專利名稱：寬范圍穩壓穩頻電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種逆變電源，具體地說是一種用于港口集裝箱碼頭的大型輪胎吊上的寬范圍穩壓穩頻電源。
背景技術：
集裝箱碼頭用的大型輪胎吊是由柴油發電機組11提供動力電源(如圖1所示)，供起吊電機12、行走電機13、控制系統14、空調設備15、照明設備16及其他輔助裝置17用電，機組的功率一般在200 500kW，設備每天工作8至14個小時，這期間輪胎吊的用電狀況是多數為輕負載狀態(控制系統14、空調設備15、照明設備16等輔助裝置17用電)，短時滿負載運行(吊集裝箱)，而柴油發電機組11 一直在額定轉速下運行，其耗油量很大，為此造成了很大的燃料浪費，并且也增大了環境污染。如果能夠使輪胎吊在輕載時，柴油發電機組怠速運行；在大負載下，柴油發電機組在額定轉速運行，則一臺輪胎吊同樣完成一天的工作，可節省燃油50%。輪胎吊的柴油發電機組在額定轉速運行時輸出電壓480V (三相三線)、頻率 50/60HZ，供控制系統、空調、照明等輔助裝置的用電通過掛在直流母線上的變壓器變為 220/380V (三相四線)。柴油發電機組在怠速運行時，轉速和電壓都很低而且不穩定(發電機組輸出電壓低于300V、頻率低于30Hz)，無法滿足用電設備的使用要求。因此，需要一種穩壓穩頻電源，在柴油發電機組的各種工況下都能給輪胎吊的控制系統、空調、照明等輔助裝置提供220/380V、50/60Hz電源，電源容量40kVA。經檢索，CN201614238U網上公開了一種節能輪胎吊電壓自動調整裝置的發明專利，其包括市電交流電網輸入端口、供起重機各機構變頻器機輔助設備變頻器用直流母線輸出端口、主回路、控制回路、輔助電源模塊，所述主回路右平波單元、電源轉換開關、主電源整流/逆變單元組成，所述控制回路由采樣電路、控制模塊及顯示報警組成，當輪胎吊所吊貨物下降，主起升變頻器處于發電狀態時，其可將主起升變頻器發出的電能逆變成交流電，回饋回電網，或供自身或供其他輪胎吊使用，其不足是其穩壓穩頻范圍有限，只能在電壓變化范圍100V、頻率變化范圍10 Hz的情況下可靠工作。輪胎吊在吊裝集裝箱時由于電動機負載突變，發電機組的會有很嚴重的電壓沖擊和跌落，一般的電源很難適應這種惡劣的條件，通常會造成輪胎吊上的計算機系統斷電復位，燈光也會閃變，甚至損壞燈光設備。另外，產品的控制電路大多數采用的是模擬電路或半模擬半數字電路，控制精度差，穩定性及可靠性差，不能適應在港口高溫高濕的惡劣條件下的使用需要。
發明內容
本發明的目的是解決上述現有技術的不足，提供一種控制精度高、穩壓穩頻穩定性高、能在惡劣環境下使用的寬范圍穩壓穩頻電源。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是
一種寬范圍穩壓穩頻電源，包括直流母線輸出端口和變壓器，其特征在于包括主電路和控制電路，其中
主電路是由PWM整流電路和逆變電路組成，PWM升壓整流電路是由儲能電感、IGBT模塊和直流濾波電容組成的PWM整流模塊，采用AC-DC三相PWM整流器拓撲結構，使輸入電壓 220 480VAC、輸入頻率25 60 Hz范圍內，整流輸出穩定的750V直流電壓，逆變電路是由IGBT模塊和LC濾波器組成的逆變模塊，采用DC-AC三相三橋臂逆變器拓撲結構，將750V 直流電壓轉換為脈沖寬度可調、基波頻率為60Hz的三相交流電源，經LC濾波器后，輸出總諧波含量小于5%的50/60HZ 220 / 380三相電源，為保證輸入和輸出之間的電隔離，減小相互影響，由變壓器使輸出電壓適應各種電壓等級，
控制電路包括控制模塊、輔助接口模塊、輸出反饋模塊、輸入電流檢測模塊、顯示器/ 按鍵模塊、繼電器模塊，控制模塊是由數字信號處理器(DSP)組成，將模擬量轉化成數字量進行處理，使得系統控制更穩定、精確，同時，DSP完成對內部和外部狀態的調控、監測和診斷，具有完善的保護功能和故障自診斷功能，系統接通電源后，處于正常運行狀態下，數字信號處理器模塊運行自檢程序，檢查所有內部功能，輔助接口模塊完成三相輸入電壓和直流電壓的信號采樣，由控制接口分別控制電源的輸出接觸器、軟啟動控制和散熱風機運行， 輸入電流檢測模塊完成三相輸入電流的信號采樣，并檢測輸入短路電流，輸出反饋模塊完成三相輸出電流的信號采樣以及經輸出電壓檢測模塊完成電壓的信號采樣，并檢測輸入短路電流，輸出反饋模塊完成三相輸出電流和電壓的信號采樣，并檢測輸入短路電流，顯示器 /按鍵模塊完成電源的參數設置、運行參數顯示和運行狀態，
PWM整流模塊、逆變模塊、輔助接口模塊、輸出反饋模塊、輸入電流檢測模塊、電源模塊、 顯示器/按鍵模塊和繼電器模塊，分別通過多芯屏蔽電纜連接到控制模塊，以達到在控制模塊與功率部件之間進行電隔離、參數采樣變換、驅動控制和過流保護的作用。本發明中的PWM整流器可采用直流功率控制策略，以實現電網側單位功率因數的運行，輸入端的PWM整流器可以保證該電源在輸入電壓大范圍波動情況下工作，并且實現輸入功率因數近似為1，抑制諧波污染，由于寬范圍穩壓穩頻電源的輸入電壓變化范圍很大 (220疒480V)，瞬時輸入電壓甚至可以達到530V，因此要求電源前端PWM整流器具有很高的電壓利用率。本發明中的電源模塊控制系統采用SV-PWM (空間矢量脈寬調制)技術，使電源具有極好的動態特性和低畸變，并且算法簡單便于實現數字化、直流電壓利用率高、開關損耗低。本發明中的直流母線是由交錯銅排和絕緣層構成的迭層母線結構，正、負極處于絕緣層的兩面，直流母線經銅排和逆變單元相連接，這種結構起到了吸收電容的作用，減小了功率回路中的寄生電感，保證IGBT可靠工作。本發明中的變壓器可使輸入和輸出之間電隔離，減小相互影響，使輸出電壓適應用戶要求的各種電壓等級(三相四線)。本發明由于采用上述結構，使輪胎吊在輕載時，柴油發電機組怠速運行；在大負載下，柴油發電機組在額定轉速運行，則一臺輪胎吊同樣完成一天的工作，可節省燃油50%，并減小排放和污染。
圖1是現有技術的供電系統及負載配置示意圖。
圖2是本發明的供電系統及負載配置示意圖。圖3是本發明的主電路拓撲圖。圖4是本發明的電路原理框圖。附圖標記控制模塊1、輔助接口模塊2、輸出反饋模塊3、輸入電流檢測模塊4、顯示器/按鍵模塊5、繼電器模塊6、PWM整流電路7、逆變電路8、濾波器9、變壓器10、柴油發電機組11、起吊電機12、行走電機13、控制系統14、空調設備15、照明設備16、輔助裝置 17、直流母線18、主電路19、控制電路20、電源模塊21、操作面板22、輸出電壓檢測模塊23。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明
一種寬范圍穩壓穩頻電源，包括直流母線18輸出端口和變壓器，其特征在于包括主電路19和控制電路20，其中
主電路是由PWM整流電路7和逆變電路8組成，PWM升壓整流電路7是由儲能電感、 IGBT模塊和直流濾波電容組成的PWM整流模塊7，采用AC-DC三相PWM整流器拓撲結構，使輸入電壓220 480VAC、輸入頻率25 60 Hz范圍內，整流輸出穩定的750V直流電壓，逆變電路8是由IGBT模塊和LC濾波器組成的逆變模塊，采用DC-AC三相三橋臂逆變器拓撲結構，將750V直流電壓轉換為脈沖寬度可調、基波頻率為60Hz的三相交流電源，經LC濾波器9后，輸出總諧波含量小于5%的50/60HZ 220 / 380三相電源，為保證輸入和輸出之間的電隔離，減小相互影響，由變壓器10使輸出電壓適應各種電壓等級，
控制電路包括控制模塊1、輔助接口模塊2、輸出反饋模塊3、輸入電流檢測模塊4、顯示器/按鍵模塊5、繼電器模塊6，控制模塊1是由數字信號處理器(DSP)組成，將模擬量轉化成數字量進行處理，使得系統控制更穩定、精確，同時，DSP完成對內部和外部狀態的調控、 監測和診斷，具有完善的保護功能和故障自診斷功能，系統接通電源后，處于正常運行狀態下，數字信號處理器模塊運行自檢程序，檢查所有內部功能，輔助接口模塊2完成三相輸入電壓和直流電壓的信號采樣，由控制接口分別控制電源模塊21的輸出接觸器、軟啟動控制和散熱風機運行，輸入電流檢測模塊4完成三相輸入電流的信號采樣，并檢測輸入短路電流，輸出反饋模塊3完成三相輸出電流的信號采樣和經輸出電壓檢測模塊23完成電壓的信號采樣，并檢測輸入短路電流，顯示器/按鍵模塊5完成電源的參數設置、運行參數顯示和運行狀態，
PWM整流模塊7、逆變模塊8、輔助接口模塊2、輸出反饋模塊3、輸入電流檢測模塊4、電源模塊21、顯示器/按鍵模塊5和繼電器模塊6分別通過多芯屏蔽電纜連接到控制模塊1， 以達到在控制模塊1與功率部件之間進行電隔離、參數采樣變換、驅動控制和過流保護的作用。本發明中的PWM整流器7可采用直流功率控制策略，以實現電網側單位功率因數的運行，輸入端的PWM整流器7可以保證該電源在輸入電壓大范圍波動情況下工作，并且實現輸入功率因數近似為1，抑制諧波污染，由于寬范圍穩壓穩頻電源的輸入電壓變化范圍很大(220疒480V)，瞬時輸入電壓甚至可以達到530V，因此要求電源前端PWM整流器具有很高的電壓利用率。本發明中的電源模塊21控制系統采用SV-PWM (空間矢量脈寬調制)技術，使電源
5具有極好的動態特性和低畸變，并且算法簡單便于實現數字化、直流電壓利用率高、開關損耗低。本發明中的直流母線是由交錯銅排和絕緣層構成的迭層母線結構，正、負極處于絕緣層的兩面，直流母線經銅排和逆變單元相連接，這種結構起到了吸收電容的作用，減小了功率回路中的寄生電感，保證IGBT可靠工作。本發明中的變壓器10可使輸入和輸出之間電隔離，減小相互影響，使輸出電壓適應用戶要求的各種電壓等級(三相四線)。本發明中電源的主電路拓撲結構如圖2，三個輸入儲能電感(L1-L3)、三個兩單元的IGBT模塊(M1-M3)和直流濾波電容(Cl)組成三相全橋PWM升壓整流電路，使輸入電壓 220 480VAC、輸入頻率25 60 Hz范圍內，整流輸出穩定的750V直流電壓，直流母線采用疊片式銅排直接和逆變單元8連接，該母線結構采用交錯銅排和絕緣層構成迭層母線結構，正、負極處于絕緣層的兩面，這種結構起到了吸收電容的作用，減小了功率回路中的寄生電感，保證IGBT可靠工作；三個兩單元的IGBT模塊(M4-M6)和LC濾波器(L3-L6、C2_C4) 組成三相全橋逆變電路8，將750V直流電壓轉換為50/60HZ 380V三相電源，變壓器(Tl) 使輸入和輸出之間電隔離，減小相互影響，使輸出電壓適應用戶要求的各種電壓等級(三相四線)(如輸出2組50Hz/60Hz 220 / 380V和110 / 190V三相工頻電源)。電源的電路原理框圖見圖3，三相交流(220 480VAC 25 60Hz)電源通過熔斷器、輸入濾波器、軟起動開關輸入到電源PWM整流模塊7，輸入濾波器保護電源不受輸入電源瞬態變化影響。PWM整流模塊7在各種輸入狀態下進行AC-DC變換，輸出穩定的750V直流電壓，PWM整流7可使輸入側的電流為正弦，功率因數接近1，可抑制諧波污染，經過濾波 9后的直流電源供給逆變器10，DC-AC逆變模塊輸出脈沖寬度可調、基波頻率為50Hz/60Hz 的三相交流電源，經輸出濾波器9和輸出變壓器10，輸出2組50Hz/60Hz 220 / 380V和 110 / 190V三相工頻電源(三相四線)，PWM整流模塊7和逆變模塊8使用IGBT功率器件， 電源控制系統采用SV-PWM (空間矢量脈寬調制)技術，使電源具有極好的動態特性和低畸變，并且算法簡單便于實現數字化、直流電壓利用率高、開關損耗低。控制模塊1經操作面板22控制，通過操作面板22操作系統接通電源后，三相交流 (220 480V、25 60Hz )電源通過熔斷器、輸入濾波器、軟起動開關輸入到電源PWM整流模塊7，處于正常運行狀態下，處理器模塊運行自檢程序，檢查輪胎吊用電的所有內部功能， 根據輪胎吊的運行狀況調控穩壓穩頻電源，
輪胎吊的運行狀況有以下情況
輪胎吊在輕載時，柴油發電機組11怠速運行，發電機組11輸出電壓低于300V、頻率低于 30Hz ；
當輪胎吊在負載時，柴油發電機組11高速運行，發電機組11輸出電壓480V、頻率低于 50/60Hz ；
當輪胎吊在怠速和高速轉換，發電機組11輸出電壓在220 480V，頻率在25 60Hz 之間變化，時間約;TlO秒。以上的運行狀況下，輸入到穩壓穩頻電源的三相交流電的電壓和頻率范圍變化很大，控制電路通過控制PWM整流7，使PWM整流模塊7輸出的直流電壓都能穩定在750V， 該直流電源經過濾波后供給逆變器8，DC-AC逆變模塊8輸出脈沖寬度可調、基波頻率為50Hz/60Hz的三相交流電源，經輸出濾波器9和輸出變壓器10，輸出2組50Hz/60Hz 220 / 380V和110 / 190V三相工頻電源(三相四線)。 本發明由于采用上述結構，使柴油發電機組在各種工況下都能給輪胎吊的控制系統、空調、照明等輔助裝置提供穩定的電源，一臺輪胎吊同樣完成一天的工作，與現有技術相比，可節省燃油50%，減小了排放和污染。
權利要求
1.一種寬范圍穩壓穩頻電源，包括直流母線輸出端口和變壓器，其特征在于包括主電路和控制電路，其中主電路是由PWM整流電路和逆變電路組成，PWM升壓整流電路是由儲能電感、IGBT模塊和直流濾波電容組成的PWM整流模塊，采用AC-DC三相PWM整流器拓撲結構，使輸入電壓 220 480VAC、輸入頻率25 60 Hz范圍內，整流輸出穩定的750V直流電壓，逆變電路是由IGBT模塊和LC濾波器組成的逆變模塊，采用DC-AC三相三橋臂逆變器拓撲結構，將750V 直流電壓轉換為脈沖寬度可調、基波頻率為60Hz的三相交流電源，經LC濾波器后，輸出總諧波含量小于5%的50/60Hz 220 / 380三相電源，控制電路包括控制模塊、輔助接口模塊、輸出反饋模塊、輸入電流檢測模塊、顯示器/ 按鍵模塊、繼電器模塊，控制模塊是由數字信號處理器(DSP)組成，輔助接口模塊完成三相輸入電壓和直流電壓的信號采樣，由控制接口分別控制電源的輸出接觸器、軟啟動控制和散熱風機運行，輸入電流檢測模塊完成三相輸入電流的信號采樣，并檢測輸入短路電流，輸出反饋模塊完成三相輸出電流的信號采樣以及經輸出電壓檢測模塊完成電壓的信號采樣， 并檢測輸入短路電流，輸出反饋模塊完成三相輸出電流和電壓的信號采樣，并檢測輸入短路電流，顯示器/按鍵模塊完成電源的參數設置、運行參數顯示和運行狀態，PWM整流模塊、逆變模塊、輔助接口模塊、輸出反饋模塊、輸入電流檢測模塊、電源模塊、 顯示器/按鍵模塊和繼電器模塊，分別通過多芯屏蔽電纜連接到控制模塊。
2.根據權利要求1所述的一種一種寬范圍穩壓穩頻電源，其特征在于PWM整流器采用直流功率控制策略。
3.根據權利要求1所述的一種寬范圍穩壓穩頻電源，其特征在于電源模塊控制系統采用SV-PWM (空間矢量脈寬調制)技術。
4.根據權利要求1所述的一種寬范圍穩壓穩頻電源，其特征在于直流母線是由交錯銅排和絕緣層構成的迭層母線結構，正、負極處于絕緣層的兩面，直流母線經銅排和逆變單元相連接。
5.根據權利要求1所述的一種寬范圍穩壓穩頻電源，其特征在于變壓器可使輸入和輸出之間電隔離。
全文摘要
本發明涉及一種逆變電源，具體地說是一種寬范圍穩壓穩頻電源，其包括直流母線輸出端口和變壓器，特征在于包括主電路和控制電路，主電路是由PWM整流電路和逆變電路組成，控制電路包括控制模塊、輔助接口模塊、輸出反饋模塊、輸入電流檢測模塊、顯示器/按鍵模塊、繼電器模塊，PWM整流模塊、逆變模塊、輔助接口模塊、輸出反饋模塊、輸入電流檢測模塊、顯示器/按鍵模塊和繼電器模塊，分別通過多芯屏蔽電纜連接到控制模塊，本發明由于采用上述結構，使輪胎吊在輕載時，柴油發電機組怠速運行；在大負載下，柴油發電機組在額定轉速運行，則一臺輪胎吊同樣完成一天的工作，可節省燃油50%，并減小排放和污染。
文檔編號H02M5/458GK102412733SQ20111035016
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者姚有剛, 常國潔, 彭海強, 梁吉軍, 陳江岸, 雷小明 申請人:威海廣泰空港電源設備有限公司