CN217522743U - 一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，包括：移相变压器、多个变流器、电压电流检测电路、控制器和驱动模块。移相变压器的原边绕组接电网三相电压，N个副边绕组接N个三相全桥整流器，每个三相全桥整流器接Buck降压电路，每个降压电路串联，将各个输出级联起来，同时检测电路采集每个模块Buck降压电路输出侧直流电压，控制器根据检测到的电压信号与指定电压信号相减进行PI控制，作为电流内环的指令电流信号，再与检测到的电流信号相减进行PI控制，其输出与三角波比较生成驱动信号，并将所述驱动信号发送至所述驱动模块，控制每个buck降压电路的IGBT的开关，从而高效稳定地调节了输出直压，降低了对器件的损耗。

Description

一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路

技术领域

本实用新型涉及发电技术领域，尤其涉及一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路。

背景技术

大功率直流电源是各种电子设备都不可缺少的设备，其功能会影响整体产品的使用效果，通常在选择不同功率的电源会根据产品的性能以及要求，大功率直流电源能够很好的为大功率设备供电。

大功率直流电源具有高正电位和低负电位，因此，如果将两个电极连接到电路，则电路两端之间的电位差可以保持恒定，并且电流从正电极流向外部电路的负极。使用大功率直流电源，可以使用非静电效应(称为“非静电力”)从低电位产生正电荷。负极穿过电源内部，并以较高电势返回正极，从而保持两个电极之间的电势差，从而形成稳定的电流。因此，高功率直流电源是将其他形式的能量转换为电能供应电路以维持稳定电流的能量转换设备。

大功率直流电源可满足用户对大电流高电压直流电源的使用需求，在稳压稳流方面占有独特优势，并且可以从零向上自由调换，使用非常方便。目前大功率直流电源已广泛应用于高尔夫车，游览车，ups不间断电源，电动洗地机，电力通讯铁路系统，电动游船，矿用电机车，电动叉车等领域。

上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，旨在解决用户对大电流高电压直流电源的使用需求，以及变流器体积和成本的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，所述变流电路包括：移相电路、多个变流器、电压电流检测电路、控制器和驱动模块；

所述移相变压器的原边绕组接电网三相电压，N个副边绕组接N个三相全桥整流器；

每个变流器包含一个三相全桥整流器和buck降压电路，每个三相全桥整流器接Buck降压电路，每个降压电路串联，将所有变流器的输出都级联起来，以获得更高电压等级的直压，从而获得更大容量的直流电源，通过增加级联个数来分摊电压，降低了器件的电压应力，级联后输出电压矢量相加可以消除相位偏差，从而减少了输出电压的谐波分量，保证系统输出的电能质量；

所述三相全桥整流器，分别用于将移相调幅处理后的交流电能转换为直流电能；

所述buck降压电路，主要由IGBT构成，利用开关管开通和关断的时间比率，来维持直压的稳定输出；

所述电压电流检测电路，用于检测所述直流电能的电感电流值和负载侧电压值，并将检测的电压电流值作为反馈信号；

所述控制器，用于根据所述反馈信号生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述驱动模块；

所述驱动模块，产生驱动信号来控制开关管的开通与关断。

所述移相变压器的移相电路是通过一个移相变压器来实现的，原边绕组接三相交流电，副边引出6个绕组。

所述三相全桥整流器具有六个，每个整流器的输入副边引出的绕组的电压，输出直流电能。

还包括buck降压电路，通过控制开关管的关断和电感的储能来实现降压。

将所有变流器的输出端级联起来，再加上LC滤波，最后的输出电压即电容C两端的电压。

所述电压电流检测电路中，电流检测电路检测所述buck降压电路的电感电流，电压检测电路检测整流输出和降压输出两侧的电压。

所述控制器将电压电流检测电路发出的反馈信号经过PI调节转化为控制信号，然后经过驱动模块转化为驱动信号，用于驱动buck降压电路中的IGBT。

有益效果：本实用新型通过移相变压器在电网输入侧注入补偿电压，输出相角或幅值发生偏移的电压，再将这些不同相位的电压分别输入到各个三相全桥整流器，经过buck降压电路后将各个输出串联起来，从而得到幅值成倍的直压，同时检测电路采集直流侧的电压和电流信号，控制器根据电压电流检测电路检测到的反馈信号生成驱动信号，并将所述驱动信号发送至所述驱动模块，控制IGBT的开关，从而高效稳定地调节了输出直压，无需增大开关频率，降低了对器件的损耗。将各个变流电路的输出级联起来，降低了变流电路的电压应力，增强了并网控制系统的稳定性和安全性，另外，无需增大电感值仍可达到滤除直流侧纹波和谐波，不会增加整个系统的体积和成本。

附图说明

图1是本实用新型的采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路的第一种实施例的结构框图；

图2是本实用新型实施例的变流器的拓扑图；

图3是本实用新型实施例的电压电流双闭环控制图；

图4是本实用新型实施例的PWM载波信号的示意图。

具体实施方式

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1，本实用新型第一实施例提供一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，所述变流电路包括：移相电路、多个变流器、电压电流检测电路、控制器和驱动模块。每个变流器包括一个三相全桥整流器和buck降压电路。移相变压器的原边绕组接电网三相电压，N个副边绕组接N个三相全桥整流器，每个三相全桥整流器接Buck降压电路，每个降压电路串联，将各个输出级联起来，从而得到幅值成倍的直压，同时检测电路采集每个模块Buck降压电路输出侧直流电压，控制器根据检测到的电压信号与指定电压信号相减进行PI控制，作为电流内环的指令电流信号，再与检测到的电流信号相减进行PI控制，其输出与三角波比较生成驱动信号，并将所述驱动信号发送至所述驱动模块，控制每个buck降压电路的IGBT的开关，从而高效稳定地调节了输出直压，无需增大开关频率，降低了对器件的损耗。将各个变流电路的输出级联起来，降低了器件的电压应力，从而降低了损耗，增强了并网控制系统的稳定性和安全性，另外，无需增大电感值仍可达到滤除直流侧纹波和谐波，不会增加整个系统的体积和成本。

所述移相电路，是用移相变压器对输入的三相交流电能进行移相和调幅处理，原边绕组为星型接法，接三相交流电，副边采用延边三角形联结方式，引出6个绕组，其关键参数是由变压器原边绕组和外延副边的匝数和电流来确定的。

本实用新型中6个副边绕组电压相位分别为-25°、-15°、-5°、5°、15°、25°，考量依据是，6个三相全桥整流器的输出电压在输入电源的一个周期内为36步，一般相邻绕组的相位差可设为5°、10°、15°，而相位差为10°时整个系统的总谐波畸变率最小，且考虑到相位对称能让波形更直观地显示，故选择初始相角为-25°。移相变压器能有效滤除电网输入到系统的电压谐波。

如图2所示，各个三相全桥整流器，分别用于在驱动模块的驱动下将移相调幅处理后的交流电能转换为直流电能。三相全桥整流器的输入接移相变压器的副边绕组，输出电压每个周期有6个脉冲波动。二极管D1和D4接a相，二极管D3和D6接b相，二极管D5和D2接c相。二极管D1、D3、D5组成共阴极组，而二极管D2、D4、D6组成共阳极组。整流器的输出对应后级buck降压电路的输入。

所述buck降压电路，主要由IGBT构成，利用开关管开通和关断的时间比率，来维持直压的稳定输出。Q1管的集电极接整流器的输出正极，Q1管的发射极接Q2管的发射级，Q2管的集电极接整流器的输出负极。Q2管发射极与集电极之间的电压即buck降压电路的输出电压，控制Q2管一直处于导通状态，此时Q2可视为二极管。

参照图2，在环路中，当开关管Q1导通，电流开始从左边的电源正极流出，流向负极，流经电感L时，电感将电能转换为磁能存储，电流继续前进，流经电容C时，电容进行充电，最后回到电源负极。

参照图1，将每个变流器的输出级联起来，级联方式是第一个变流器的正极接LC的一端，负极接第二个变流器的正极，第二个变流器的负极接第三个变流器的正极，以此类推，最后一个变流器的负极接LC的另一端，所需的直流电压就是电容两端的电压。

级联的优势在于能获得更高等级、更大功率的直压，并且通过矢量相加还能消除一些相位偏差，有效地滤除纹波和高次谐波。另外地，输出直压还可以通过移相变压器进行调节，易于操作且灵活多变。

参照图1和图2，所述电压电流检测电路，用于采集检测所述直流电能的电流值和电压值，并将检测的电压电流值作为反馈信号，电压检测的方法是在待测电压两端并联一个电压互感器，二次侧接到主控系统，电流检测的方法是在待测电流的线路上串联一个霍尔传感器，同样二次侧接到主控系统。

所述控制器，使用用于根据所述反馈信号生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述驱动模块。

控制策略是将输出直压作为反馈信号，与参考电压相减得到电压差分信号，电感电流信号乘以一个比例后再与电压差分信号相减，将这个信号进行PI调节，得到开关管的控制信号。

参照图4，,主控系统会产生一个三角波，频率为设定的开关频率，幅值为1，并将此作为第一个用于之后比较的三角波信号，再将此信号进行移相处理，移相角分别为n*pi/N，其中N为整流器的总个数，n的取值为0到N-1。由于本实用新型中将buck降压电路下桥臂的IGBT视为二极管，故将其封锁，下半周期的驱动信号始终为0。各个三角载波的相位互相错开三角载波周期的1/12，调制波和第n个三角载波比较后所得的PWM信号作为Qn1的控制信号，当us>uci时，给Qn1以导通信号。当us<uci时，给Qn1以关断信号。

经过分析，N个单元级联后输出电压的基波分量是单个单极倍频SPWM波形基波成分的N倍，也就是输出波形叠加后没有基波损失；次数最低的谐波群出现在2N倍的载波频率附近，其谐波含量比单个单元小很多，其等效开关频率提高了2N倍，大大降低了开关器件的损耗，极好地改善了输出波形的质量。

所述驱动模块，产生驱动信号，驱动信号对应开关管IGBT的栅极与发射级之间的电压，高电平则IGBT导通，低电平则IGBT关断。

多个变流器级联可以减小器件的电压应力，无需增大开关频率和直流侧的电感值，减小了体积和成本，使整个系统在保证输出电能质量的情况下安全可靠地运行，从而减小了对器件的损耗，延长了本系统的使用寿命。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，其特征在于，包括：移相变压器、多个变流器、电压电流检测电路、控制器和驱动模块；

所述移相变压器的原边绕组接电网三相电压，N个副边绕组接N个三相全桥整流器；

每个变流器包含一个三相全桥整流器和buck降压电路，每个三相全桥整流器接Buck降压电路，每个降压电路串联，将所有变流器的输出都级联起来，以获得更高电压等级的直压，从而获得更大容量的直流电源，通过增加级联个数来分摊电压，降低了器件的电压应力，级联后输出电压矢量相加可以消除相位偏差，从而减少了输出电压的谐波分量，保证系统输出的电能质量；

所述三相全桥整流器，分别用于将移相调幅处理后的交流电能转换为直流电能；

所述buck降压电路，由IGBT构成，利用开关管开通和关断的时间比率，来维持直压的稳定输出；

所述电压电流检测电路，用于检测所述直流电能的电感电流值和负载侧电压值，并将检测的电压电流值作为反馈信号；

所述控制器，用于根据所述反馈信号生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述驱动模块；

所述驱动模块，产生驱动信号来控制开关管的开通与关断。

2.如权利要求1所述的一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，其特征在于，所述移相变压器的移相电路是通过一个移相变压器来实现的，原边绕组接三相交流电，副边引出6个绕组。

3.如权利要求2所述的一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，其特征在于，所述三相全桥整流器具有六个，每个整流器的输入副边引出的绕组的电压，输出直流电能。

4.如权利要求1所述的一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，其特征在于，还包括buck降压电路，通过控制开关管的关断和电感的储能来实现降压。

5.如权利要求1所述的一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，其特征在于，将所有变流器的输出端级联起来，再加上LC滤波，最后的输出电压即电容C两端的电压。

6.如权利要求1所述的一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，其特征在于，所述电压电流检测电路中，电流检测电路检测所述buck降压电路的电感电流，电压检测电路检测整流输出和降压输出两侧的电压。

7.如权利要求1所述的一种采用电压电流双闭环控制技术的串联式变流电路，其特征在于，所述控制器将电压电流检测电路发出的反馈信号经过PI调节转化为控制信号，然后经过驱动模块转化为驱动信号，用于驱动buck降压电路中的IGBT。

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