CN220711356U - 一种制氢电源控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种制氢电源控制电路，包括ACDC模块、DCDC模块，交流电经变压器T连接至ACDC模块的输入端，所述ACDC模块的输出端经DCDC模块引出正负极连接至直流母线排，所述控制电路还包括低压避雷器、软启动模块、直流浪涌保护器SPD以及电源控制单元；变压器T的次级侧经低压避雷器接地；变压器T的次级侧经开关QF1、电感L1后连接至ACDC模块的输入端，所述软启动模块并联在开关QF1两端，所述电源控制单元的输出端分别连接至软启动模块和开关QF1；在DCDC模块引出的正负极两端并联设置直流浪涌保护器SPD并将其接地。本实用新型的优点在于制氢电源更加安全可靠，具备防雷、防浪涌和软启动功能，保证了系统的可靠运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及制氢电源技术领域，特别涉及一种安全可靠的制氢电源控制电路。
背景技术
随着新能源技术的发展，电能、氢能等清洁可再生能源被广泛需求。氢气的取得一般采用电解水来获取。电解水需要的供电电源就是制氢电源。如专利申请号为：202222804806.9的一种制氢电源及制氢系统，所述制氢电源包括：移相变压器，所述移相变压器的输入端与高压交流电源连接，所述移相变压器用于对高压交流电压进行降压；整流器，所述整流器的输入端与所述移相变压器的输出端连接，所述整流器包括多个功率模块，所述移相变压器的输出端为多组三相绕组，各所述功率模块的输入端分别与一组所述三相绕组连接，所述整流器用于将交流电压转换为直流电压；滤波器，所述滤波器与所述整流器的输出端连接，所述滤波器用于消除所述整流器的输出端的纹波。
上述方式中通过交流电进行转换得到直流电从而为电解水提供直流电，因为电解水需要纹波较小的直流电，因此一般在设计电路时主要考虑输出直流电的质量，而忽略制氢电源的控制的安全和可靠性的设计，导致制氢电源虽然可以提供直流电，但是缺少安全性和可靠性仍然不足。
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，提供一种制氢电源控制电路，增加浪涌保护器、软启动控制、避雷等安全措施保证电源的安全可靠运行。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种制氢电源控制电路，包括ACDC模块、DCDC模块，交流电经变压器T连接至ACDC模块的输入端，所述ACDC模块的输出端经DCDC模块引出正负极连接至直流母线排，所述控制电路还包括低压避雷器、软启动模块、直流浪涌保护器SPD以及电源控制单元；变压器T的次级侧经低压避雷器接地；变压器T的次级侧经开关QF1、电感L1后连接至ACDC模块的输入端，所述软启动模块并联在开关QF1两端，所述电源控制单元的输出端分别连接至软启动模块和开关QF1；在DCDC模块引出的正负极两端并联设置直流浪涌保护器SPD并将其接地。
所述ACDC模块、DCDC模块均为多个，每个ADDC模块对应一个DCDC模块，在每个DCDC模块的输出端引出正极汇总在一起作为制氢电源的直流正极，在每个DCDC模块的输出端引出负极汇总在一起作为制氢电源的直流负极。
在每个DCDC模块的输出端设置有一个电压传感器，所述电压传感器用于采集每一个DCDC模块的输出端电压，所述电压传感器的输出端连接电源控制单元，所述电源控制单元的输出端分别连接ACDC模块和DCDC模块的控制端。
所述电源控制单元的输出端连接报警模块，用于根据采集的各DCDC模块的输出电压来控制报警模块发出报警信号。
所述报警模块采用多个指示灯，每个指示灯对应一个DCDC模块。
所述开关QF1被配置为电控开关，其控制端连接电源控制单元，所述电源控制单元通过无线通信模块连接至远程控制模块，用于实现远程控制电源的开关。
所述电源控制单元的输入端连接气流传感器，所述气流传感器设置在电解槽和气液分离室之间的气体回路中。
所述ACDC模块由全控型器件IGBT组成的ANPC三相全桥整流电路组成。
所述DCDC模块包括四个IGBT组成的逆变器、隔离变压器T2、四个二极管组成的整流桥组成，逆变器的输入端连接至ACDC模块的输出端，逆变器的输出端经隔离变压器T2连接至整流桥的输入端，整流桥的输出端引出输出正极经电感L2、开关QS2后引出DCDC模块的输出正极，整流桥的输出负极引出DCDC模块的输出负极。
每个DCDC模块输出端的开关QS2的控制均连接至电源控制单元。
本实用新型的优点在于：1、制氢电源更加安全可靠，具备防雷、防浪涌和软启动功能，保证了系统的可靠运行；2、采用多条支路汇总的方式满足了制氢电源所需的大功率的要求，且每条支路可以自由控制切换器工作状态，适应不同的制氢电压电流的要求；3、支持远程监控功能，可以随时快速的远程控制制氢电源的工作状态；4、具备反馈控制功能，可以基于产生气体的速率来进行安全监控以及电源的控制，避免故障事故的发生。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本实用新型的结构原理图；
图2为本实用新型多支路结构示意图；
图3为本实用新型电源控制单元的原理示意图；
图4为本实用新型软启动电路原理图；
图5为本实用新型ACDC模块电路图；
图6为DCDC模块电路结构示意图；
图7为DCDC模块输出端口示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本申请针对制氢电源运行过程中的安全、可靠性进行电路设计，增加软启动回路、避雷器、浪涌保护器，同时对电路结构进行设计，保证大功率制氢所需电源，且可以灵活组合适配不同的制氢电源要求，具备一定的报警和自控制能力，主要包括：进线变压器,低压避雷器,软启回路QS,断路器QF1,滤波电容以及由全控型器件IGBT组成的ANPC三相全桥整流电路，以及经过AC/DC整流后,再由全控器件IGBT、隔离变压器、二极管、电抗器以及滤波电容C组成的ZVZCS移相全桥电路；制氢电源经过上述DC/DC部分翰出直流电流后,再经由直流负荷开关QS,并联其他路单元后汇总至直流母线排,在直流母线排并联RPD直流浪涌保护器后至电解槽供电实现电解水制氢的目的，具体实施方式如下：
如图1所示，一种制氢电源控制电路，包括ACDC模块、DCDC模块、低压避雷器、软启动模块、直流浪涌保护器SPD以及电源控制单元；交流电经变压器T连接至ACDC模块的输入端；
ACDC模块将交流市电进行整流转换为直流电，ACDC模块的输出端连接至DCDC模块的输入端；DCDC模块对电压进行直流升降压控制输出升降压转换后的直流电；
经DCDC模块引出正负极P和N，正极P和负极N分别连接至一个直流母线排，直流母线排用于设置在电解槽中从而实现为电解槽内的水提供电能。
如图1所示，变压器T的次级侧经低压避雷器F接地，在变压器次级输出侧设置低压避雷器F用于避免雷电对制氢电源输出电源的稳定性和可靠性、安全性的影响。
在DCDC模块引出的正负极P、N两端并联设置直流浪涌保护器SPD并将其接地PE。设置有浪涌保护器在外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免对制氢电源回路中电器元件等设备的损害，提高制氢电源的寿命。
本申请还设置软启动模块，避免直接启动制氢电源对电路产生的冲击，减少损坏、提高制氢电源的寿命。其电路结构为：变压器T的次级侧经开关QF1、电感L1后连接至ACDC模块的输入端，软启动模块并联在开关QF1两端，电源控制单元的输出端分别连接至软启动模块和开关QF1，用于控制QF1、软启动模块QS的启动运行。
制氢电源控制单元为电路的核心CPU，采用工业领域的控制器诸如单片机、PLC等芯片来实现即可，主要是实现制氢电源中各电气原件的控制以及采集一些关键电压电流信息并进行报警，如可以采用一些工业领域的单片机来进行实现STM32系列单片机。
在启动时，可以通过电源控制单元连接的启动/关闭按钮来进行启动信号的输入，控制单元在接收到启动信号后，会先驱动软启动模块工作一段时间后再关断软启动模块并开启闭合QF1开关从而实现整个电路的开启，这样就实现了软启动的控制，从而实现电路的可靠运行，避免直接启动对电路元器件的冲击。
如图4所示为软启动模块的具体原理示意图，变压器的输出侧是直接通过低压避雷器F接地，变压器输出的ABC三相电经过开关QF1后再经过电感L连接至ACDC模块的输入端。软启动模块包括开关QS1和电阻R1，开关QS1和电阻R1串联后并联在开关QF1两端，从而实现了软启动的电路结构。在图4中变压器和ACDC主回路中设置有电压和电流测量的测量点，在这些测量点可以设置电压或电流互感器，用于采集这些位置的电压电流信号并送入到电源控制单元中进行监控。同时在电感L和QF1之间引出端子连接滤波电容，实现滤波的目的。在本申请中如图4所示，为三相电连接的具体结构图，每一相都按照上述连接关系建立软启动的电路结构即可实现软启动的控制。
如图2所示，本申请中ACDC模块、DCDC模块均为多个，每个ADDC模块对应一个DCDC模块，在每个DCDC模块的输出端引出正极汇总在一起作为制氢电源的直流正极，在每个DCDC模块的输出端引出负极汇总在一起作为制氢电源的直流负极。本申请设置多条支路，每条支路对应有相对应的ACDC模块、DCDC模块，按照如图1所示的方式建立连接关系后，在每一个DCDC模块的输出端分别引出正极P、负极N，并将每一个的DCDC模块的输出正极P汇总在一起形成制氢电源的正极连接至直流母线排(正极)，将每一个DCDC模块的输出负极N汇总在一起形成制氢电源的负极连接至直流母线排(负极)。(直流母线排是否为包括正负的两个母线排，分别对应制氢电源输出的正极和负极)这样采用多条支路并联的方式能够实现满足电解水所需的大功率的要求，且功率可以根据实际需要拓展所需的支路数量。
由于本申请具有多个支路最终汇总形成的电压较高，直接采集电压较为不便且为了识别出哪一个支路故障，可以在每一个DCDC模块的输出端P、N两端设置电压传感器，在每个DCDC模块的输出端设置有一个电压传感器，电压传感器用于采集每一个DCDC模块的输出端电压，电压传感器的输出端连接电源控制单元，电源控制单元的输出端分别连接ACDC模块、DCDC模块的控制端、报警模块、QF1，如图3所示，可以根据每一个DCDC模块输出的电压来判断哪一个支路出现了故障，并可以通过对应的报警模块来进行报警提醒，这样在制氢电源故障时可以及时发展对应的支路，对于维修等更加方便。通过电源控制单元可以通过对ACDC模块以及DCDC模块的控制来关断对应的故障支路的ACDC、DCDC，从而实现故障的发现、报警和关闭，当然也可以直接控制QF1实现整个制氢电源的关闭。
为了更好的区分哪一个支路的故障，本申请可以设置多个指示灯，每个指示灯对应一个支路或者说一个DCDC模块输出端电压，当某一个DCDC模块输出端电压异常时，则电源控制单元驱动对应的指示灯点亮即可快速的实现报警和匹配。
如图3所示，为了实现本地和远程的两种方式控制制氢电源的启动和关闭，在现场设置开启和关闭用的开关，在远程监控室内设置用于实现远程控制信号输入的远程控制模块，开关QF1被配置为电控开关，其控制端连接电源控制单元，电源控制单元通过无线通信模块连接至远程控制模块，用于实现远程控制电源的开关。其中远程控制模块可以为监控室内设置的服务器及其外设或者远程HM I人机交互模块，从而实现远程控制信号的录入以控制制氢电源，在本申请中QF1、QS1为电控开关，可以采用继电器、接触器等电子器件来实现。
如图3所示，为了进一步保证制氢电源的稳定工作，由于制氢电源作用于电解水产生气体，而产生的气体是氧气、水汽以及氢气的混合器，一般会将电解槽产生的气体经管道送入到气液分离室进行分离，这一过程中气体都是密闭的，如果气压或气流过高会导致气液分离室气压过大，影响整个制氢的安全，因此必须要监控气流信息，设置气流/气压传感器，将其设置在电解槽和气液分离室之间的气体回路中，电源控制单元的输入端连接气流传感器，用于获取采集的信号，当出现制氢气体流速或压力异常时制氢电源控制单元可以控制制氢产生的速率或关闭制氢电源的进行从而保证制氢电源可以根据后续工艺而调整工作状态，其控制包括控制ACDC、DCDC工作状态及功率以及QF1的开闭状态等方式，具体控制逻辑可以根据实际需要定义。
如图5所示，本申请采用的ACDC模块由全控型器件IGBT组成的ANPC三相全桥整流电路组成，其用于将市电经变压器T降压后的交流电转换为直流电。在全控型器件I GBT组成的ANPC三相全桥整流电路的输出端可以设置RC滤波电路用于实现输出电压的滤波处理。
如图6、7所示为DCDC模块的原理图，DCDC模块包括四个IGBT组成的逆变器、隔离变压器T2、四个二极管组成的整流桥组成，逆变器的输入端连接至ACDC模块的输出端，逆变器的输出端经隔离变压器T2连接至整流桥的输入端，整流桥的输出端引出输出正极经电感L2、开关QS2后引出DCDC模块的输出正极，整流桥的输出负极引出DCDC模块的输出负极。四个IGBT t1、t2、t3、t4组成的逆变器将直流转换为交流，在逆变器输入端设置有R2、C2并联组成的滤波电路，逆变器的输出端连接至隔离变压器T2进行隔离保护，在变压器的次级侧经过四个二极管D1、D2、D3、D4组成的整流电路将交流再转换为直流并在整流电路引出对应的正极和负极。四个二极管组成的整流桥引出的正极经电感L2后在经开关QS2引出正极P、四个二极管组成的整流桥引出的负极引出制氢电源的负极N；在P、N两端设置电压测量用的电压传感器，电压传感器的输出端连接至电源控制单元，可以判断该回路的输出电压是否正常，同时在P、N之间可以通过电容C3连接从而进行滤波处理，使得输出直流电更加可靠。
每个DCDC模块输出端的开关QS2的控制均连接至电源控制单元。控制单元可以根据故障情况来控制QS2的断开从而关闭该支路，同时也可以根据制氢电源的功率需要来控制每一个支路的输出。在本申请中控制单元的控制信号都可以通过与其连接的HMI人机交互模块录入。
采用上述制氢电源电路结构，使得制氢电源具有：1、制氢电源更加安全可靠，具备防雷、防浪涌和软启动功能，保证了系统的可靠运行；2、采用多条支路汇总的方式满足了制氢电源所需的大功率的要求，且每条支路可以自由控制切换器工作状态，适应不同的制氢电压电流的要求；3、支持远程监控功能，可以随时快速的远程控制制氢电源的工作状态；4、具备反馈控制功能，可以基于产生气体的速率来进行安全监控以及电源的控制，避免故障事故的发生。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制氢电源控制电路，包括ACDC模块、DCDC模块，交流电经变压器T连接至ACDC模块的输入端，所述ACDC模块的输出端经DCDC模块引出正负极连接至直流母线排，其特征在于：所述控制电路还包括低压避雷器、软启动模块、直流浪涌保护器SPD以及电源控制单元；变压器T的次级侧经低压避雷器接地；变压器T的次级侧经开关QF1、电感L1后连接至ACDC模块的输入端，所述软启动模块并联在开关QF1两端，所述电源控制单元的输出端分别连接至软启动模块和开关QF1；在DCDC模块引出的正负极两端并联设置直流浪涌保护器SPD并将其接地。
2.如权利要求1所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：所述ACDC模块、DCDC模块均为多个，每个ADDC模块对应一个DCDC模块，在每个DCDC模块的输出端引出正极汇总在一起作为制氢电源的直流正极，在每个DCDC模块的输出端引出负极汇总在一起作为制氢电源的直流负极。
3.如权利要求2所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：在每个DCDC模块的输出端设置有一个电压传感器，所述电压传感器用于采集每一个DCDC模块的输出端电压，所述电压传感器的输出端连接电源控制单元，所述电源控制单元的输出端分别连接ACDC模块和DCDC模块的控制端。
4.如权利要求3所述的制氢电源控制电路，其特征在于：所述电源控制单元的输出端连接报警模块，用于根据采集的各DCDC模块的输出电压来控制报警模块发出报警信号。
5.如权利要求4所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：所述报警模块采用多个指示灯，每个指示灯对应一个DCDC模块。
6.如权利要求1-5任一所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：所述开关QF1被配置为电控开关，其控制端连接电源控制单元，所述电源控制单元通过无线通信模块连接至远程控制模块，用于实现远程控制电源的开关。
7.如权利要求1-5任一所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：所述电源控制单元的输入端连接气流传感器，所述气流传感器设置在电解槽和气液分离室之间的气体回路中。
8.如权利要求1-5任一所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：所述ACDC模块由全控型器件IGBT组成的ANPC三相全桥整流电路组成。
9.如权利要求1-5任一所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：所述DCDC模块包括四个IGBT组成的逆变器、隔离变压器T2、四个二极管组成的整流桥组成，逆变器的输入端连接至ACDC模块的输出端，逆变器的输出端经隔离变压器T2连接至整流桥的输入端，整流桥的输出端引出输出正极经电感L2、开关QS2后引出DCDC模块的输出正极，整流桥的输出负极引出DCDC模块的输出负极。
10.如权利要求9所述的一种制氢电源控制电路，其特征在于：每个DCDC模块输出端的开关QS2的控制均连接至电源控制单元。
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