CN212969459U

CN212969459U - 一种高频直线发电机模拟电源系统

Info

Publication number: CN212969459U
Application number: CN202021510884.2U
Authority: CN
Inventors: 孙传杰; 田凯; 杨敬然; 贺永鹏; 徐莉
Original assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2030-07-28

Abstract

本实用新型涉及一种高频直线发电机模拟电源系统，其技术特点是:包括变压部分、阻抗模拟部分、控制部分以及执行机构，所述变压部分采用裂解变压器组成直流母线隔离型H桥级联五电平电路，变压部分的输出端与阻抗模拟部分相连接，所述执行机构的控制端与变压部分及阻抗模拟部分相连接，所述执行机构还与控制部分相连接实现本地控制功能。本实用新型采用裂解变压器组成直流母线隔离型H桥级联五电平电路拓扑，并且该拓扑与常规二极管中点钳位多电平变频电路相比具有结构模块化和不存在直流母线中点电压偏移等优点，有效降低输出电压波形的纹波，提高输出电压质量，可满足直线发电机任意工况模拟试验需求，具有广泛的应用前景。

Description

一种高频直线发电机模拟电源系统

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，尤其是一种高频直线发电机模拟电源系统。

背景技术

随着直线发电机在物流分拣、数控机床以及交通运输领域的广泛应用，直线发电机模拟电源装备的需求开始显现，高频直线发电机模拟电源根据直线发电机外特性进行设计，可模拟直线发电机的任意使用工况。直线发电机外特定主要表现在输出电压与输出频率成正比，自感为固定值以及内阻随频率成特定曲线变化。很显然，现有常规变频电源无法满足直线发电机外特性要求。

高频电源的控制方法中，常规变频器的PWM方式一般分为同步调制和异步调制，同步调制方法保持载波比不变，主要应用在输出频率固定的逆变器当中，因为该调制模式在低频时，导致变频器输出谐波含量变大；异步调制方法保持载波频率不变，调制比根据输出频率而改变，该调制方式无法同时兼顾高频输出与低频输出的精度要求。宽频率范围的实时变频系统，不仅要求输出精度，并且要求高响应速度，当采用闭环控制时输出精度高，其调节过程不满足高实时性响应要求；当采用开环控制时，可在瞬间完成控制逻辑，但开环控制模式下如何提高输出电压精度尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种输出精度高、响应速度快的高频直线发电机模拟电源系统。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种高频直线发电机模拟电源系统，包括变压部分、阻抗模拟部分、控制部分以及执行机构，所述变压部分采用裂解式变压器组成直流母线隔离型H桥级联五电平电路，变压部分的输出端与阻抗模拟部分相连接，所述执行机构的控制端与变压部分及阻抗模拟部分相连接，所述执行机构还与控制部分相连接实现本地控制功能。

所述执行机构还与上位机相连接实现远程控制功能。

所述变压部分包括裂解式变压器T1、第一整流器、第二整流器、直流支撑电容C1、直流支撑电容C2、逆变H桥HB1和逆变H桥HB2，所述阻抗模拟部分包括电感L1、电感L2和可变电阻R1；所述裂解式变压器T1的输入端连接三相供电系统，裂解式变压器T1的两组输出端分别连接第一整流器和第二整流器的输入端，第一整流器和第二整流器的直流输出端分别连接直流支撑电容C1和直流支撑电容C2，直流支撑电容C1和直流支撑电容C2的输出端分别连接到逆变H桥HB1和逆变H桥HB2的直流端，逆变H桥HB1中的桥臂BV11的中点连接于电感L1，电感L1的输出连接于可变电阻R1，可变电阻R1的输出作为高频直线发电机模拟电源的一个输出端；逆变H桥HB1中的桥臂BV12的中点连接于逆变H桥HB2中的桥臂BV21的中点，逆变H桥HB2中的桥臂BV22的中点连接于电感L2，电感L2的输出作为高频直线发电机模拟电源的另一个输出端，最终实现高频直线发电机模拟电源主回路的五电平输出；所述电感L1和电感L2用来模拟直线发电机的自感，可变电阻R1用来模拟直线发电机的内阻。

所述控制部分包括CPU控制器，所述执行机构包括脉冲驱动模块、通讯辅助模块以及变阻操作单元；CPU控制器通过连接端子分别与脉冲驱动模块、通讯辅助模块以及变阻操作单元进行信号连接，脉冲驱动模块通过排线与功率开关管的驱动端连接，通讯辅助模块通过通讯线与上位机连接用于本地和远程控制，变阻操作单元通过功率线与电阻滑动抽头连接。

所述通讯辅助模块包括RS232接口、RS485接口、高速光纤通讯接口以及RS232与RS485 协议互转模块。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型采用裂解式变压器组成直流母线隔离型H桥级联五电平电路拓扑，并且该拓扑与常规二极管中点钳位多电平变频电路相比具有结构模块化和不存在直流母线中点电压偏移等优点，能够有效降低输出电压波形的纹波，提高输出电压质量，可满足直线发电机任意工况模拟试验需求，具有广泛的应用前景。

2、本实用新型采用的电路结构和控制电路能够完全模拟直线发电机的电压、自感以及内阻与输出频率的关系，保持其输出特性与直线发电机相同。

附图说明

图1是本实用新型的系统连接示意图；

图2为本实用新型的高频直线发电机模拟电源系统电路原理图；

图3是本实用新型的调制波频率、调制比以及载波频率三者的关系图；

图4是本实用新型的CPU控制器控制输出电压原理图；

图5是本实用新型在额定频率条件下的实测电压波形图。

图中，1-变压部分、2-阻抗模拟部分、3-控制部分、4-执行机构、5-裂解式变压器T1、 6-第一整流器、7-第二整流器、8-直流支撑电容C1、9-直流支撑电容C2、10-逆变H桥HB1、 11-逆变H桥HB2、12-电感L1、13-电感L2、14-可变电阻R1、15-CPU控制器、16-脉冲驱动模块、17-通讯辅助模块、18-变阻操作单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步详述。

一种高频直线发电机模拟电源系统，如图1所示，包括变压部分1、阻抗模拟部分2、控制部分3以及执行机构4，所述执行机构4与变压部分1、阻抗模拟部分2、控制部分3相连接，同时执行机构4还可以上位机相连接用于本地和远程控制。其中：

变压部分1包括裂解式变压器T1、第一整流器和第二整流器、直流支撑电容C1和C2以及逆变H桥HB1和逆变H桥HB2；该部分最终形成电路的供电主回路。

阻抗模拟部分2包括电感L1和L2以及可变电阻R1；电感L1和L2用来模拟直线发电机的自感，可变电阻R1用来模拟直线发电机的内阻，该内阻受变阻操作单元控制随特定曲线变化。

控制部分3包括CPU控制器；CPU控制器主要完成数据处理，逻辑运算，软件算法实现的功能。

执行机构4包括脉冲驱动模块、通讯辅助模块以及变阻操作单元；脉冲驱动模块负责功率开关管驱动信号生成以及故障信号的返回功能；通讯辅助模块包括RS232、RS485、高速光纤通讯接口以及DP通讯模块；变阻操作单元根据控制器指令完成直线电机内阻的变化。

如图2所示，该系统的整体连接关系为：

裂解式变压器T1的输入端连接三相供电系统，裂解式变压器T1的输出端分为A1、B1、 C1和A2、B2、C2两部分支路。其中裂解式变压器T1的输出端A1、B1、C1连接第一整流器的输入端，裂解式变压器T1的输出端A2、B2、C2连接第二整流器的输入端。

第一整流器的直流输出端连接直流支撑电容C1，直流支撑电容C1的输出端连接到逆变H 桥HB1的直流端。

第二整流器的直流输出端连接直流支撑电容C2，直流支撑电容C2的输出端连接到逆变H 桥HB2。

逆变H桥HB1中的桥臂BV11的中点连接于电感L1，电感L1的输出连接于可变电阻R1，可变电阻R1的输出作为高频直线发电机模拟电源的一个输出端。逆变H桥HB1中的桥臂BV12 的中点连接于逆变H桥HB2中的桥臂BV21的中点，逆变H桥HB2中的桥臂BV22的中点连接于电感L2，电感L2的输出作为高频直线发电机模拟电源的另一个输出端，最终实现高频直线发电机模拟电源主回路的五电平输出。

CPU控制器15通过连接端子分别与脉冲驱动模块16、通讯辅助模块17以及变阻操作单元18进行信号连接，脉冲驱动模块通过排线与功率开关管的驱动端连接，通讯辅助模块通过通讯线与上位机连接用于本地和远程控制，变阻操作单元通过功率线与电阻滑动抽头连接。 CPU控制器通过通讯辅助模块获得上位机下发的控制指令，CPU控制器利用核心算法生成输出电压给定，并转换为脉冲信号传给脉冲驱动模块，脉冲驱动模块连接于逆变H桥HB1和逆变 H桥HB2中的功率开关管的驱动端，同时将变阻命令传给变阻操作单元，变阻操作单元连接于可变电阻的滑动抽头，最终实现对直线发电机的模拟功能。

下面以f_△＝20kHz为基准载波频率对本实用新型的工作过程进行说明，以下说明是便于对本实用新型进行充分理解，并不是本专利的保护内容。

首先，基准载波频率为f_△＝20kHz，1分频即指异步调制采用载波频率为20kHz，2分频即指异步调制采用载波频率为10kHz，4分频即指异步调制采用载波频率为5kHz。其中，调制波频率、调制比以及载波频率三者的关系图如图3所示。

以高频直线发电机模拟电源输出频率2kHz标定为100％，当装置输出频率低于20％时，载波频率为5kHz，调制比在12.5以上，高频直线发电机模拟电源输出PWM频率为20kHz；当装置输出频率在20％～50％之间时，载波频率为10kHz，调制比在25～10之间变化，高频直线发电机模拟电源输出PWM频率为40kHz；当装置输出频率高于50％时，载波频率为20kHz，调制比在20～10之间变化，高频直线发电机模拟电源输出PWM频率为80kHz；从而使全频段的调制比均处在一个合理的范围，并获得较高的等效PWM输出频率，有效降低输出电压波形的纹波，提高输出电压精度。

CPU控制器根据给定频率信息计算出内阻数值，控制变阻操作单元来实时改变电路系统中的可变电阻R1的阻值，达到对直线发电机内阻特性的模拟。

最后，根据负载电流大小以及初始给定频率的分段区间选择不同分频条件下的拟合曲线，最终完成开环条件下，对输出电压进行控制柜，如图4所示。

⑴判断采样电流模值|I|是否小于额定电流的2％，若采样电流模值|I|小于额定电流的2％，则采用空载综合修正曲线生成装置输出电压给定值，否则转至⑵；

⑵判断初始给定频率F*是否在大于等于0，小于等于20％的区间，若在区间范围，则采用带载4分频修正曲线生成装置输出电压修正值U，否则转至⑶；

⑶判断初始给定频率F*是否在大于20％，小于等于50％的区间，若在区间范围，则采用带载2分频修正曲线生成装置输出电压修正值U，否则转至⑷；

⑷给定频率F*在50％至100％之间，采用带载1分频修正曲线生成装置输出电压给修正值 U。

图5本高频直线发电机模拟电源系统在输出频率2kHz的条件下的输出电压波形，图中：①通道正弦电压波形为图2标注中输出电压U_out；②通道五电平PWM波形为图2标注中输出电压U_o，③通道电流正弦波形为图2标注中输出电流I_o。从图中可以看出，其电压输出完全满足预期设想要求。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种高频直线发电机模拟电源系统，其特征在于：包括变压部分、阻抗模拟部分、控制部分以及执行机构，所述变压部分采用裂解式变压器组成直流母线隔离型H桥级联五电平电路，变压部分的输出端与阻抗模拟部分相连接，所述执行机构的控制端与变压部分及阻抗模拟部分相连接，所述执行机构还与控制部分相连接实现本地控制功能。

2.根据权利要求1所述的一种高频直线发电机模拟电源系统，其特征在于：所述执行机构还与上位机相连接实现远程控制功能。

3.根据权利要求1或2所述的一种高频直线发电机模拟电源系统，其特征在于：所述变压部分包括裂解式变压器T1、第一整流器、第二整流器、直流支撑电容C1、直流支撑电容C2、逆变H桥HB1和逆变H桥HB2，所述阻抗模拟部分包括电感L1、电感L2和可变电阻R1；所述裂解式变压器T1的输入端连接三相供电系统，裂解式变压器T1的两组输出端分别连接第一整流器和第二整流器的输入端，第一整流器和第二整流器的直流输出端分别连接直流支撑电容C1和直流支撑电容C2，直流支撑电容C1和直流支撑电容C2的输出端分别连接到逆变H桥HB1和逆变H桥HB2的直流端，逆变H桥HB1中的桥臂BV11的中点连接于电感L1，电感L1的输出连接于可变电阻R1，可变电阻R1的输出作为高频直线发电机模拟电源的一个输出端；逆变H桥HB1中的桥臂BV12的中点连接于逆变H桥HB2中的桥臂BV21的中点，逆变H桥HB2中的桥臂BV22的中点连接于电感L2，电感L2的输出作为高频直线发电机模拟电源的另一个输出端，最终实现高频直线发电机模拟电源主回路的五电平输出；所述电感L1和电感L2用来模拟直线发电机的自感，可变电阻R1用来模拟直线发电机的内阻。

4.根据权利要求1或2所述的一种高频直线发电机模拟电源系统，其特征在于：所述控制部分包括CPU控制器，所述执行机构包括脉冲驱动模块、通讯辅助模块以及变阻操作单元；CPU控制器通过连接端子分别与脉冲驱动模块、通讯辅助模块以及变阻操作单元进行信号连接，脉冲驱动模块通过排线与功率开关管的驱动端连接，通讯辅助模块通过通讯线与上位机连接用于本地和远程控制，变阻操作单元通过功率线与电阻滑动抽头连接。

5.根据权利要求4所述的一种高频直线发电机模拟电源系统，其特征在于：所述通讯辅助模块包括RS232接口、RS485接口、高速光纤通讯接口以及RS232与RS485协议互转模块。