CN202602543U - 一种双向四象限变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了小功率风力发电技术领域中的一种双向四象限变频器。本实用新型包括开关电源、驱动保护电路、程序升级接口电路、编码器接口电路、DSP控制器、第一驱动电路、第二驱动电路、信号采集电路、交流输入电抗器、第一断路器、电网侧变频器、快速过流熔断器、过流保护电路、电机侧变频器、交流输出电抗器。本实用新型避免在负载功率及电网电压突变等情况下，两个控制器因无法同时协调控制而引起的直流母线电压波动，使得经控制后的直流母线电压更稳定；解决了从直流母线直接取电所带来的弊端，提高了变频器的集成度，简化变频器结构；最大程度的确保了变频器的安全运行。

Description

一种双向四象限变频器

技术领域

本实用新型属于小功率风力发电技术领域，尤其涉及一种双向四象限变频器。

背景技术

目前，风力发电机组的发电机控制实验中，一般在大功率原型机上进行，由于机组系统复杂，变桨系统、偏航解缆系统、液压制动系统、变频系统、数据采集与通信系统等环节较多且相互影响，给独立研究主要系统的控制问题带来极大不便，且由于机组对安全性要求较高，功率容量较大，实验成本也较高，因此，给实验工作带来很大困难。

在传统的电机调速控制实验中，广泛使用二象限通用变频器实现对普通异步电机的控制。而对于双馈异步发电机的控制需要采用双向四象限变频器，目前国内还没有用于小功率双馈发电机控制实验的双向四象限变频器。

传统二象限通用变频器原理如附图1所示，主要包括不可控二极管整流电路和逆变电路。

现有的一种方案如图2所示，是将一个绝缘栅双极型晶体管IGBT的逆变电路同二极管整流电路并联，并同时连接到电网，其直流输出端都连接另一个绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变电路的直流输入端。这种连接方式实现简单，不需要多余的外部器件，能够保证改造后变频器的简单运行。但是此连接方式会在绝缘栅双极型晶体管IGBT回路之间产生很大的环流，如图2中虚线所示。环流会使得变频器主回路中的电磁元器件的噪声增大，进而引起绝缘栅双极型晶体管IGBT等器件发热，使得变频器的持续工作能力和过载能力下降，使用寿命缩短。

另一种方案如图3所示，将2只二象限变频器的不可控整流电路空置或拆除，并将2只二象限变频器逆变电路的直流端相连，其中IGBT-A逆变电路的交流端接电网，IGBT-B逆变电路的交流端接双馈发电机。此种改造方法可以实现双向四象限变频器功能，但是也存在以下问题：由于通用变频器内部的辅助电源输入电路多是同不可控整流电路集成在一起，单纯的将不可控整流部分空置，会造成部分辅助电源电路无法正常工作，进而导致变频器内部的直流母线电压电流检测电路、绝缘栅双极型晶体管IGBT温度检测电路无法工作，使变频器报直流母线欠压等故障而无法启动。在很多情况下，此方案还会造成散热风扇不转，指示灯不亮等状况，给实际应用造成了不便。

目前有些设备集成商针对某些通用变频器，提出了跳接变频器内部检测电路等方法避免此方案所产生的应用问题。但是对已经投产或是非同一设备生产商提供的变频器，往往无法进行变频器内部电路的跳接，此类方法有很大的局限性。同时未经设备生产商而进行的电路改动，会给变频器的维护和维修带来困难。

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有电机调速控制实验中变频器的诸多不足，本实用新型提出了一种双向四象限变频器。

本实用新型的技术方案是，一种双向四象限变频器，一端与双馈发电机连接，另一端通过变压器和防雷器电网连接，其特征是该变频器包括开关电源、驱动保护电路、程序升级接口电路、编码器接口电路、DSP控制器、第一驱动电路、第二驱动电路、信号采集电路、交流输入电抗器、第一断路器、电网侧变频器、快速过流熔断器、过流保护电路、电机侧变频器和交流输出电抗器；

所述DSP控制器分别与第一驱动电路、第二驱动电路、信号采集电路、程序升级接口电路、编码器接口电路和驱动保护电路连接；开关电源为驱动保护电路、程序升级接口电路、编码器接口电路、DSP控制器、第一驱动电路、第二驱动电路和信号采集电路供电；交流输入电抗器和第一断路器连接；第一断路器和电网侧变频器连接；电网侧变频器和快速过流熔断器连接；快速过流熔断器和过流保护电路连接；过流保护电路和电机侧变频器连接；电机侧变频器和交流输出电抗器；第一驱动电路和电网侧变频器连接；第二驱动电路和电机侧变频器连接。

所述第一驱动电路或第二驱动电路由PC923智能驱动集成电路和PC929智能驱动集成电路组成。

本实用新型采用一个DSP控制器同时完成对电网侧变频器与电机侧变频器的控制，可以有效避免在负载功率及电网电压突变等情况下，两个控制器因无法同时协调控制而引起的直流母线电压波动，使得经控制后的直流母线电压更稳定，解决了双控制器难以协调的问题，简化了系统结构，降低了实验成本，提高了系统灵活性，并可通过自主编程，为双馈风力发电机组控制策略研究提供了方便。

本实用新型采用高集成度开关电源为双侧变频器驱动电路提供独立的8路供电电源，开关电源采用了直接从电网取电的方式，解决了从直流母线直接取电所带来的弊端，因为直流母线随着负载的变化一直处于充放电状态，其电压的频繁波动常常引起变频器检测电路及驱动保护电路的动作，影响变频器的稳定运行。利用一个开关电源为两侧变频器的8路驱动电路提供独立电源，提高了变频器的集成度，简化变频器结构。

本实用新型在直流母线中接入了快速过流熔断器和过电流保护电路，提供了可靠的两级硬件保护功能，使得在机组运行实验中当出现因电机堵转而引起的过流情况下，不会损坏IGBT功率器件，同时直流母线上的熔断器置于变频器外壳外边，可以方便的更换熔断器，最大程度的确保了变频器的安全运行。

本实用新型对PWM驱动电路进行了设计，第一驱动电路和第二驱动电路采用带过流保护功能的PC929智能驱动集成电路和PC923智能驱动集成电路，PC929智能驱动集成电路兼有脉冲隔离放大驱动和故障检测双重“身份”，在IGBT过流的情况下，PC929智能驱动集成电路能够自动关闭驱动脉冲输出，并给DSP控制器送出故障报警信号，由DSP控制器软件控制停机，进一步保障变频器的安全。

本实用新型提供了程序升级接口电路，通过系统预留的串口和自主编写的存储在EEPROM中的FLASH烧写程序，可以实现对变频器控制程序的升级，提高了系统的灵活性和方便性，避免了拆开变频器外壳，拆除主控器上部的电路板等过程，使升级过程省时省力。

附图说明

图1通用变频器结构图；

图2方案一变频器原理图；

图3方案二变频器原理图；

图4本实用新型整体结构图；

图5本实用新型驱动电路原理图；

图6本实用新型过流保护电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

本实用新型用于小功率双馈风力发电机组实验的双向四象限变频器主要包括：由电网侧变频器与电机侧变频器构成变频器的核心电路；过流保护电路及快速过流熔断器提供两级直流母线硬件过流保护；PC923智能驱动集成电路和PC929智能驱动集成电路构成带绝缘栅双极型晶体管IGBT过流保护功能的第一驱动电路和第二驱动电路；DSP控制器以及外围电路构成整个变频器的主控制电路；多路独立开关电源为变频器驱动与检测电路提供电源。

电网侧变频器的交流侧通过第一断路器、交流输入电抗器和防雷器连接电网，直流侧通过快速过流熔断器和过流保护电路连接电机侧变频器的直流输入端，电机侧变频器的交流输出侧通过交流输出电抗器连接双馈发电机。

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图4所示，本实用新型包括开关电源、驱动保护电路、程序升级接口电路、编码器接口电路、DSP控制器、第一驱动电路、第二驱动电路、信号采集电路、交流输入电抗器、第一断路器、电网侧变频器、快速过流熔断器、过流保护电路、电机侧变频器、交流输出电抗器；DSP控制器分别与第一驱动电路、第二驱动电路、信号采集电路、程序升级接口电路、编码器接口电路和驱动保护电路连接；开关电源为驱动保护电路、程序升级接口电路、编码器接口电路、DSP控制器、第一驱动电路、第二驱动电路和信号采集电路供电；交流输入电抗器和第一断路器连接；第一断路器和电网侧变频器连接；电网侧变频器和快速过流熔断器连接；快速过流熔断器和过流保护电路连接；过流保护电路和电机侧变频器连接；电机侧变频器和交流输出电抗器；第一驱动电路和电网侧变频器连接；第二驱动电路和电机侧变频器连接。

电网三相交流电的任意两相接变压器，变压器将交流380伏转换为交流220伏，作为开关电源的电源输入，开关电源输出8路独立24伏直流电源作为IGBT驱动电路的电源，输出一路5伏直流电源为变频器控制电路提供工作电源。

电网侧变频器通过交流输入电抗器同电网连接，可以抑制高次谐波对电网线路的干扰；交流输入电抗器的输入端跨接防雷器，可以使电网侧变频器在强雷电等恶劣的工作环境下安全运行，保护内部电路的安全；直流母线的过流保护电路与快速过流熔断器提供了两级过流保护功能，通过设定不同的过流阀值实现双重分级保护功能，能够使电网侧变频器和电机侧变频器在过流情况下保证整流和逆变等功率器件的安全，快速过流熔断器置于本实用新型的外壳卡槽内，可以在不拆卸外壳的情况下方便地更换快速过流熔断器。

电机侧变频器的交流输出端通过交流输出电抗器连接双馈发电机，交流输出电抗器可以平衡出线电缆的分布容性负载，增大出线主回路的短路阻抗，并能抑制电机侧变频器输出的谐波，减小电机侧变频器噪声。

信号采集电路用来采集发电机转速、电网电压及电流、双馈发电机转子电压及电流、发电机定子电压及电流。信号采集电路对发电机定子输出及电网侧变频器输出电压电流进行检测，为发电机并网及功率控制提供信号；对发电机转子侧三相电压及电流进行检测，为发电机励磁调节提供信号。

程序升级接口电路采用串口FLASH烧写技术为变频器的升级和拓展应用范围提供了方便，可以将不同的控制算法程序，通过串口写入到DSP控制器。

编码器接口电路连接转速编码器，为电机侧变频器的控制提供发电机转速位置反馈信号。

第一驱动电路和第二驱动电路的具体电路如图5所示，采用PC923驱动IGBT同一桥臂的上桥臂IGBT1，PC929智能驱动集成电路驱动IGBT的下桥臂IGBT2。DSP控制器输出的两路PWM脉冲信号PWM+与PWM-分别控制PC923智能驱动集成电路和PC929智能驱动集成电路，且高电平有效。反相器U1、反相器U2、与非门U3、与非门U4组成信号互锁电路，防止两路PWM信号同时出现高电平。PWM-为低时U2对于PWM+相当于非门，PWM+为高时，PC923智能驱动集成电路的内部发光二极管导通，PC923智能驱动集成电路内部输出电路的上部三极管导通，下部三极管截止，PC923智能驱动集成电路的6脚输出高电平信号，使三极管Q1导通，三极管Q2截止，24V供电电压经电阻R7引入到IGBT1的GU端，稳压管ZD1提供10伏左右的参考电压，此时IGBT1的QU与EU得到正偏压而开通；在输入信号PWM+的低电平期间，PC923智能驱动集成电路的3脚为+5伏高电平，PC923智能驱动集成电路内部发光二极管没有电流，PC923智能驱动集成电路内部输出电路的下部三极管导通，上部三极管截止，6脚转为0伏电压输出，经R3驱动后使放大电路的Q2导通，Q1截止，负10伏左右电压经电阻R7引入到IGBT1的GU与EU之间，IGBT1得到负偏压而关断。

PC929智能驱动集成电路兼有对驱动脉冲隔离放大和故障检测双重“身份”。由DSP控制器来的脉冲信号从1-2、3脚输入到PC929智能驱动集成电路内部的光电耦合器，并从11脚输出，经Q3、Q4互补式功率放大后，引入IGBT2的GZ极，形成IGBT2的驱动电路。触发状态下，PC929智能驱动集成电路的11脚输出正的电压，使Q3导通，Q4截止，将正24V加到IGBT2的GZ极上，IGBT2进入饱合开通状态。

PC929智能驱动集成电路的9脚内部电路与外接R5、R8、D2B、D2A、C1、R12、R11、D1元件构成了IGBT2管压降检测电路。二极管D1的负极接在IGBT1与IGBT2之间，当IGBT2正常导通时，IGBT2的导通压降很小，EU点电压与EZ点电压接近，D1正向导通，电路中a点为低电平，PC929智能驱动集成电路的9脚输入为低电平，8脚故障指示信号输出为高电平，此时为无故障正常状态。当变频器负载电路异常出现严重过流时，IGBT2的管压降将超过7V或更大，D1反偏截止，此时24伏电压经a点及后边的分压电路施加到PC929智能驱动集成电路的9脚，PC929智能驱动集成电路内部保护电路对IGBT2进行关断，同时使得8脚内部三极管导通，将保护信号送给DSP控制器停止触发。

图6为直流母线过电流保护电路原理图。霍尔传感器对直流母线电流进行检测，输出与直流母线电流成正比的4～20毫安信号，经R19采样电阻转换为电压信号，输入到运算放大器U5的同相输入端，运算放大器U5的输出端与反向输入端为信号反馈电路，通过R20、R21、R22分压反馈电路，给运算放大器U5反向输入端加入偏置电压，使运算放大器U5输出在0～5伏之间变化。运算放大器U5输出信号经R17送入U6电压比较器，R15、R16、R18组成比较参考电压电路，过电流保护值可通过可变电阻R16设定，当被测直流母线电流超过设定值时，U6输出高电平信号，一路作为报警信号送DSP控制器，一路送到运算放大器U7同相输入端，U7输出连接U7反向输入端，将运算放大器U7接成电压跟随器形式，可以提高对后续电路的驱动能力。过电流时U7输出为高电平，经R23驱动直流固态继电器DCSSR内部发光二极管导通，经直流固态继电器内部放大驱动电路使直流固态继电器输出端导通，直流母线高压端经R24、直流固态继电器连接直流母线低压端形成泄流电路，泄放电流大小可通过大功率电阻R24来选择。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种双向四象限变频器，一端与双馈发电机连接，另一端通过变压器和防雷器电网连接，其特征是该变频器包括开关电源、驱动保护电路、程序升级接口电路、编码器接口电路、DSP控制器、第一驱动电路、第二驱动电路、信号采集电路、交流输入电抗器、第一断路器、电网侧变频器、快速过流熔断器、过流保护电路、电机侧变频器和交流输出电抗器；

所述DSP控制器分别与第一驱动电路、第二驱动电路、信号采集电路、程序升级接口电路、编码器接口电路和驱动保护电路连接；开关电源为驱动保护电路、程序升级接口电路、编码器接口电路、DSP控制器、第一驱动电路、第二驱动电路和信号采集电路供电；交流输入电抗器和第一断路器连接；第一断路器和电网侧变频器连接；电网侧变频器和快速过流熔断器连接；快速过流熔断器和过流保护电路连接；过流保护电路和电机侧变频器连接；电机侧变频器和交流输出电抗器；第一驱动电路和电网侧变频器连接；第二驱动电路和电机侧变频器连接。

2.根据权利要求1所述的一种双向四象限变频器，其特征是所述第一驱动电路或第二驱动电路由PC923智能驱动集成电路和PC929智能驱动集成电路组成。

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