CN210468807U - 基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置 - Google Patents

Abstract

一种基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，保护装置包括大功率DC/DC升压变换器、超级电容储能装置和电压暂降补偿装置，直流母线与大功率DC/DC升压变换器输出端连接，电压暂降补偿装置与超级电容储能装置连接，电压暂降补偿装置输出端输出220V交流电源，超级电容储能装置连接在大功率DC/DC升压变换器电能输入端上。本实用新型系统输入侧接入220V市电，该系统输出侧分为直流母线电压输出和交流220V电压输出，直流母线电压和变频器的直流接口并联，交流220V电压接入变频器系统控制单元的市电接口，其既可以在电网电压暂降时支撑变频器直流母线电压Vbus，同时具有变频器系统的控制单元的电压暂降保护功能。

Description

基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置

技术领域

本实用新型公开一种变频器保护装置，特别是一种基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置。

背景技术

变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，因其电机调速性能、电机软起动功能、节能环保等效果显著，而被大量应用在工业生产中，如汽车工业，自动化连续生产工业等。然而在变频器的使用中出现了新的问题——因电压暂降(电压暂降(又称电压骤降、电压凹陷或电压跌落)，按照电气与电子工程师协会IEEE的定义，是指工频条件下电压均方根值减小到0.1～0.9倍额定电压之间。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个特征量)触发变频器低电压保护功能并造成停机，进而引起电机停止运行。

随着工业化程度的不断提高，生产过程是自动化连续性生产，各个工艺流程紧密配合，只要其中一台设备停止工作，就会导致整条生产线停止工作，从而给企业造成严重的经济损失。一般是在输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变频器以及电容组的投切等事件时，都会引起的电压跌落、电压骤降、电压凹陷、晃电和跳电的现象，在某些情况下会出现两次或更多次连续的跌落或中断。

解决电压暂降引起的变频器低电压停机问题可通过加装电能质量治理设备实现，常用设备包括不间断电源UPS(Uninterruptible Power Supply)、动态电压恢复器DVR(Dynamic Voltage Restorer)、DC-BANK等，这些方案都存在一定的弊端。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的电压暂降会影响变频器工作的缺点，本实用新型提供一种基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其采用大功率DC/DC升压变换器、超级电容储能装置以及电压暂降补偿装置配合工作，可消除电压暂降对变频器的影响。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，保护装置包括大功率DC/DC升压变换器、超级电容储能装置和电压暂降补偿装置，直流母线与大功率DC/DC升压变换器输出端连接，电压暂降补偿装置与超级电容储能装置连接，电压暂降补偿装置输出端输出220V交流电源，超级电容储能装置连接在大功率DC/DC升压变换器电能输入端上。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的大功率DC/DC升压变换器包括电源变换单元和DSP控制器，电源变换单元包括三路电感，分别电感L1、电感L2和电感L3，电感L1、电感L2和电感L3分别通过一个二极管并联连接在直流母线与大功率DC/DC升压变换器输出端之间，直流母线与地之间串联连接有第一电容，大功率DC/DC升压变换器输出端与地之间连接有第二电容1，每个电感与二极管之间连接有一个IGBT，IGBT连接在电感和二极管的连接端与地之间，IGBT的控制端连接在DSP控制器上，DSP控制器输出PWM信号控制IGBT的通断。

所述的大功率DC/DC升压变换器还包括外接输入放大单元、时钟单元、控制输出单元、通信单元和电源单元，外接输入放大单元连接在DSP控制器上，时钟单元连接在DSP控制器上，控制输出单元连接在DSP控制器上，通信单元与DSP控制器连接，用于与外界进行通信，电源单元用于供电。

所述的外接输入放大单元包括两路电压放大单元和三路电流放大单元，两路电压放大单元分别采用运算放大器，两路电压放大单元的输入端分别连接有电压互感器，两路电压放大单元的输出端分别与DSP控制器连接，三路电流放大单元分别采用运算放大器芯片，三路电流放大单元的输入端上分别连接有一路电流互感器，每一路分别用于测量一路三相交流电的电流，三路电流放大单元的输出端分别与DSP控制器连接。

所述的控制输出单元采用继电器，每路控制输出单元包括一组继电器和一个三极管，三极管的基极与DSP控制器连接，通过三极管控制继电器的通断。

所述的通信单元包括CAN总线收发器和差分电路收发器，CAN总线收发器采用型号为ISO1050DW的芯片，CAN总线收发器与DSP控制器的一组串行接口连接，可通过CAN总线与后台进行通信，差分电路收发器采用型号为ADM483E的芯片，差分电路收发器连接在DSP控制器的另一串行接口上，差分电路收发器与DSP控制器之间连接有光耦，可通过光耦进行光电隔离，通过差分电路收发器与上位机进行通信。

所述的超级电容储能装置采用8.3F/268V超级电容模组。

所述的超级电容模组包括192个电容单体，每个电容单体为400F/2.8V电容，96个电容单体串联连接成一串，192个电容单体连接成两串电容串，两串电容串并联连接构成超级电容储能装置。

所述的电压暂降补偿装置包括桥式整流器、单片机控制器、输入电流检测单元、输出电流检测单元、继电器输出单元以及交流电源线，桥式整流器输出端连接在交流电源线上，输入电流检测单元连接在交流电源线输入端上，输入电流检测单元信号输出端与单片机控制器连接，输出电流检测单元连接在交流电源线输出端上，输出电流检测单元信号输出端与单片机控制器连接，继电器输出单元连接在单片机控制器上，通过单片机控制器控制其输出。

所述的桥式整流器采用大功率MOS管连接成桥式整流器结构，MOS管的栅极连接在单片机控制器上，桥式整流器的每一路桥臂包括四个并联连接在大功率MOS管。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用大功率DC/DC升压变换器、超级电容储能装置、电压暂降补偿装置组成，该系统输入侧接入220V市电，该系统输出侧分为直流母线电压输出和交流220V电压输出，直流母线电压和变频器的直流接口并联，交流220V电压接入变频器系统控制单元的市电接口，其既可以在电网电压暂降时支撑变频器直流母线电压Vbus，同时又具有变频器系统的控制单元的电压暂降保护功能。

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型电路方框图。

图2为本实用新型中大功率DC/DC升压变换器部分电路方框图。

图3为本实用新型中大功率DC/DC升压变换器的DSP控制部分电路原理图。

图4为本实用新型中大功率DC/DC升压变换器的放大器部分电路原理图。

图5为本实用新型中大功率DC/DC升压变换器的电源部分电路原理图。

图6为本实用新型中大功率DC/DC升压变换器的对外控制部分电路原理图。

图7为本实用新型中大功率DC/DC升压变换器的电源变换部分电路原理图。

图8为本实用新型超级电容储能装置电路原理图。

图9为本实用新型电压暂降补偿装置中单片机控制器部分电路原理图。

图10为本实用新型电压暂降补偿装置中电源线部分电路原理图。

图11为本实用新型电压暂降补偿装置中MOS管部分电路原理图。

图12为本实用新型应用电路原理图。

具体实施方式

本实施例为本实用新型优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本实用新型保护范围之内。

请结合参看附图1至附图12，本实用新型为一种基于超级电容储能变频器电压暂降保护装置，主要包括大功率DC/DC升压变换器、超级电容储能装置和电压暂降补偿装置，直流母线与大功率DC/DC升压变换器输出端连接，电压暂降补偿装置与超级电容储能装置连接，给超级电容储能装置充电，电压暂降补偿装置上设有用于输出220V交流电源的输出端，超级电容储能装置连接在大功率DC/DC升压变换器电能输入端上，用于在电压暂降时进行供电。

本实施例中，电压暂降补偿装置输出端与220V交流市电输入端连接，220V交流市电输入端与电压暂降补偿装置输出端之间连接有SCR(即Silicon Controlled Rectifier，是可控硅整流器的简称)，220V交流市电经过SCR直接给输出端的220V交流市电用电设备供电。

本实施例中，大功率DC/DC升压变换器主要包括DSP控制器、外接输入放大单元、时钟单元、控制输出单元、通信单元、电源变换单元和电源单元，外接输入放大单元连接在DSP控制器上，用于输入外接检测信号，时钟单元连接在DSP控制器上，用于输入时钟信号，控制输出单元连接在DSP控制器上，用于输出外部控制信号，通信单元与DSP控制器连接，用于与外界进行通信，电源变换单元连接在DSP控制器上，电源单元用于供电。大功率DC/DC升压变换器采用三相交错式DC/DC升压变换器，将超级电容储能装置的直流电压Vcap，升压到恒定的直流母线电压Vbus，为变频器直流母线提供稳定的电压。

本实施例中，DSP控制器采用型号为DSPIC30F6015的控制器，具体实施时，也可以其他型号的DSP控制器代替。DSP控制器上连接有存储器单元，存储器单元采用型号为BL24C512G的存储芯片，存储器单元通过I²C总线与DSP控制器连接，时钟单元连接在存储器单元与DSP控制器之间的I²C总线上，本实施例中，时钟单元采用型号为BL5372的时钟芯片。

本实施例中，外接输入放大单元包括两路电压放大单元和三路电流放大单元，两路电压放大单元分别采用型号为LM358的运算放大器，两路电压放大单元的输入端分别连接有电压互感器，其中一路用于测量大功率DC/DC升压变换器输入电压(即直流母线电压Vbus)，一路用于测量大功率DC/DC升压变换器输出电压(即超级电容储能装置电压Vcap)，两路电压放大单元的输出端分别与DSP控制器连接，三路电流放大单元分别采用型号为OP07C的运算放大器芯片，三路电流放大单元的输入端上分别连接有一路电流互感器，每一路分别用于测量一路三相交流电的电流，三路电流放大单元的输出端分别与DSP控制器连接。

本实施例中，控制输出单元采用继电器，每路控制输出单元包括一组继电器和一个三极管，三极管的基极与DSP控制器连接，通过DSP控制器三极管的通断，通过三极管控制继电器的通断，从而实现对输出的控制，本实施例中，控制输出单元用于控制两路继电器和三路指示灯。

本实施例中，通信单元包括CAN总线收发器和差分电路收发器，CAN总线收发器采用型号为ISO1050DW的芯片，CAN总线收发器与DSP控制器的一组串行接口连接，可通过CAN总线与后台进行通信，差分电路收发器采用型号为ADM483E的芯片，差分电路收发器连接在DSP控制器的另一串行接口上，差分电路收发器与DSP控制器之间连接有光耦，可通过光耦进行光电隔离，通过差分电路收发器与上位机进行通信。

本实施例中，电源变换单元包括三路电感，分别电感L1、电感L2和电感L3，电感L1、电感L2和电感L3分别通过一个二极管并联连接在直流母线与大功率DC/DC升压变换器输出端之间，直流母线(即大功率DC/DC升压变换器输入端)与地之间串联连接有电容EC2和电容EC3，大功率DC/DC升压变换器输出端与地之间连接有电容EC1，每个电感与二极管之间连接有一个IGBT，IGBT连接在电感和二极管的连接端与地之间，IGBT的控制端(即基极)连接在DSP控制器上，DSP控制器输出PWM信号控制IGBT的通断，从而实现叫直流母线输入电压变成交流电的作用，实现升压。

本实施例中，电源单元包括变压器、+12V电源、+5V电源和-12V电源，通过变压器将220V交流电源转换成+15V电源，+12V电源采用型号为7812的稳压芯片将+15V电源稳压至+12V电源进行供电，+5V电源采用型号为LM2596的降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，将+15V电源稳压至+5V进行供电，-12V电源采用NE555，NE555的Q输出端连接有三极管Q1和三极管Q2的基极，三极管Q1和三极管Q2串联连接在+15V和地之间，三极管Q1和三极管Q2的连接端上连接电容E8正极，电容E8负极即为-12V输出。

本实施例中，超级电容储能装置采用8.3F/268V超级电容模组，超级电容模组包括192个电容单体，每个电容单体为400F/2.8V电容，96个电容单体串联连接成一串，192个电容单体连接成两串电容串，两串电容串并联连接构成超级电容储能装置，超级电容储能装置能为30KVA的变频器发生电压暂降时，提供3秒的直流电压补偿，保证变频器及变频器系统控制单元不断电，并继续正常工作，具体实施时，电容单体的个数还可以根据实际需要具体设定。

本实施例中，电压暂降补偿装置包括桥式整流器、单片机控制器、输入电流检测单元、输出电流检测单元、继电器输出单元以及交流电源线，桥式整流器输出端连接在交流电源线上，输入电流检测单元连接在交流电源线输入端上，用于检测交流电源线输入电流，输入电流检测单元信号输出端与单片机控制器连接，输出电流检测单元连接在交流电源线输出端上，用于检测交流电源线输出电流，输出电流检测单元信号输出端与单片机控制器连接，继电器输出单元连接在单片机控制器上，通过单片机控制器控制其输出。电压暂降补偿装置能够快速检测电压暂降，并在2ms内有效保护，保护时间长达3秒以上，还具有超级电容的充电管理功能及变频器系统控制单元电压暂降保护功能。

本实施例中，单片机控制器采用型号为ATMEGA88PA-AU的单片机，具体实施时，也可以采用其他型号的或其他系列单片机代替。本实施例中，桥式整流器采用大功率MOS管连接成桥式整流器结构，MOS管的栅极连接在单片机控制器上，通过单片机控制器控制MOS管的通断，通过桥式整流器将大功率DC/DC升压变换器输出电源转换成直流电输出，本实施例中，桥式整流器的每一路桥臂包括四个并联连接在大功率MOS管。

本实施例中，输入电流检测单元和输出电流检测单元分别采用电流互感器，电流互感器连接在运算放大器上，通过运算放大器将电流互感器检测信号进行放大，然后输入给单片机控制器。本实施例中，电流互感器分别连接在交流电源线的输入端和输出端上。

本实施例中，单片机控制器上连接有继电器输出单元，继电器输出单元包括继电器和三极管，三极管的基极与单片机控制器连接，通过单片机控制器控制三极管的通断，三极管与继电器的线圈串联连接，通过三极管控制继电器工作，从而实现对输出的控制，本实施例中，继电器输出单元包括两路继电器。

本实施例中，交流电源线上(即220V交流市电输入端与电压暂降补偿装置输出端之间)串接有SCR，SCR控制端连接在单片机控制器上，通过单片机控制器控制SCR工作。

本实施例中，交流电源线上连接有变压器和整流电路，将220V交流电转成低压直流电，给单片机控制器等低压用电元件供电。

请结合参看附图12，本实用新型在工作时，主要为如下几种情况：

(1)、正常工作时，220V市电输入经过电压暂降补偿装置后(即220V市电输入经过通过SCR直接输出)经由220V市电输出进行直接输出220V交流电，给用电设备供电(即外接的系统控制单元，此单元为本实用新型应用系统的部件，并非本实用新型中的构成部分)，同时，同时经过工频升压变压器及IGBT和IGBT体二极管组成BOOST升压电路将电压转成100V左右的直流电压给超级储能电容储能装置进行充电，同时此处的电压经由大功率DC/DC升压变换器输出至变频器(非本实用新型中的构成部分)电源输入端，正常供电时，变频器有外接电源进行供电，此时经由大功率DC/DC升压变换器输出至变频器的电源处于待机状态。

(2)、供电系统电压暂降发生时，单片机控制器检测到外接电源电压暂降，超级电容储能装置放电，一路经过MCU单片机驱动IGBT和工频升压变压器生成纯正弦交流电，输出电压为220Vac，给外接的系统控制单元供电，此时，晶闸管(SCR)断开，切断纯正弦交流电与暂降的电网的联系；同时，超级电容储能装置输出的另一路经由大功率DC/DC升压变换器升压后输出给变频器供电，维持其短暂运行。

本实用新型采用大功率DC/DC升压变换器、超级电容储能装置、电压暂降补偿装置组成，该系统输入侧接入220V市电，该系统输出侧分为直流母线电压输出和交流220V电压输出，直流母线电压和变频器的直流接口并联，交流220V电压接入变频器系统控制单元的市电接口，其既可以在电网电压暂降时支撑变频器直流母线电压Vbus，同时又具有变频器系统的控制单元的电压暂降保护功能。

Claims (10)

1.一种基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的保护装置包括大功率DC/DC升压变换器、超级电容储能装置和电压暂降补偿装置，直流母线与大功率DC/DC升压变换器输出端连接，电压暂降补偿装置与超级电容储能装置连接，电压暂降补偿装置输出端输出220V交流电源，超级电容储能装置连接在大功率DC/DC升压变换器电能输入端上。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的大功率DC/DC升压变换器包括电源变换单元和DSP控制器，电源变换单元包括三路电感，分别电感L1、电感L2和电感L3，电感L1、电感L2和电感L3分别通过一个二极管并联连接在直流母线与大功率DC/DC升压变换器输出端之间，直流母线与地之间串联连接有第一电容，大功率DC/DC升压变换器输出端与地之间连接有第二电容1，每个电感与二极管之间连接有一个IGBT，IGBT连接在电感和二极管的连接端与地之间，IGBT的控制端连接在DSP控制器上，DSP控制器输出PWM信号控制IGBT的通断。

3.根据权利要求2所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的大功率DC/DC升压变换器还包括外接输入放大单元、时钟单元、控制输出单元、通信单元和电源单元，外接输入放大单元连接在DSP控制器上，时钟单元连接在DSP控制器上，控制输出单元连接在DSP控制器上，通信单元与DSP控制器连接，用于与外界进行通信，电源单元用于供电。

4.根据权利要求3所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的外接输入放大单元包括两路电压放大单元和三路电流放大单元，两路电压放大单元分别采用运算放大器，两路电压放大单元的输入端分别连接有电压互感器，两路电压放大单元的输出端分别与DSP控制器连接，三路电流放大单元分别采用运算放大器芯片，三路电流放大单元的输入端上分别连接有一路电流互感器，每一路分别用于测量一路三相交流电的电流，三路电流放大单元的输出端分别与DSP控制器连接。

5.根据权利要求3所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的控制输出单元采用继电器，每路控制输出单元包括一组继电器和一个三极管，三极管的基极与DSP控制器连接，通过三极管控制继电器的通断。

6.根据权利要求3所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的通信单元包括CAN总线收发器和差分电路收发器，CAN总线收发器采用型号为ISO1050DW的芯片，CAN总线收发器与DSP控制器的一组串行接口连接，可通过CAN总线与后台进行通信，差分电路收发器采用型号为ADM483E的芯片，差分电路收发器连接在DSP控制器的另一串行接口上，差分电路收发器与DSP控制器之间连接有光耦，可通过光耦进行光电隔离，通过差分电路收发器与上位机进行通信。

7.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的超级电容储能装置采用8.3F/268V超级电容模组。

8.根据权利要求7所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的超级电容模组包括192个电容单体，每个电容单体为400F/2.8V电容，96个电容单体串联连接成一串，192个电容单体连接成两串电容串，两串电容串并联连接构成超级电容储能装置。

9.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的电压暂降补偿装置包括桥式整流器、单片机控制器、输入电流检测单元、输出电流检测单元、继电器输出单元以及交流电源线，桥式整流器输出端连接在交流电源线上，输入电流检测单元连接在交流电源线输入端上，输入电流检测单元信号输出端与单片机控制器连接，输出电流检测单元连接在交流电源线输出端上，输出电流检测单元信号输出端与单片机控制器连接，继电器输出单元连接在单片机控制器上，通过单片机控制器控制其输出。

10.根据权利要求9所述的基于超级电容储能的变频器电压暂降保护装置，其特征是：所述的桥式整流器采用大功率MOS管连接成桥式整流器结构，MOS管的栅极连接在单片机控制器上，桥式整流器的每一路桥臂包括四个并联连接在大功率MOS管。

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