CN113206502B - 电源质量改善装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电源质量改善装置，包括滤波电感排、IGBT模块、PWM驱动器、数据采集器和DSP控制板；所述滤波电感排包括四个独立的电感器，四个独立的电感器分别与主功率电路的三相火线及零线一一对应连接；所述IGBT模块分别滤波电感排、数据采集器与PWM驱动器连接；所述PWM驱动器与绝缘栅双极晶体管的栅极连接；所述数据采集器包括霍尔传感器，所述霍尔传感器与主功率电路的三相火线连接以获得主功率电路的电源数据；所述数据采集器分别与电解电容C1的阳极及每对绝缘栅双极晶体管的对内直连端连接；所述DSP控制板分别与数据采集器和PWM驱动器连接，所述DSP控制板用于对获得的电源数据进行处理，依据设定策略通过PWM驱动器进行主功率电路的电源质量改善控制。
Description
技术领域
本发明涉及电源辅助设备技术领域，特别涉及一种电源质量改善装置。
背景技术
近年来我国电气化铁路快速发展，随着高速动车组和大功率交直交电力机车的不断投入运行，牵引供电系统受谐波干扰问题日益突出。电力机车运行产生的谐波电流通过牵引网注入到牵引变电所，再通过连接在高压母线上的27.5kV所用电变压器注入到低压系统中。谐波电流进入所内交流所用电系统后，各次谐波与基波叠加，使交流所用电系统电压峰值超过负载设备的耐受极限，造成用电设备零部件击穿损坏，无法正常工作。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电源质量改善装置，包括滤波电感排、IGBT模块、PWM驱动器、数据采集器和DSP控制板；
所述滤波电感排包括四个独立的电感器，四个独立的电感器分别与主功率电路的三相火线及零线一一对应连接；
所述IGBT模块包括四对绝缘栅双极晶体管，每对绝缘栅双极晶体管中的一个绝缘栅双极晶体管的发射极与另一个绝缘栅双极晶体管的集电极连接形成对内直连端，每对绝缘栅双极晶体管中的一个绝缘栅双极晶体管的集电极都依次通过电阻R1和电解电容C1与另一个绝缘栅双极晶体管的发射极连接，所述电阻R1和电解电容C1的阳极连接，所述电阻R1与开关K1并联；四对绝缘栅双极晶体管的对内直连端分别与四个独立的电感器连接；
所述PWM驱动器与绝缘栅双极晶体管的栅极连接；
所述数据采集器包括霍尔传感器，所述霍尔传感器与主功率电路的三相火线连接以获得主功率电路的电源数据；所述数据采集器分别与电解电容C1的阳极及每对绝缘栅双极晶体管的对内直连端连接；
所述DSP控制板分别与数据采集器和PWM驱动器连接，所述DSP控制板用于对获得的电源数据进行处理，并依据设定策略通过PWM驱动器进行主功率电路的电源质量改善控制。
可选的，所述电源数据包括输出电流、三相电压、三相负载电流和三相RS-APF输出电流。
可选的，所述DSP控制板连接有控制面板，所述控制面板设有显示屏，所述显示屏为中文大屏幕液晶显示器。
可选的，所述设定策略具体如下：
从数据采集器获得的主功率电路的电源数据中提取主功率电路的基波，将基波与电流实测值相减得到主功率电路的实时谐波电流，以实时谐波电流作为参考值；
通过PWM驱动器控制，形成与参考值的幅值相等、相位相反的输出电流，以输出电流抵消主功率电路中的谐波电流。
可选的，所述DSP控制板连接有RAM存储器，所述RAM存储器用于保存电源数据和电源质量改善控制数据。
可选的，所述DSP控制板连接有CPLD编辑器，所述CPLD编辑器与PWM驱动器的PWM输出端子连接。
可选的，所述装置还包括壳体和散热组件，所述滤波电感排、IGBT模块、PWM驱动器、数据采集器和DSP控制板都安装在壳体内，所述散热组件包括在壳体上设置的散热孔及对应的散热风机，所述散热风机与DSP控制板连接；
所述DSP控制板连接有温度传感器和电功率表，所述温度传感器用于测量壳体的内部温度和外部环境温度，所述电功率表用于测量所述装置在工作时的耗电量；
所述DSP控制板采用以下公式计算需求的散热风量：
上式中，Q表示需求的散热风量，单位为立方米每秒；q表示测量的耗电量；C表示空气的比热；ρ表示空气的密度；V表示壳体的内部容积；t内表示壳体的内部温度；t工表示设定的装置工作温度；T设表示设定的期望壳体的内部温度变化至工作温度的时长；t外表示外部环境温度；
所述DSP控制板内设散热风机的转速与风量对照表，根据计算出的散热风量在转速与风量对照表查找对应的转速值，并以该转速值控制散热风机的转速。
可选的，所述DSP控制板连接有报警器，所述DSP控制板采用以下公式计算电源数据中输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值：
上式中，μ表示输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值；w表示输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的测量值；n表示保存的输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的数量；wi表示保存的第i个输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流；
若输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值大于相应预设的偏差阈值，则报警器发出报警信号。
可选的，所述显示屏内置存储模块、屏幕核准模块和屏幕截图模块，所述屏幕截图模块用于截取屏幕使用时的显示图像，所述存储模块用于显示图像，所述屏幕核准模块由显示图像中提取显示的定位位置，并按照设定周期采用以下公式对显示的定位位置进行校正：
上式中，D表示校正后的定位位置；m表示显示图像的数量；e表示自然常数；
表示第j个显示图像中提取的定位位置的权重，所有图像中提取的定位位置的权重之和等于1；Dj表示提取第j个显示图像中提取的定位位置；
采用校正后的定位位置控制显示屏的显示。
可选的，所述DSP控制板连接有通信模块，所述通信模块用于将电源数据和对电源的处理信息通过网络发送给远程终端。
本发明的电源质量改善装置，通过数据采集器采集电源数据，电源数据经DSP控制板处理，得到实时的电流谐波状态，再由PWM驱动器控制IGBT模块通过滤波电感排向主功率电路发出可调整实时电流的谐波，从而对电源质量进行了改善，降低了电源谐波电流对用电设备的冲击，保护用电设备的安全。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种电源质量改善装置示意图；
图2为本发明的电源质量改善装置设有CPLD编辑器和RAM存储器的实施例示意图；
图3为本发明的电源质量改善装置使用实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种电源质量改善装置，包括滤波电感排2、IGBT模块3、PWM驱动器6、数据采集器5和DSP控制板4；
所述滤波电感排2包括四个独立的电感器，四个独立的电感器分别与主功率电路1的三相火线及零线一一对应连接；
所述IGBT模块3包括四对绝缘栅双极晶体管，每对绝缘栅双极晶体管中的一个绝缘栅双极晶体管的发射极与另一个绝缘栅双极晶体管的集电极连接形成对内直连端，每对绝缘栅双极晶体管中的一个绝缘栅双极晶体管的集电极都依次通过电阻R1和电解电容C1与另一个绝缘栅双极晶体管的发射极连接，所述电阻R1和电解电容C1的阳极连接，所述电阻R1与开关K1并联；四对绝缘栅双极晶体管的对内直连端分别与四个独立的电感器连接；
所述PWM驱动器6与绝缘栅双极晶体管的栅极连接；
所述数据采集器5包括霍尔传感器，所述霍尔传感器与主功率电路1的三相火线连接以获得主功率电路的电源数据；所述数据采集器5分别与电解电容C1的阳极及每对绝缘栅双极晶体管的对内直连端连接；
所述DSP控制板4分别与数据采集器5和PWM驱动器6连接，所述DSP控制板4用于对获得的电源数据进行处理，并依据设定策略通过PWM驱动器6进行主功率电路的电源质量改善控制。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过数据采集器采集电源数据，电源数据经DSP控制板处理，得到实时的电流谐波状态，再由PWM驱动器控制IGBT模块通过滤波电感排向主功率电路发出可调整实时电流的谐波，从而对电源质量进行了改善，降低了电源谐波电流对用电设备的冲击，保护用电设备的安全；其中，主功率电路设有变压器，所述变压器的输入端与电网连接，输出端为给负载提供电源的三相火线及零线。
在一个实施例中，所述电源数据包括输出电流、三相电压、三相负载电流和三相RS-APF输出电流；所述DSP控制板连接有控制面板，所述控制面板设有显示屏，所述显示屏为中文大屏幕液晶显示器。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了对主功率电路的电源数据的采集范围；另外，通过设置带有显示屏的控制面板，可以对装置进行设置与数据查询/查看，使得工作人员对主功率电路的电源数据有精准掌握，增强了用户的良好体验。
在一个实施例中，所述设定策略具体如下：
从数据采集器获得的主功率电路的电源数据中提取主功率电路的基波，将基波与电流实测值相减得到主功率电路的实时谐波电流，以实时谐波电流作为参考值；
通过PWM驱动器控制，形成与参考值的幅值相等、相位相反的输出电流，以输出电流抵消主功率电路中的谐波电流。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了一种可选用的控制策略，采用直接电流控制方式能够补偿牵引网电流谐波，当数据采样元件提取牵引网基波与电流实际值相减得到牵引网谐波电流的瞬时值，作为参考值，通过PWM控制本装置输出与参考值的幅值相等、相位相反的电流，抵消配电系统中的谐波电流，其中牵引网基波包括有功和无功两种；通过该策略可以达到改善电源质量的目的，对用电设备进行良好保护。
在一个实施例中，如图2所示，所述DSP控制板连接有RAM存储器，所述RAM存储器用于保存电源数据和电源质量改善控制数据；所述DSP控制板连接有CPLD编辑器，所述CPLD编辑器与PWM驱动器的PWM输出端子连接。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置RAM存储器和CPLD编辑器，可以保存电源数据和电源质量改善控制数据，还可以对DSP控制板进行控制策略编辑，使得用户可以根据项目需要进行控制调整，提高装置使用的灵活性及与主功率电路的适配性。
在一个实施例中，所述装置还包括壳体和散热组件，所述滤波电感排、IGBT模块、PWM驱动器、数据采集器和DSP控制板都安装在壳体内，所述散热组件包括在壳体上设置的散热孔及对应的散热风机，所述散热风机与DSP控制板连接；
所述DSP控制板连接有温度传感器和电功率表，所述温度传感器用于测量壳体的内部温度和外部环境温度，所述电功率表用于测量所述装置在工作时的耗电量；
所述DSP控制板采用以下公式计算需求的散热风量：
上式中，Q表示需求的散热风量，单位为立方米每秒；q表示测量的耗电量；C表示空气的比热；ρ表示空气的密度；V表示壳体的内部容积；t内表示壳体的内部温度；t工表示设定的装置工作温度；T设表示设定的期望壳体的内部温度变化至工作温度的时长；t外表示外部环境温度；
所述DSP控制板内设散热风机的转速与风量对照表，根据计算出的散热风量在转速与风量对照表查找对应的转速值，并以该转速值控制散热风机的转速。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置散热组件，根据对装置使用监测和获取的环境温度，采用上述计算公式计算装置所需要的散热风量，对照散热风机的转速与风量对照表获取转速值，从而实现对散热风机的精确控制，节约能耗；本方案采用的计算公式考虑的装置的工作温度参数，可以在限定时间(设定的时长)内让偏离工作温度的壳体的内部温度回归到工作温度，然后让壳体的实际内部温度长期保持为工作温度，从而保障装置的工作效率，提高装置的使用寿命。
在一个实施例中，所述DSP控制板连接有报警器，所述DSP控制板采用以下公式计算电源数据中输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值：
上式中，μ表示输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值；w表示输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的测量值；n表示保存的输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的数量；wi表示保存的第i个输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流；
若输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值大于相应预设的偏差阈值，则报警器发出报警信号。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置报警器，以DSP控制板对电源数据中输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流测量值进行偏差计算与评估，若发现偏差值则由报警器发出报警信号，从而让工作人员可以掌握电源状态与情况，及时发现存在的问题与风险，以便采取应对措施，消除电源异常所带来的隐患。
在一个实施例中，所述显示屏内置存储模块、屏幕核准模块和屏幕截图模块，所述屏幕截图模块用于截取屏幕使用时的显示图像，所述存储模块用于显示图像，所述屏幕核准模块由显示图像中提取显示的定位位置，并按照设定周期采用以下公式对显示的定位位置进行校正：
上式中，D表示校正后的定位位置；m表示显示图像的数量；e表示自然常数；
表示第j个显示图像中提取的定位位置的权重，所有图像中提取的定位位置的权重之和等于1；Dj表示提取第j个显示图像中提取的定位位置；
采用校正后的定位位置控制显示屏的显示。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在显示屏设置存储模块、屏幕核准模块和屏幕截图模块，以屏幕截图模块截取屏幕使用时的显示图像，显示图像保存于存储模块，以屏幕核准模块由显示图像中提取显示的定位位置，然后按照设定周期采用上述算法进行定位位置的校正计算，用计算结果对显示器显示的定位位置进行调整；本方案可以定期校正显示屏的显示情况，保证显示屏处于良好的显示定位状态，避免长久使用而出现显示定位偏差，可以增强用户的良好体验。
在一个实施例中，所述DSP控制板连接有通信模块，所述通信模块用于将电源数据和对电源的处理信息通过网络发送给远程终端。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置通信模块用于将电源数据和对电源的处理信息通过网络发送给远程终端，增加了系统的远程通信功能，远程终端可以包括设置在远程的监视平台，通过远程监视平台能让工作人员在总部了解接电源状况及其改善处理情况，若发现存在异常可以及时做出应对。
以下为本发明的一个使用实例，针对牵引所27.5kV所用电谐波电流对二次设备烧伤损坏现象，采用本发明的电源质量改善装置，保障牵引变电所安全运行。如图2和3所示，采用两电平方式，通过电源端子将开关电源的输出送给DSP控制板和散热电扇，通过PWM输入端子获得DSP控制板的PWM驱动信号，PWM驱动信号经过光电隔离芯片送入逆变模块完成驱动任务；逆变模块连接有电阻R2和电阻R3，电阻R2和电阻R3串联，电阻R2并联有电解电容C2，电阻R3并联有电解电容C3，三相输出端子将逆变模块的UVW三相引出，连接外部的滤波电感排。主电路板上设计一个总容量为20W的开关电源，设计输入电压220V±20％。通过滤波电感排，将两各电压源系统连接起来，可以使整个装置(包括滤波电感排)呈现出电流源的特性。通过控制装置PWM输出电压，就可以发出任意形状的电流波形，进而补偿牵引网中的谐波和无功电流。
本发明具有以下优点和积极效果：
(1)采用直接电流控制方式能够补偿牵引网电流谐波，当数据采样元件提取牵引网基波(包括有功和无功)与电流实际值相减得到牵引网谐波电流的瞬时值，作为参考值，通过PWM控制本装置输出与参考值的幅值相等、相位相反的电流，抵消配电系统中的谐波电流。
(2)在配电系统设定功率因数后，采取直接电流控制方式，数据采样元件采集配电系统电压和电流后，使用瞬时无功理论提取牵引网电流里面的无功成分，以提取出来的瞬时无功电流作为参考电流与设定功率因数比较，PWM驱动主功率元件的输出电流幅值及相位，达到动态补偿电力系统无功功率的目的。因此具有快速的响应速度。
(3)电压波动实际上是由于负载电流瞬间增大的结果，其中包含多次谐波成分，本装置能够补偿最高50次谐波，而且同时补偿所有阶次的谐波，数据采样元件采集到配电系统谐波中有功含量较大，配置的大容量电容回路静态开关瞬时闭合，电容放电提供大电流补偿，使配电系统电压波动得到抑制。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种电源质量改善装置，其特征在于，包括滤波电感排、IGBT模块、PWM驱动器、数据采集器和DSP控制板；
所述滤波电感排包括四个独立的电感器，四个独立的电感器分别与主功率电路的三相火线及零线一一对应连接；
所述IGBT模块包括四对绝缘栅双极晶体管，每对绝缘栅双极晶体管中的一个绝缘栅双极晶体管的发射极与另一个绝缘栅双极晶体管的集电极连接形成对内直连端，每对绝缘栅双极晶体管中的一个绝缘栅双极晶体管的集电极都依次通过电阻R1和电解电容C1与另一个绝缘栅双极晶体管的发射极连接，所述电阻R1和电解电容C1的阳极连接，所述电阻R1与开关K1并联；四对绝缘栅双极晶体管的对内直连端分别与四个独立的电感器连接；
所述PWM驱动器与绝缘栅双极晶体管的栅极连接；
所述数据采集器包括霍尔传感器，所述霍尔传感器与主功率电路的三相火线连接以获得主功率电路的电源数据；所述数据采集器分别与电解电容C1的阳极及每对绝缘栅双极晶体管的对内直连端连接；
所述DSP控制板分别与数据采集器和PWM驱动器连接，所述DSP控制板用于对获得的电源数据进行处理，并依据设定策略通过PWM驱动器进行主功率电路的电源质量改善控制；
所述DSP控制板连接有控制面板，所述控制面板设有显示屏，所述显示屏为中文大屏幕液晶显示器；
所述显示屏内置存储模块、屏幕核准模块和屏幕截图模块，所述屏幕截图模块用于截取屏幕使用时的显示图像，所述存储模块用于显示图像，所述屏幕核准模块由显示图像中提取显示的定位位置，并按照设定周期采用以下公式对显示的定位位置进行校正：
上式中，D表示校正后的定位位置；m表示显示图像的数量；e表示自然常数；
表示第j个显示图像中提取的定位位置的权重，所有图像中提取的定位位置的权重之和等于1；Dj表示提取第j个显示图像中提取的定位位置；
采用校正后的定位位置控制显示屏的显示。
2.根据权利要求1所述的电源质量改善装置，其特征在于，所述电源数据包括输出电流、三相电压、三相负载电流和三相RS-APF输出电流。
3.根据权利要求1所述的电源质量改善装置，其特征在于，所述设定策略具体如下：
从数据采集器获得的主功率电路的电源数据中提取主功率电路的基波，将基波与电流实测值相减得到主功率电路的实时谐波电流，以实时谐波电流作为参考值；
通过PWM驱动器控制，形成与参考值的幅值相等、相位相反的输出电流，以输出电流抵消主功率电路中的谐波电流。
4.根据权利要求1所述的电源质量改善装置，其特征在于，所述DSP控制板连接有RAM存储器，所述RAM存储器用于保存电源数据和电源质量改善控制数据。
5.根据权利要求1所述的电源质量改善装置，其特征在于，所述DSP控制板连接有CPLD编辑器，所述CPLD编辑器与PWM驱动器的PWM输出端子连接。
6.根据权利要求1所述的电源质量改善装置，其特征在于，所述装置还包括壳体和散热组件，所述滤波电感排、IGBT模块、PWM驱动器、数据采集器和DSP控制板都安装在壳体内，所述散热组件包括在壳体上设置的散热孔及对应的散热风机，所述散热风机与DSP控制板连接；
所述DSP控制板连接有温度传感器和电功率表，所述温度传感器用于测量壳体的内部温度和外部环境温度，所述电功率表用于测量所述装置在工作时的耗电量；
所述DSP控制板采用以下公式计算需求的散热风量：
上式中，Q表示需求的散热风量，单位为立方米每秒；q表示测量的耗电量；C表示空气的比热；ρ表示空气的密度；V表示壳体的内部容积；t内表示壳体的内部温度；t工表示设定的装置工作温度；T设表示设定的期望壳体的内部温度变化至工作温度的时长；t外表示外部环境温度；
所述DSP控制板内设散热风机的转速与风量对照表，根据计算出的散热风量在转速与风量对照表查找对应的转速值，并以该转速值控制散热风机的转速。
7.根据权利要求1所述的电源质量改善装置，其特征在于，所述DSP控制板连接有报警器，所述DSP控制板采用以下公式计算电源数据中输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值：
上式中，μ表示输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值；w表示输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的测量值；n表示保存的输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的数量；wi表示保存的第i个输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流；
若输出电流、三相电压、三相负载电流或者三相RS-APF输出电流的偏差值大于相应预设的偏差阈值，则报警器发出报警信号。
8.根据权利要求1所述的电源质量改善装置，其特征在于，所述DSP控制板连接有通信模块，所述通信模块用于将电源数据和对电源的处理信息通过网络发送给远程终端。
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