專利名稱：具有電能質量分級管理功能的模塊化電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及大功率車載電源技術領域，具體地說是一種適用于移動式需要車載柴油機提供大功率電源的場合，尤其適用于軍用車載大功率電氣設備、港口移動吊裝機械設備等對于車載電源的重量與體積有嚴格要求的具有電能質量分級管理功能的模塊化電源。
背景技術：
目前，許多軍用特種車輛與港口吊裝機械由于其功能的日益復雜化，需要配備車載大功率電源。電源來源有兩種，車載蓄電池與車載發動機取力發電，車載蓄電池優勢在于電壓穩定，劣勢在于儲電量受限制，且重量與體積對于車載系統來說均是非常重的負擔。因此， 此類場合一般采用車載發動機取力發電的模式，即車載發動機轉動的同時帶動發電機發電，將汽油或柴油中的能量轉化成電能。在實際應用中，車載設備用電也分兩種等級，測量儀表及計算機之類負載對電壓穩態精度及瞬間恢復特性要求比較高，這種電壓可簡稱之為精電。各種車載電動機等阻感性負載及空調等整流性負載設備，對電壓穩態及瞬態指標要求不高，這種電壓可簡稱之為粗電。一般車載電氣系統設計時，如圖1所示，僅為車載精電負載3提供獨立的穩壓電源，但是當車載發電機1突加粗電負載2時，尤其阻感性負載的突加，輸出電壓無可避免地出現相應的波動，這種大范圍波動的電壓不能滿足所有車載設備要求的。同時，這種阻感性負載要求發電機大量的無功功率輸出，因此發電機的容量必須相應地增加，以致增加了發電機的重量與體積。傳統上對于此類發電機產生的電壓一般在主電路中串聯大功率AC/AC穩壓電源5 來產生所需要的幅值與頻率穩定的電源，如圖2所示，這類穩壓電源通過相應的整流環節 51可以使輸入端的功率因數接近于1，可以減小發電機的容量。此種方法的不足之處在于穩壓電源5存在整流51與逆變52兩個環節之間，穩壓電源5的容量必須大于車載粗電負荷2與車載精電負荷3之和，這樣大容量的穩壓電源必然會引起的車輛整體重量與體積增加，抵消了發電機容量降低而帶來的重量節省，這是一個無法解決的矛盾之處。電源的體積與重量的超標，會影響車輛的速度靈活度以及油耗，最后必然極大增加設備的成本。
發明內容
本發明的目的是解決上述現有技術的不足，提供一種結構新穎、電壓穩定、重量輕、體積小、設備成本低的具有電能質量分級管理功能的模塊化電源。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種具有電能質量分級管理功能的模塊化電源，設有發電機輸出的三相電源和主電路，其特征在于主電路上設有源濾波模塊、無功補償模塊、變頻逆變輸出模塊、功率驅動模塊、AD采樣模塊和電源控制器，有源濾波模塊具有有源濾波器的功能，對車載發電機供電進行波形質量改造，發出相應頻率的諧波電流，對粗電通過相應諧波補償的方式來消除其諧波成分，以消除接入點的電壓畸變，無功補償模塊具有無功補償功能，可以準確實時地對阻感性負載所需要的無功進行補償，可以有效地抑制車載發電機的無功電流，有源濾波模塊與無功補償模塊可以根據工況來選擇是否工作在相應模式，向直流母線提供能量，以保持直流母線電壓的穩定，有源濾波模塊和無功補償模塊并聯在直流母線上，以代替傳統的大功率AC/AC穩壓電源，通過無功補償，有效的減小了車載電源的容量，直流母線上設有變頻逆變輸出模塊，變頻逆變輸出模塊作為變頻逆變輸出單元，從直流母線取電，產生外部電路所需要的可靠的特定頻率與幅值的電壓，對直流母線的電壓進行逆變輸出，轉化成幅值與頻率穩定的精電供給，以利于用共享直流母線的變頻逆變輸出單元來代替精電電源，節省了精電電源中的整流環節，極大降低了車載電源的體積和重量，電源控制器輸入端經AD 采樣模塊分別與發電機輸出的三相電源和直流母線電壓相連，電源控制器輸出端一路經功率驅動模塊控制有源濾波模塊的輸出，一路經功率驅動模塊控制無功補償模塊輸出粗電負載，另一路經功率驅動模塊控制變頻逆變輸出模塊的輸出，使之輸出頻率幅值穩定的靜電負載，使電源控制器負責總體的管理功能，集成多路輸入輸出到控制器中，以利于對每一個模塊根據其功能進行模擬量采樣與功率模塊驅動輸出。本發明中的電源控制器可采用內核為DSP的電源控制器，以利于進行模擬量采樣與功率模塊驅動輸出。本發明中的有源濾波模塊、無功補償模塊和變頻逆變輸出模塊分別為三相全橋電路，三相全橋電路是由六只IGBT絕緣柵雙極性功率管組成三組橋臂，電源控制器發出的三路PWM觸發信號，經功率驅動模塊后分成六路，分別來驅動6只IGBT的開關通斷，以輸出三相電壓。本發明可在有源濾波模塊、無功補償模塊或變頻逆變輸出模塊上設有LC濾波電路，以適用不同的功率等級和不同的工況要求。本發明還可在主電路上設有電感、電容、電阻或變壓器，以根據有源濾波模塊、無功補償模塊或變頻逆變輸出模塊的功率不同而增加。本發明的有益效果是由于采用了一種直流母線并聯式的模塊化電源，集有源濾波、無功補償、變頻逆變功能于一體，通過并聯的方式對車載發電機供電進行波形質量改造，有效地補償車載發電機的無功電流，同時產生特定設備所需要的可靠的特定頻率與幅值的電壓，在保障電氣系統性能的前提下，極大的減輕了車載電源系統的重量與體積，具有結構新穎、電壓穩定、重量輕、體積小、設備成本低等優點。
圖1是現有技術中的粗電直接供電模式示意圖。圖2是現有技術中的由穩壓電源供電模式示意圖。圖3是本發明采用的供電模式示意圖。圖4是本發明中總體結構原理框圖。圖5是本發明中功能模塊的電氣原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明
一種具有電能質量分級管理功能的模塊化電源，設有發電機輸出的三相電源1和主電路，其特征在于主電路上設有源濾波模塊61、無功補償模塊62、變頻逆變輸出模塊63、功率驅動模塊(66、68、610 )、AD采樣模塊(65、67、69 )和電源控制器64，有源濾波模塊61具有有源濾波器的功能，對車載發電機供電進行波形質量改造，發出相應頻率的諧波電流，對粗電通過相應諧波補償的方式來消除其諧波成分，以消除接入點的電壓畸變，無功補償模塊62 具有無功補償功能，可以準確實時地對阻感性負載所需要的無功進行補償，可以有效地抑制車載發電機的無功電流，有源濾波模塊61與無功補償模塊62可以根據工況來選擇是否工作在相應模式，向直流母線提供能量，以保持直流母線電壓(653、673、693)的穩定，有源濾波模塊61和無功補償模塊62并聯在直流母線上，以代替傳統的大功率AC/AC穩壓電源， 通過無功補償，有效的減小了車載電源的容量，直流母線上設有變頻逆變輸出模塊63，變頻逆變輸出模塊63作為變頻逆變輸出單元，從直流母線取電，產生外部電路所需要的可靠的特定頻率與幅值的電壓，對直流母線的電壓進行逆變輸出，轉化成幅值與頻率穩定的精電供給，以利于用共享直流母線的變頻逆變輸出單元來代替精電電源，節省了精電電源中的整流環節，極大降低了車載電源的體積和重量，電源控制器64輸入端經AD采樣模塊(65、 67、69)分別與發電機輸出的三相電源1和直流母線電壓(653、673、693)相連，電源控制器 64輸出端一路經功率驅動模塊66控制有源濾波模塊61的輸出，一路經功率驅動模塊68控制無功補償模塊62輸出粗電負載，另一路經功率驅動模塊610控制變頻逆變輸出模塊63 的輸出，使之輸出頻率幅值穩定的靜電負載，電源控制器64負責總體的管理功能，集成多路輸入輸出到控制器64中，以利于對每一個模塊根據其功能進行模擬量采樣與功率模塊驅動輸出。本發明中的電源控制器64可采用內核為DSP的電源控制器64，以利于進行模擬量采樣與功率模塊驅動輸出。本發明中的有源濾波模塊61、無功補償模塊62和變頻逆變輸出模塊63分別為三相全橋電路，三相全橋電路是由六只IGBT絕緣柵雙極性功率管(74、75、76 )組成三組橋臂， 電源控制器64發出的三路PWM觸發信號，經功率驅動模塊(66、68、610)后分成六路，分別來驅動6只IGBT (74、75、76)的開關通斷，以輸出穩定的三相電壓。本發明可在有源濾波模塊61、無功補償模塊62或變頻逆變輸出模塊63上設有LC 濾波電路71，以適用不同的功率等級和不同的工況要求。本發明還可在主電路外圍設有電感器、電容72、電阻73或變壓器，以根據有源濾波模塊61、無功補償模塊62或變頻逆變輸出模塊63的功率不同而增加。如圖4所示，本發明包括了有源濾波模塊61、無功補償模塊62、變頻逆變模塊63、 電源控制器64、AD采樣模塊65，67，69、功率驅動模塊66，68，610。電源控制器64從AD采樣模塊65得到發電機三相電壓651、發電機輸出的三相電流652、直流母線電壓653 —共七路信號，由DSP (數字信號處理器)進行計算后，得到發電機三相輸出電壓中所含有的諧波畸變，然后根據相應的諧波抑制算法計算出三路PWM觸發信號，然后經功率驅動模塊66來控制有源濾波模塊61的輸出。
5
電源控制器64從AD采樣模塊67得到粗電負載三相電壓671、粗電負載輸出的三相電流672、直流母線電壓673 —共七路信號，由DSP (數字信號處理器)進行計算，算出粗電負載所需要的無功功率，根據此無功補償量得到三路PWM觸發信號，然后經功率驅動模塊68來控制無功補償模塊62的輸出。電源控制器64從AD采樣模塊69得到精電負載三相電壓691、精電負載輸出的三相電流692、直流母線電壓693 —共七路信號，根據精電負載的電壓反饋量進行負反饋閉環計算，得到三路PWM觸發信號，然后經功率驅動模塊610來控制變頻逆變模塊63的輸出，使之輸出相應頻率幅值的電壓。其中，有源濾波模塊61、無功補償模塊62、變頻逆變模塊63主體結構均為三相全橋電路，如圖5所示，圖中74，75，76為六只IGBT (絕緣柵雙極性功率管)組成三組橋臂，電源控制器發出的三路PWM觸發信號，經功率驅動模塊后分成6路，然后分別來驅動6只IGBT 的開通關斷，輸出三相電壓。本發明上述三種模塊根據實際工況的需要來設計LC濾波電路71。本發明上述三種模塊共享相同的直流母線電容73與直流母線分壓電阻72。本發明上述三種模塊的功能實現由電源控制器64來配置，當電源控制器64配置有源濾波模塊61、無功補償模塊62具有直流母線60穩壓功能的時候，有源濾波模塊61、無功補償模塊62中任意一個模塊均可具有PWM整流器的功能，使直流母線60電壓穩定，為變頻逆變模塊63的輸出提供有功功率。本發明由于采用直流母線并聯式的模塊化電源，集有源濾波、無功補償、變頻逆變功能于一體，通過并聯的方式對車載發電機供電進行波形質量改造，有效地補償車載發電機的無功電流，同時產生特定設備所需要的可靠的特定頻率與幅值的電壓，在保障電氣系統性能的前提下，極大的減輕了車載電源系統的重量與體積，具有結構新穎、電壓穩定、重量輕、體積小、設備成本低等優點。
權利要求
1.一種具有電能質量分級管理功能的模塊化電源，設有發電機輸出的三相電源和主電路，其特征在于主電路上設有源濾波模塊、無功補償模塊、變頻逆變輸出模塊、功率驅動模塊、AD采樣模塊和電源控制器，有源濾波模塊和無功補償模塊并聯在直流母線上，直流母線上設有變頻逆變輸出模塊，發電機輸出的三相電源和直流母線電壓分別經AD采樣模塊與電源控制器相連，電源控制器輸入端經AD采樣模塊分別與發電機輸出的三相電源和直流母線電壓相連，電源控制器輸出端一路經功率驅動模塊控制有源濾波模塊的輸出，一路經功率驅動模塊控制無功補償模塊輸出粗電負載，另一路經功率驅動模塊控制變頻逆變輸出模塊的輸出ο
2.根據權利要求1所述的一種具有電能質量分級管理功能的模塊化電源，其特征在于電源控制器采用內核為DSP的電源控制器。
3.根據權利要求1所述的一種具有電能質量分級管理功能的模塊化電源，其特征在于有源濾波模塊、無功補償模塊和變頻逆變輸出模塊分別為三相全橋電路，三相全橋電路是由六只IGBT絕緣柵雙極性功率管組成三組橋臂，電源控制器發出的三路PWM觸發信號，經功率驅動模塊后分成六路，分別來驅動6只IGBT的開關通斷。
全文摘要
本發明涉及大功率車載電源技術領域，具體地說是一種具有電能質量分級管理功能的模塊化電源，設有發電機輸出的三相電源和主電路，其特征在于主電路上設有源濾波模塊、無功補償模塊、變頻逆變輸出模塊、功率驅動模塊、AD采樣模塊和電源控制器，有源濾波模塊和無功補償模塊并聯在直流母線上，直流母線上設有變頻逆變輸出模塊，電源控制器經AD采樣模塊和功率驅動模塊控制有源濾波模塊、無功補償模塊和變頻逆變輸出模塊的輸入輸出，由于采用了一種直流母線并聯式的模塊化電源，集有源濾波、無功補償、變頻逆變功能于一體，極大的減輕了車載電源系統的重量與體積，具有結構新穎、電壓穩定、重量輕、體積小、設備成本低等優點。
文檔編號H02M7/48GK102510229SQ20111035020
公開日2012年6月20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, 陳江岸, 雷小明 申請人:威海廣泰空港電源設備有限公司