CN110768365A - 一种电源冗余的变频器系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源冗余的变频器系统及其控制方法，包括开关电源、辅助开关电源模块、整流模块、逆变模块、母线、变压器和负载，整流模块的输入端连接至三相电压且公共端连接变压器的原边，整流模块的输出端通过母线连接至逆变模块的输入端，开关电源的输入端连接到母线上，变压器的副边连接辅助开关电源模块的输入端，开关电源的输出端连接负载的输入端且公共端连接辅助开关电源模块的输出端。本发明改变了传统变频器的控制电取电方式，实现了机组紧急停机时变频器控制电不掉电的效果；改善了变频器的得电时序，避免错误干扰信号；在DC/DC开关电源失效时，仍可以保障机组的正常运转，有效提高了变频器工作的可靠性和运行的稳定性。

Description

一种电源冗余的变频器系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及变频器技术领域，具体涉及一种电源冗余的变频器系统及其控制方法。

背景技术

目前磁悬浮整机机组的设计中，在机组运行过程中，如果出现电网停电等紧急停机故障时，磁悬浮轴承停浮仍需要10~20s的时间，所以这就要求变频器的母线电压即使在紧急停机的状况下仍要维持10~20s。由于在停机时电机处于惰转状态，电机绕组电流在反电势的作用下反向，电机工作于发电机状态，因此紧急停机时电机会给变频器回馈一部分能量。

然而传统变频器设计中，变频器的控制板所需的控制电取自三相输入交流端，当变频器接入电网时，变频器的控制板会立即得电，各类的弱电控制信号会从上电的一刻起，即处于可控的状态中，但这样设计在紧急停机时，三相交流端会立即失电，使得变频器无法控制逆变模块进行能量回馈。

除此之外，DC/DC开关电源为变频器主控电路板控制电的唯一来源，如果DC/DC开关电源发生异常，将导致整机机组无法进行工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种电源冗余的变频器系统及其控制方法，用于提高变频器工作的可靠性和运行的稳定性。

本发明的目的通过以下两个方面的技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种电源冗余的变频器系统，包括开关电源、辅助开关电源模块、整流模块、逆变模块、母线、变压器和负载，所述整流模块的输入端连接三相电压且公共端连接所述变压器的原边，所述整流模块的输出端通过所述母线连接至所述逆变模块的输入端，所述开关电源的输入端连接到所述母线上，所述变压器的副边连接所述辅助开关电源模块的输入端，所述开关电源的输出端连接所述负载的输入端且公共端连接所述辅助开关电源模块的输出端。

进一步地，所述辅助开关电源模块包括辅助开关电源、比较电路、逻辑运算电路、母线电压采样电路、控制电电压采样电路、驱动电路和开关管，所述比较电路包括第一比较器和第二比较器，所述母线电压采样电路的输出端连接所述第一比较器的一个输入端，所述第一比较器的另一个输入端输入第一参考电压V_ref1，所述控制电电压采样电路的输出端连接所述第二比较器的一个输入端，所述第二比较器的另一个输入端输入第二参考电压V_ref2，所述第一比较器的输出端连接所述逻辑运算电路的一个输入端，所述第二比较器的输出端连接所述逻辑运算电路的另一个输入端，所述逻辑运算电路的输出单连接驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接所述开关管的控制端，所述开关管的输入端连接所述辅助开关电源的输出端，所述开关管的输出端连接所述负载。

进一步地，所述母线包括两根，分别为正极母线和负极母线，所述正极母线和所述负极母线之间连接有母线电容。

进一步地，所述负载包括PFC控制板和电机控制板。

进一步地，所述变频器系统还包括继电器控制板，所述继电器控制板的输入端连接所述变压器的副边，所述辅助开关电源为DC/DC辅助开关电源，所述DC/DC辅助开关电源的输入端连接至继电器控制板的直流输出端。

进一步地，所述辅助开关电源为AC/DC辅助开关电源，所述AC/DC辅助开关电源的输入端连接所述变压器的副边。

进一步地，所述逻辑运算电路用于实现逻辑“与非”运算，所述逻辑运算电路可以通过逻辑门电路或纯硬件电路实现。

第二方面，本发明还提供一种电源冗余的变频器系统的控制方法，所述控制方法通过第一方面所述的变频器系统实现。

进一步地，所述电源冗余的变频器系统的控制方法包括：

变频器上电后，辅助开关电源模块得电并为负载供电；

获取母线电压和控制电电压，并判断母线电压和控制电电压是否大于对应的参考电压；

根据母线电压和控制电电压与参考电压的比较结果，通过驱动电路控制开关管断开或闭合；

开关管闭合和断开使辅助开关电源输出或不输出控制电。

进一步地，所述根据母线电压和控制电电压与参考电压的比较结果，通过驱动电路控制开关管断开或闭合具体包括：

当母线电压大于第一参考电压且控制电电压大于第二参考电压时，所述比较电路均输出高电平，使逻辑运算电路输出低电平，关闭驱动电路，使开关管断开，辅助开关电源不输出控制电；

当母线电压不大于第一参考电压和控制电电压不大于第二参考电压时任意一项成立时，逻辑运算电路至少一个输入端为低电平，逻辑运算电路输出高电平，从而使驱动电路开启，开关管闭合，辅助开关电源输出控制电。

从以上技术方案可以看出本发明至少具有以下有益效果：本发明改变了传统变频器的控制电取电方式，通过母线电压提供控制电，进而实现了机组紧急停机时变频器控制电不掉电的效果；改善了变频器的得电时序，先上弱电，后上强电，使得变频器的控制信号始终处于可控状态，避免可能存在的错误干扰信号；提高变频器正常运行时的可靠性，通过使用双电源的设计，使得即使在DC/DC开关电源失效时，仍可以通过辅助开关电源保障机组的正常运转；有效提高了变频器工作的可靠性和运行的稳定性。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的一个实施例的电源冗余的变频器系统的拓扑图。

图2是本发明的另一个实施例的电源冗余的变频器系统的拓扑图。

图3是本发明的辅助开关电源的控制拓扑图。

图4是本发明的电源冗余的变频器系统的工作控制逻辑流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在数字电路中，把电压的高低用逻辑电平来表示，逻辑电平包括高电平和低电平这两种。不同的元器件形成的数字电路，电压对应的逻辑电平也不同。逻辑电平通过阈值电平来定义，例如，在在TTL门电路中，把大于3 .5伏(阈值高电平)的电压定义为逻辑高电平，用数字1表示；把小于0.3伏(阈值低电平)的电压定义为逻辑低电平，用数字0表示。

实施例1。

如附图1所示，本实施例的一种电源冗余的变频器系统，包括开关电源、辅助开关电源模块、整流模块、逆变模块、母线、变压器和负载，整流模块的输入端连接三相电压且公共端连接变压器的原边，整流模块的输出端通过母线连接至逆变模块的输入端，开关电源的输入端连接到母线上，变压器的副边连接辅助开关电源模块的输入端，开关电源的输出端连接负载的输入端且公共端连接辅助开关电源模块的输出端。

本实施例中，开关电源为DC/DC开关电源，提供+24V的控制电，DC/DC开关电源的输入端直接连接到母线上，通过母线电压提供24V控制电，在紧急停机时，停机时电机处于惰转状态，电机绕组电流在反电势的作用下反向，电机工作于发电机状态，因此紧急停机时电机会给变频器回馈一部分能量，此时通过控制变频器的逆变模块，可以实现将母线电压稳定在DC/DC电源工作电压范围内，实现了机组紧急停机时变频器24V控制电不掉电的效果。

如附图3示，其中辅助开关电源模块包括辅助开关电源、比较电路、逻辑运算电路、母线电压采样电路、控制电电压采样电路、驱动电路和开关管，比较电路包括第一比较器和第二比较器，母线电压采样电路的输出端连接第一比较器的一个输入端，第一比较器的另一个输入端输入第一参考电压V_ref1，控制电电压采样电路的输出端连接第二比较器的一个输入端，第二比较器的另一个输入端输入第二参考电压V_ref2，第一比较器的输出端连接逻辑运算电路的一个输入端，第二比较器的输出端连接逻辑运算电路的另一个输入端，逻辑运算电路的输出单连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接开关管的控制端，开关管的输入端连接辅助开关电源的输出端，开关管的输出端连接负载。

通过母线电压采样电路采集母线电压，通过控制电电压采样电路采集+24V控制电的电压，将母线电压和第一参考电压V_ref1对比，+24V控制电电压和第二参考电压V_ref2对比，当母线电压大于第一参考电压V_ref1且+24V控制电电压大于第二参考电压V_ref2时，母线电容充电完成，母线电压可以正常为DC/DC开关电源供电，DC/DC开关电源正常为负载供电，此时，需要断开辅助开关电源模块为负载供电。

当母线电压大于第一参考电压V_ref1且+24V控制电电压大于第二参考电压V_ref2时，第一比较器和第二比较器均输出高电平，经过逻辑门电路后输出低电平，从而关闭驱动电路，使开关管断开，辅助开关电源不再为负载供电。

逻辑运算电路实现逻辑“与非”运算，只有当两个输入均为逻辑高电平“1”时，逻辑运算电路输出逻辑低电平“0”，其余情况下逻辑运算电路输出逻辑高电平“1”，逻辑运算电路可以通过逻辑门电路实现或多个开关器件组成的硬件电路实现，本实施例中，逻辑运算电路通过一个与非门芯片实现逻辑运算。

在变频器得电时，母线电容处于充电状态，母线电压不足以使DC/DC开关电源为负载供电，此时通过辅助开关电源为负载供电，当母线电容充电完成后，通过母线电压为DC/DC开关电源供电，DC/DC开关电源为负载供电，从而改善了变频器的得电时序，先上弱电，后上强电，使得变频器的控制信号始终处于可控状态，避免了可能存在的错误干扰信号；并且通过+24V控制电双供电设计，可以在DC/DC开关电源失效时，通过辅助开关电源继续提供+24V控制电，提高了变频器运行时的可靠性和稳定性。

变频器系统还包括继电器控制板，继电器控制板的输入端连接变压器的副边，辅助开关电源为DC/DC辅助开关电源，DC/DC辅助开关电源的输入端连接至继电器控制板的直流输出端。

本实施例中，三相电压经变压器降压后，输入继电器控制板中，继电器控制板的直流输出端为DC/DC辅助开关电源供电，DC/DC辅助开关电源为负载供电，实现了上电同时为负载提供控制电，并为DC/DC开关电源提供一路备用电源。

本实施例中，负载包括PFC控制板和电机控制板，PFC控制板用于电机的功率因数补偿，电机控制板用于控制电机的运行参数。

本实施例的工作原理：本实施例的DC/DC开关电源连接到母线上，通过母线为其提供电压，紧急停机时，利用电机的能量回馈控制母线电压维持稳定，实现了机组紧急停机时变频器24V控制电不掉电；如附图4所示，变频器上电后，继电器控制板马上得电，继而通过辅助开关电源模块进行母线电压和24V控制电压采样，由于母线电容还没有进行充电，其采样电压值均为0，经过比较电路、逻辑运算电器、驱动电路后，使开关管开启，DC/DC辅助开关电源模块开始工作，给PFC控制板和电机控制板开始供电。当变频器进入充电过程时，母线电压以对数曲线上升，当达到DC/DC开关电源的工作阈值时，DC/DC开关电源开始工作，输出24V控制电。此时辅助开关电源模块检测的母线电压和+24V控制电电压均高于参考值，经过比较电路、逻辑运算电器、驱动电路后，使开关管关闭，辅助开关电源模块停止供电。在变频器DC/DC开关电源出现异常时，辅助开关电源模块的电压采样电路检测到相应异常，重新开启开关管，辅助开关电源模块持续给PFC控制板和电机控制板供电，维持变频器的正常运行。

本实施例还提供一种电源冗余的变频器系统的控制方法，控制方法通过本实施例的变频器系统实现，包括：

变频器上电后，辅助开关电源模块得电并为负载供电；

获取母线电压和控制电电压，并判断母线电压和控制电电压是否大于对应的参考电压；

根据母线电压和控制电电压与参考电压的比较结果，通过驱动电路控制开关管断开或闭合；

开关管闭合和断开使辅助开关电源输出或不输出控制电。

其中，根据母线电压和控制电电压与参考电压的比较结果，通过驱动电路控制开关管断开或闭合具体包括：

当母线电压大于第一参考电压且控制电电压大于第二参考电压时，比较电路均输出高电平，使逻辑运算电路输出低电平，关闭驱动电路，使开关管断开，辅助开关电源不输出控制电；

当母线电压不大于第一参考电压和控制电电压不大于第二参考电压时任意一项成立时，逻辑运算电路至少一个输入端为低电平，逻辑运算电路输出高电平，从而使驱动电路开启，开关管闭合，辅助开关电源输出控制电。

本实施例提供了一种电源冗余的变频器系统及其控制方法，改变了传统变频器的控制电取电方式，通过母线电压提供控制电，进而实现了机组紧急停机时变频器控制电不掉电的效果；改善了变频器的得电时序，先上弱电，后上强电，使得变频器的控制信号始终处于可控状态，避免可能存在的错误干扰信号；提高变频器正常运行时的可靠性，通过使用双电源的设计，使得即使在DC/DC开关电源失效时，仍可以保障机组的正常运转；有效提高了变频器工作的可靠性和运行的稳定性。

实施例2。

如附图2所示，本实施例和实施例1的不同之处在于，本实施例的辅助开关电源模块中的辅助开关电源为AC/DC辅助开关电源，AC/DC辅助开关电源的输入端连接变压器的副边，本实施例中不需要继电器控制电进行交流电到直流电的转换。

本实施例的一种电源冗余的变频器系统及其控制方法，通过AC/DC辅助开关电源与DC/DC开关电源形成双电源冗余设计，也可以改变传统变频器的控制电取电方式，通过母线电压提供控制电，进而实现了机组紧急停机时变频器控制电不掉电的效果；改善了变频器的得电时序，先上弱电，后上强电，使得变频器的控制信号始终处于可控状态，避免可能存在的错误干扰信号；提高变频器正常运行时的可靠性，通过使用双电源的设计，使得即使在DC/DC开关电源失效时，仍可以保障机组的正常运转；有效提高了变频器工作的可靠性和运行的稳定性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种电源冗余的变频器系统，其特征在于，包括开关电源、辅助开关电源模块、整流模块、逆变模块、母线、变压器和负载，所述整流模块的输入端连接至三相电压且公共端连接所述变压器的原边，所述整流模块的输出端通过所述母线连接所述逆变模块的输入端，所述开关电源的输入端连接到所述母线上，所述变压器的副边连接所述辅助开关电源模块的输入端，所述开关电源的输出端连接所述负载的输入端且公共端连接所述辅助开关电源模块的输出端。

2.如权利要求1所述的一种电源冗余的变频器系统，其特征在于，所述辅助开关电源模块包括辅助开关电源、比较电路、逻辑运算电路、母线电压采样电路、控制电电压采样电路、驱动电路和开关管，所述比较电路包括第一比较器和第二比较器，所述母线电压采样电路的输出端连接所述第一比较器的一个输入端，所述第一比较器的另一个输入端输入第一参考电压V_ref1，所述控制电电压采样电路的输出端连接所述第二比较器的一个输入端，所述第二比较器的另一个输入端输入第二参考电压V_ref2，所述第一比较器的输出端连接所述逻辑运算电路的一个输入端，所述第二比较器的输出端连接所述逻辑运算电路的另一个输入端，所述逻辑运算电路的输出单连接驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接所述开关管的控制端，所述开关管的输入端连接所述辅助开关电源的输出端，所述开关管的输出端连接所述负载。

3.如权利要求1所述的一种电源冗余的变频器系统，其特征在于，所述母线包括两根，分别为正极母线和负极母线，所述正极母线和所述负极母线之间连接有母线电容。

4.如权利要求1所述的一种电源冗余的变频器系统，其特征在于，所述负载包括PFC控制板和电机控制板。

5.如权利要求2所述的一种电源冗余的变频器系统，其特征在于，所述变频器系统还包括继电器控制板，所述继电器控制板的输入端连接所述变压器的副边，所述辅助开关电源为DC/DC辅助开关电源，所述DC/DC辅助开关电源的输入端连接至继电器控制板的直流输出端。

6.如权利要求2所述的一种电源冗余的变频器系统，其特征在于，所述辅助开关电源为AC/DC辅助开关电源，所述AC/DC辅助开关电源的输入端连接所述变压器的副边。

7.如权利要求2所述的一种电源冗余的变频器系统，其特征在于，所述逻辑运算电路用于实现逻辑“与非”运算，所述逻辑运算电路可以通过逻辑门电路或纯硬件电路实现。

8.一种电源冗余的变频器系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过权利要求1至6任意一项所述的变频器系统实现。

9.如权利要求8所述的一种电源冗余的变频器系统的控制方法，其特征在于，包括：

变频器上电后，辅助开关电源模块得电并为负载供电；

获取母线电压和控制电电压，并判断母线电压和控制电电压是否大于对应的参考电压；

根据母线电压和控制电电压与参考电压的比较结果，通过驱动电路控制开关管断开或闭合；

开关管闭合和断开使辅助开关电源输出或不输出控制电。

10.如权利要求9所述的一种电源冗余的变频器系统的控制方法，其特征在于，所述根据母线电压和控制电电压与参考电压的比较结果，通过驱动电路控制开关管断开或闭合具体包括：

当母线电压大于第一参考电压且控制电电压大于第二参考电压时，所述比较电路均输出高电平，使逻辑运算电路输出低电平，关闭驱动电路，使开关管断开，辅助开关电源不输出控制电；

当母线电压不大于第一参考电压和控制电电压不大于第二参考电压时任意一项成立时，逻辑运算电路至少一个输入端为低电平，逻辑运算电路输出高电平，从而使驱动电路开启，开关管闭合，辅助开关电源输出控制电。

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