体涉及一种船用静止变频器。
背景技术
静止变频器是一种能提供频率及电压同时变化的电力电子电源装置，由半导体功率元件、直流电抗器等设备组成的具有一定功率的非旋转电机式频率变换器，是利用可控硅的通断作用将工频电源变换为可变频率的电能控制装置。静止变频器可应用于大型抽水蓄能电站、船舶、舰艇及冶金等领域，它的主要优点是无级变速、启动平稳、反应速度快、调节精度高，具有很强的自诊断能力。通用静止变频器由主电路(包括整流电路、中间流滤波电路、制动电路、逆变电路)和控制电路组成，存在效率低、稳定性差、得到的直流质量差的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种效率高可靠性高、工作稳定性好的船用静止变频器。
本发明采用的技术方案是：一种船用静止变频器，包括集成于变频柜内的整流变压器、整流滤波电路、逆变电路、信号检测模块、控制模块和驱动模块，所述整流变压器用于对三相船用电源进行升压；所述整流滤波电路用于将升压后的交流电输通过进行整流滤波处理形成直流电；所述逆变电路用于根据驱动模块的驱动信号将直流电转变为交流电；所述信号检测模块用于检测整流滤波电路输出端直流电压信号、用于检测逆变电路输出的交流电压信号和交流电流信号，并将检测的信号输出至控制模块；所述控制模块用于根据接收的信号产生三相SPWM信号输出至驱动模块；所述驱动模块用于根据三相SPWM信号产生驱动信号输出至逆变电路，控制逆变电路输出交流电的频率和幅值。
进一步地，所述控制模块包括微处理器、三相SPWM发生器，所述微处理器的信号输入端连接信号检测模块的输出端，所述微处理器的输出端输出SPW调制比至三相SPWM发生器，所述三相SPWM发生器根据SPW调制比产生三相SPWM信号输出至驱动模块。
进一步地，所述驱动模块包括三个驱动板，每个驱动板包括信号隔离模块和信号放大模块，所述信号隔离模块用于对三相SPWM信号进行高速光耦隔离，所述信号放大模块用于对隔离后的信号进行放大处理形成驱动信号，将驱动信号输出至逆变电路。
进一步地，所述驱动板还包括保护电路，所述保护电路用于采集逆变电路的过流信号和过压信号，将采集的信号输出至控制模块，所述控制模块根据接收的过流信号和过压信号判断逆变电路过流过压时控制停止工作并发出报警信号。
进一步地，所述逆变电路为由6只IGBT开关管构成的三相桥式逆变电路。
进一步地，所述信号检测模块包括直流电压检测模块、交流电压检测模块和交流电流检测模块，所述直流电压检测模块用于检测整流滤波电路输出端直流电压信号并将检测的信号输出至控制模块，所述交流电压检测模块用于检测逆变电路输出的交流电压信号并将检测的信号输出至控制模块，所述交流电流检测模块用于检测逆变电路输出的交流电流信号并将检测的信号输出至控制模块。
进一步地，所述信号检测模块还包括温度检测模块，所述温度检测模块用于检测变频柜内的温度信号并将检测的信号输出至控制模块。
进一步地，所述整流变压器的输入端与三相船用电源之间还连接有输入无线电抗干扰器。
进一步地，还包括输出滤波电路，所述输出滤波电路的输入端连接逆变电路的输出端，输出滤波电路用于滤除逆变电路输出的交流电中的多次谐波。
进一步地，所述输出滤波电路的输出端还连接有输出无线电抗干扰器。
本发明的有益效果是：
本发明采用十二脉波移相变压器，相位角相差30度，可以大幅度减小低次谐波，得到的直流成分更好(噪声低)；采用正弦式脉宽调制(SPWM)，这样使得变频器的工作效率更高；采用集成度很高的XC3S400现场可编程器芯片(FPGA)产生开关频率为15K的SPWM信号，损耗少，因此功率密度高；另外，微处理器ATXME128A芯片采用16位并行总线与FPGA相连，实现主控微处理器与FPGA的读写功能，并行总线的设计使得变频器的可靠性很高；本发明设计了温度报警系统，保证了变频器各部件能够在预设温度范围内工作，具有很好的稳定性，能够耐高温。
与普通的静止变频器技术相比，本发明船用静止变频器具有效率高、功率密度高、噪声低、可靠性高、工作稳定性好的优点，满足船体使用的特殊要求。其次，本发明的船用静止变频器与原设备保持输入输出特性参数及外形尺寸相同，接口、接插件不变，研制的各部件与原组件功能相同，技术性能相同。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的工作原理图。
图3为本发明整流滤波逆变电路图。
图4为本发明滤波电压示意图。
图5为本发明控制模块原理图。
图6为本发明驱动板原理图。
图中：1-变频柜；2-三相船用电源；3-输入无线电抗干扰器；4-整流变压器；5-整流电路；6-滤波电路；7-逆变电路；8-电抗器；9-电容器；10-输出无线电抗干扰器；11-输出接触器；12-三相电源；13-控制模块；14-驱动模块；15-直流电压检测模块；16-交流电压检测模块；17-交流电流检测模块；18-可控硅触发板；19-接触器控制板；20-控制变压器开关；21-控制电源组件；22-整流模块；23-滤波模块；24-直流工作电压；25-电源模块；26-风扇；27-控制台；28-指示灯；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。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互相结合。
如图1-6所示，本发明提供一种船用静止变频器，包括集成于变频柜1内的整流变压器4、整流滤波电路、逆变电路7、信号检测模块，控制模块13和驱动模块14，所述整流变压器4用于对三相船用电源2进行升压；所述整流滤波电路用于将升压后的交流电输通过进行整流滤波处理形成直流电；所述逆变电路7用于根据驱动模块14的驱动信号将直流电转变为交流电；所述信号检测模块用于检测整流滤波电路输出端直流电压信号、用于检测逆变电路输出的交流电压信号和交流电流信号，并将检测的信号输出至控制模块13；所述控制模块13用于根据接收的信号产生三相SPWM信号输出至驱动模块14；所述驱动模块14用于根据三相SPWM信号产生驱动信号输出至逆变电路7，控制逆变电路输出交流电的频率和幅值。
本发明工作原理是：三相船用电源2接入整流变压器4后经整流滤波，输入到IGBT，利用正弦式脉波宽度调变(SPWM)技术控制六个IGBT的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内面积相等，通过改变调制波的频率和幅值，调节逆变电路输出电压的频率与幅值。
上述方案中，控制模块13包括微处理器13.1、三相SPWM发生器13.2，所述微处理器13.1的信号输入端连接信号检测模块的输出端，所述微处理器13.1的输出端输出SPW调制比至三相SPWM发生器13.2，所述三相SPWM发生器13.2根据SPW调制比产生三相SPWM信号输出至驱动模块14。
上述方案中，驱动模块14包括三个驱动板，每个驱动板包括信号隔离模块14.1和信号放大模块14.2，所述信号隔离模块14.1用于对三相SPWM信号进行高速光耦隔离，所述信号放大模块14.2用于对隔离后的信号进行放大处理形成驱动信号，将驱动信号输出至逆变电路7。驱动板还包括保护电路14.3，所述保护电路14.3用于采集逆变电路的过流信号和过压信号，将采集的信号输出至控制模块13，所述控制模块13根据接收的过流信号和过压信号判断逆变电路过流过压时控制停止工作并发出报警信号。
上述方案中，整流滤波电路由整流电路5和滤波电路6组成，整流电路5中的二极管由可控硅控制板18控制。逆变电路7为由6只IGBT开关管构成的三相桥式逆变电路。
上述方案中，信号检测模块包括直流电压检测模块15、交流电压检测模块16和交流电流检测模块17，所述直流电压检测模块15用于检测整流滤波电路输出端直流电压信号并将检测的信号输出至控制模块13，所述交流电压检测模块16用于检测逆变电路输出的交流电压信号并将检测的信号输出至控制模块13，所述交流电流检测模块17用于检测逆变电路输出的交流电流信号并将检测的信号输出至控制模块13。信号检测模块还包括温度检测模块(图中未显示)，所述温度检测模块用于检测变频柜1内的温度信号并将检测的信号输出至控制模块。
上述方案中，整流变压器4的输入端与三相船用电源之间还连接有输入无线电抗干扰器3。
上述方案中，还包括输出滤波电路，所述输出滤波电路的输入端连接逆变电路7的输出端，输出滤波电路用于滤除逆变电路输出的交流电中的多次谐波。输出滤波电路的输出端还连接有输出无线电抗干扰器。
实施例：
在本实施例中，发电机产生的220V/400Hz交流电输入到十二脉波整流变压器4，该变压器将交流电压升压为320V，输出副边绕组采用双分裂结构，副边每相两只线圈，三相6只线圈，一组星型连接(Y)、一组三角型连接(△)，两组输出端的电压彼此存在30度的相位差，经过整流电路5中的VD1-VD6整流模块，可形成12脉波直流电源。滤波电路6对整流后的信号通过电容进行滤波，可以使信号电压的平均值提高，最高可以达到波峰值，即：如图4所示。电路整流电压在448V DC左右，因为电网波动，所以直流电压工作范围在一定电压范围内波动。选择的电容耐压为350V DC，为满足耐压要求，需要将两个电容C9和C10串联，使耐压达到700V DC。两电容串联后容量为C/2，故再并一组串联电容C11和C12，保证电容总容量为10000uF。两并两串电容电路，耐压值翻倍，容量不变。在上下串联电容间并上高精度均压电阻R1-R4，使两个电容能够承受相同的电压，保证电容的正常工作。两并两串电容电路，耐压值翻倍，容量不变。由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了二只容量为12uF的电容(C22-C23)，以滤除高频及脉冲干扰。因为IGBT的开关动作导致有很大的过流、过压产生，需要将尖峰去掉以保证IGBT和整流桥不被击穿。故直流电源进入IGBT前，需要安装吸收电容，本发明实施例使用ICEL品牌电容。
在本实施例中，逆变电路7由3组开关管VT1-VT3组成，每组由2只IGBT开关管构成。其中，IGBT工作原理为：驱动信号加载到IGBT的GE上时，驱动信号为高电平时IGBT导通，即相当于S闭合，这样电流通过电阻R(IGBT内阻)导通。当驱动信号为低电平时S断开，没有电流经过。IGBT工作的时候，实际就是S的一开一闭状态，IGBT开通时间及关闭时间由控制部件决定。在导通状态时，IGBT的损耗是由其内阻造成的，大小为P＝I 2*R，因为I的关系，即使开通时间很短，损耗也很大。在IGBT关断状态下，电压不能突降，因此也一定有能量损耗。因为IGBT开关动作损耗很大，自身温度容易过高，导致损坏，故采取两种散热措施，保证IGBT正常工作。第一种措施采用具有体积大、接触面积宽、导热性能好等特点散热片，经过计算使用由两片230*80*450散热片交叉组合成的散热组件。第二种措施采用风冷方式散热。在变频器顶部安装四个风扇，底部安装一个风扇26的方式形成散热风道强制排风，帮助散热，散热片内嵌温度传感器，主板实时监控散热片温度，保证IGBT正常工作。
图5为控制模块13原理，其工作原理为：控制模块13由电源模块25提供工作电源，通过外部的控制信号控制开关机及对应功能，通过采集直流电压检测模块15、交流电压检测模块16、交流电流检测模块17和温度检测模块的信号到微处理器，微处理器13.1采用ATXME128A芯片，控制三相SPWM发生器13.2产生开关频率为15K三相SPWM信号，三相SPWM发生器采用XC3S400现场可编程器芯片(FPGA)，该信号输出到三块驱动板AT1-3，驱动逆变电路最后形成三相正弦电压波形，同时驱动板提供过流过压信号给三相SPWM发生器，产生设备保护信号。
在本发明的一种实施例中，微处理器采用位并行总线与FPGA相连，实现了主控微处理器与FPGA的读写功能，由电源模块给微处理器和FPGA提供5V工作电源。微处理器与控制台27上的触摸屏通讯采用波特率为9600，RS-232通讯信号，进行信号交互，同时设置指示灯28显示工作状态，ATXME128A芯片作为核心部件具有低功耗、高性能和工作温度范围宽等特点，XC3S400芯片具有速度快、稳定性高等特点。SPWM技术就是通过一系列脉冲的宽度调制，来获得所需要的正弦波形的控制技术，SPWM波形的每个周期中的脉冲数越多，越能更好地等效正弦波，利用控制部件中ATXME128A芯片，控制XC3S400现场可编程器芯片产生开关频率为15K三相SPWM信号。
在本实施例中，微处理器13.1检测直流电压是否存在，如果检测不到直流电压，即不可启动，并发出报警信号；检测变频柜内的工作温度，一旦超温即作出停机动作，并且发出报警信号；检测交流电压是否存在，此电压为由IGBT模块所产生的三相正弦波电压，如果三相SPWM脉宽启动，经过10s后交流侧没有电压，即作出停机动作，并发出报警信号，如果有低于基准值的电压信号，则改变调制比；检测交流电流是否存在，由电流大小来判断变频器运行情况，输出功率，如果电流过大，则作出停机动作，并发出报警信号；判断驱动板发出的保护信号是否有效，如果IGBT模块一旦过流过压，驱动板反馈保护信号，即作出停机动作，并发出报警信号。
图6为驱动板原理图，其工作原理为：驱动板由电源模块25提供±15V工作电源，电源模块25由控制变压器开关20、控制电源组件21、整流模块22、滤波模块23这四个部件构成，整体是一个小型变压器及其直流稳压电路，为变频器中的IGBT、ATXME128A芯片和FPGA等部件提供直流工作电压24，驱动板接收SPWM脉宽信号，对输入信号采用高速光耦进行隔离后将脉宽信号进行电流放大输入给IGBT模块，同时收集IGBT的过流和过压信号，提供给XC3S400芯片。
在本实施例中，驱动模块14共用3块驱动板，每块板有2路输出信号，共6路驱动信号。
在本实施例中，输出滤波电路由3个电抗器8和6个电容器9组合而成。可滤除多次谐波，使得谐波减小，保证变频器输出高品质的信号。
在本实施例中，为了防止电路受到干扰，所以在三相船用电源的输入端及变频器的输出端分别接由电容组件组成的输入无线电抗干扰器3和输出无线电抗干扰器10，输出无线电抗干扰器10的输出端接输出接触器11，输出接触器11由接触器控制板19控制。
在本实施例中，为防止干扰，在安装接线方面采取以下对策：
(a)变频系统的供电电源使用十二脉移相整流隔离变压器单独供电。通常电源设备的内阻抗能够起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗，在满足要求的基础上尽量提高电压器的内阻抗。十二脉变压器Y-△，△-△连接，相位角相差30°，可以减小低次谐波，很好的抑制了谐波；
(b)为了减少对电源的干扰，在输入侧安装零序电抗器，将五个电抗器固定在一起，三相导线按同方向穿过内孔即可；
(c)弱电控制线与主电路配线保持一定距离，不与主电路固定在一起，相交时成直角交叉。控制回路及信号线采用双纹线分别纹合，纹合间距小雨15mm。
综上所述，本发明实施例的船用静止变频器能实现将频率400Hz，电压220V三相船用电源2转换为频率50Hz，电压230V三相电源12，用于向船体用户提供电力。该变频器具有效率高、体积小、功率密度高、噪声低、可靠性高、工作稳定性好的优点，满足船舶使用的特殊要求。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种船用静止变频器，其特征在于：包括集成于变频柜内的整流变压器、整流滤波电路、逆变电路、信号检测模块、控制模块和驱动模块，所述整流变压器用于对三相船用电源进行升压；所述整流滤波电路用于将升压后的交流电通过进行整流滤波处理形成直流电；所述逆变电路用于根据驱动模块的驱动信号将直流电转变为交流电；所述信号检测模块用于检测整流滤波电路输出端直流电压信号、用于检测逆变电路输出的交流电压信号和交流电流信号，并将检测的信号输出至控制模块；所述控制模块用于根据接收的信号产生三相SPWM信号输出至驱动模块；所述驱动模块用于根据三相SPWM信号产生驱动信号输出至逆变电路，控制逆变电路输出交流电的频率和幅值。
2.根据权利要求1所述的船用静止变频器，其特征在于：所述控制模块包括微处理器、三相SPWM发生器，所述微处理器的信号输入端连接信号检测模块的输出端，所述微处理器的输出端输出SPW调制比至三相SPWM发生器，所述三相SPWM发生器根据SPW调制比产生三相SPWM信号输出至驱动模块。
3.根据权利要求1所述的船用静止变频器，其特征在于：所述驱动模块包括三个驱动板，每个驱动板包括信号隔离模块和信号放大模块，所述信号隔离模块用于对三相SPWM信号进行高速光耦隔离，所述信号放大模块用于对隔离后的信号进行放大处理形成驱动信号，将驱动信号输出至逆变电路。
4.根据权利要求3所述的船用静止变频器，其特征在于：所述驱动板还包括保护电路，所述保护电路用于采集逆变电路的过流信号和过压信号，将采集的信号输出至控制模块，所述控制模块根据接收的过流信号和过压信号判断逆变电路过流过压时控制停止工作并发出报警信号。
5.根据权利要求1所述的船用静止变频器，其特征在于：所述逆变电路为由6只IGBT开关管构成的三相桥式逆变电路。
6.根据权利要求1所述的船用静止变频器，其特征在于：所述信号检测模块包括直流电压检测模块、交流电压检测模块和交流电流检测模块，所述直流电压检测模块用于检测整流滤波电路输出端直流电压信号并将检测的信号输出至控制模块，所述交流电压检测模块用于检测逆变电路输出的交流电压信号并将检测的信号输出至控制模块，所述交流电流检测模块用于检测逆变电路输出的交流电流信号并将检测的信号输出至控制模块。
7.根据权利要求1所述的船用静止变频器，其特征在于：所述信号检测模块还包括温度检测模块，所述温度检测模块用于检测变频柜内的温度信号并将检测的信号输出至控制模块。
8.根据权利要求1所述的船用静止变频器，其特征在于：所述整流变压器的输入端与三相船用电源之间还连接有输入无线电抗干扰器。
9.根据权利要求1所述的船用静止变频器，其特征在于：还包括输出滤波电路，所述输出滤波电路的输入端连接逆变电路的输出端，输出滤波电路用于滤除逆变电路输出的交流电中的多次谐波。
10.根据权利要求9所述的船用静止变频器，其特征在于：所述输出滤波电路的输出端还连接有输出无线电抗干扰器。
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