專利名稱：變頻器異常電壓穿越電源的制作方法
技術領域：
本發明屬于電源與變頻器技術領域，具體涉及ー種變頻器異常電壓穿越電源，適用于各種包括變頻器在內的各種可連接直流電源的負載單元。
背景技術：
變頻器作為ー種高精度的電能控制裝置，目前已大量應用于エ業生產的各個領域，其主要通過對電機轉速、轉矩和功率的控制來實現エ業應用。變頻器一般采用交流電源輸入，經內部整流后轉換為直流電源，再對此直流電源進行逆變從而實現對電機的控制。變頻器進行內部逆變時，內部直流母線電壓需維持在一定范圍內，過低的直流母線電壓無法保證逆變的正常運行從而會觸發欠壓保護，而過高的電壓有可能損壞器件，因而會觸發過壓保護。當電カ系統中發生短路故障吋，會導致交流電壓跌落，而在系統恢復正常過程中， 有可能因發電機或其它裝置，如SVC，因強勵磁而不能及時退出從而導致在低電壓結束后發生短暫的高電壓現象。對于變頻器而言，交流電壓的跌落或上升，經過整流橋的整流作用， 會體現為其內部直流母線電壓的下降或升高，進而觸發變頻器保護，拖動電機停轉。對于需要連續運行的關鍵負荷，這種因低電壓或高電壓而造成的停機會造成嚴重后果，會給生產安全帶來很大的危害。因而需要尋求ー種新型的變頻器裝置，能夠跨越系統低電壓跌落及高電壓恢復過程，保證負載的持續、可靠運行。為解決以上問題，當前有通過為變頻器增加UPS動カ電源或在變頻器直流母線處増加直流蓄電池支撐的方法，來解決低電壓停機問題，而對于高電壓問題，變頻器直流母線處增加直流蓄電池支撐的方法難以解決，此外上述兩種方案中，均引入了蓄電池，蓄電池對溫度和運行環境要求高、需定期進行全充、全放操作、電池造價高等問題，制約了這兩種方案的廣泛推廣。
發明內容
為克服現有技術中存在的以上問題，本發明提出了ー種變頻器異常電壓穿越電源，用于解決電網交流電源電壓發生異常電壓及整個恢復過程中，變頻器停機、觸發保護或工作狀態異常等情況。變頻器異常電壓穿越電源可以在系統異常吋，為變頻器拖動系統提供穩定的動カ電源和控制電源，維持拖動系統的連續、可靠、平穩運行。本發明的具體方案如下—種變頻器異常電壓穿越電源，該電源串接于電網三相交流電源與變頻器之間， 所述變頻器異常電壓穿越電源包括整流電路、升降壓電路和旁路電路；其特征在于所述整流電路由三相不控整流橋與直流母線支撐電容構成，所述三相交流電源連接至所述三相不控整流橋的輸入端，三相不控整流橋的輸出端兩極之間連接所述直流母線支撐電容；所述升降壓電路選用CUK電路，包括三重CUK并聯支路和輸出儲能電容，所述三相不控整流橋輸出端正負極之間并聯直流母線支撐電容后與所述三重CUK并聯支路的輸入端相連，所述三重CUK并聯支路輸出端的正負極性之間并聯輸出儲能電容后連接至變頻器的直流輸入端子；所述旁路電路由三相靜態開關組成，所述三相交流電源連接至所述三相靜態開關輸入端，三相靜態開關輸出端連接至所述變頻器三相交流輸入端子。本發明具有以下技術效果變頻器異常電壓穿越電源采用平時旁路，交流電壓故障時動作的控制方式，即在三相系統電壓正常吋，升降壓電路中的開關器件不動作，旁路電路的三相靜態開關處于導通狀態，電能經三相系統、旁路電路送入變頻器；在系統電壓跌落至一定程度吋，升降壓電路投入運行，進行升壓控制，保證穿越電源輸出電壓維持恒定；在系統電壓上升至一定程度時，變頻器異常電壓穿越電源封鎖旁路電路，同時升降壓電路投入運行，進行降壓控制，以保證輸出直流電壓維持恒定，在系統電發生異常吋，穿越電源始終輸出穩定的直流電壓以確保變頻器不停機，拖動電機輸出轉速、轉矩、功率不發生變化。
圖1為變頻器異常電壓穿越電源拓撲結構示意圖；圖2為電網電壓監控模塊子程序流程圖；圖3為自動控制模塊主程序流程圖；圖4為升降壓自動控制框圖；圖5為集成自檢系統程序流程圖。
具體實施例方式下面根據說明書附圖并結合具體實施例對本發明的技術方案進ー步詳細表述。如圖1所示為本發明的變頻器異常電壓穿越電源的結構示意圖。實施例1 變頻器異常電壓穿越電源由三部分組成整流電路1，由ニ極管模塊構成的三相全橋不控整流器；升降壓電路2，由電抗器、電容、IGBT、續流ニ極管組成的DC/ DCCUK升降壓模塊；旁路電路3，由三相靜態開關構成的三相旁路電路。整流電路1采用三相不控整流電路結構，將輸入的三相交流電能轉換為直流電能，并輸出到直流母線支撐電容，該部分采用全波不控整流電路，不控整流橋由ニ極管模塊構成，其將電網輸入的交流電能整流轉化為直流電，并儲存于其直流側所連接的整流直流電容Cl上；直流升降壓電路2采用CUK升降壓電路拓撲，包括三重CUK并聯支路和輸出儲能電容，所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的正極性端與所述三重CUK并聯支路的輸入端相連，所述三重CUK并聯支路輸出端和所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的負極性端之間并聯輸出儲能電容后連接至變頻器的直流輸入端子。各 CUK電路錯頻工作，每ー CUK電路由緣柵雙極型晶體管(IGBT)、直流電感、電容、ニ極管構成，在每ー CW(并聯支路中，所述輸入電感的一端連接至所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的正極性端，所述輸入電感的另一端連接至絕緣柵雙極型晶體管IGBT 的集電極與電容一端的連接處，所述電容的另一端與所述輸出電感的一端連接，所述輸出電感的另一端與輸出儲能電容的一端相連，所述ニ極管的陽極與輸出電感與電容的連接處相連，陰極與所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的負極性端相連，所述絕緣柵雙極型晶體管IGBT的發射極連接至所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的負極性端。通過調整IGBT的導通占空比，控制前后端直流電壓的變比。直流升降壓模塊可將整流后直流電容上的直流電壓變換為更高或更低電壓等級的直流電壓，并儲存于其后連接的直流電容C2上。本發明中，為了降低直流輸入、輸出側的電流諧波，減小所選用直流電感的感值，選取了三重CUK模式，即將三個完全相同的CUK電路并聯于輸入、輸出端之間，三套電路中IGBT的觸發角度互差120° ；旁路電路3采用晶閘管構成的三相靜態開關，每相由兩個反并聯的晶閘管組成， 控制晶閘管的觸發角，可使每個晶閘管在其正向偏置的半個周波內導通或在整個周波處于截止狀態。本發明中，當電網電壓正常吋，三相靜態開關路處于導通狀態，三相交流電源經旁路電路輸出到變頻器；當電網電壓跌落低于升壓控制預定值吋，三相靜態開關處于導通狀態，三相交流電源經旁路電路、升降壓電路輸出至變頻器；當電網電壓過高高于降壓控制預定值吋，三相靜態開關處于關斷狀態，三相交流電源經升降壓電路變換后輸出至變頻器。該變頻器異常電壓穿越電源可提供一路或多路直流穩壓動カ電源，即該變頻器電源輸出可同時為多臺變頻器供電，其連接方式為裝置主功率輸出P端連接ニ極管陽扱，ニ 極管陰極連接到變頻器的直流輸入端子的正極性端。裝置主功率輸出N端連接另一個ニ極管陰極，ニ極管陽極連接到變頻器的直流輸入端子的負極性端子，其它各臺變頻器連接方式與上述方式相同。在實施例1中，變頻器異常電壓穿越電源可以只包括整流電路1、升降壓電路2和旁路電路3三部分。通過外部的電網電壓檢測電路檢測電網電壓狀態，在外部電網電壓檢測電路檢測到電網電壓跌落到升壓控制預定值，通過外部的控制系統控制驅動升降壓電路 2動作，進行升壓變換；當檢測到外部電網電壓上升至降壓控制預定值吋，通過外部控制系統驅動升降壓電路2動作，進行降壓變換，從而保證在電網整個異常電壓過程中變頻器異常電壓穿越電源能輸出穩定的直流電壓，從而保證變頻器不停機。實施例2 本申請變頻器異常電壓穿越電源除了包括實施例1中所述的整流電路 1、升降壓電路2、旁路電路3以外，還進一歩包括不間斷電源(UPS)和變壓器的二次電源輸出電路4，以便提一路或多路交流控制電源。所述不間斷電源UPS輸入端連接至電網三相交流電源，其輸出端連接至變壓器，UPS從電カ系統獲取能量，對內部蓄電池進行充電，在系統電壓跌落吋，蓄電池可保證UPS正常的交流輸出。變壓器可實現將UPS輸出的220V交流單相電壓變換為IlOV或380V電壓送出。實施例3 在實施例3中，本申請的變頻器異常電壓穿越電源除了具有實施例1和 /或2的部分以外，還可以進ー步包括集成在變頻器異常電壓穿越電源內部的控制電路5， 所述控制控制電路5包括信號采集模塊、電網電壓監控模塊、升降壓電路自動控制模塊。信號采集模塊是將功率電路測得的電壓電流信號轉化為控制電路所能接收的信號。電網電壓經信號采集電路，連接至電網電壓監控模塊，所述電網電壓監控模塊采集電網三相電壓，通過坐標變換的方法，實時計算電カ系統電網三相電壓矢量的正序分量，并以電壓矢量正序分量值判斷電網三相交流電源電壓跌落是否小于或大于預定值(即升壓控制預定值、降壓控制預定值)，作為升降壓電路的啟動判據。
整流電路側直流母線支撐電容Cl的電壓Udcl及升降壓電路側電容C2電壓信號 Udc2經過信號采集模塊傳送至升降壓電路自動控制模塊；直流母線電流經霍爾電流傳感器，通過信號采集模塊傳送至升降壓電路自動控制模塊。所述自動控制模塊的輸出端分別連接至各CUK并聯支路的中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT的柵極。升降壓電路自動控制模塊接收到電壓、電流及開關信號后，先進行快速保護計算判斷是否有故障發生，再按照變頻器異常電壓穿越電源的控制方法，調用相關控制子程序控制各CUK并聯支路的中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT的開通和關斷，在電壓跌落時，將整流后的電壓Udcl電壓泵升至變頻器的額定輸入范圍；將電壓上升時，將整流后的電壓Udcl降壓至變頻器的額定輸入范圍，同時關斷旁路電路的晶閘管。通過以上手段，保證在電網發生故障，系統電壓跌落或上升吋， 變頻器可正常工作，升降壓電路的自啟動時間小于lOOus。所述變頻器異常電壓穿越電源的控制方法是按如下步驟進行電網電壓監控模塊的控制方法如圖2所示，其實時對電網電壓進行采樣并顯示， 通過坐標變換和正負序分離，實時計算電網三相電壓矢量的正序分量，并以電壓矢量正序分量值判斷電網三相交流電源電壓跌落至升壓控制預定值以下或上升是否大于至降壓控制預定值以上，井向升降壓電路自動控制模塊發出恒壓控制啟動指令，步驟ー采集電網電壓、電流、直流電壓、電流數據；步驟ニ 對采集數據進行轉換，傳送至升降壓電路自動控制模塊；步驟三將采集的電網電壓數據進行坐標變換，提取正序分量；步驟四判斷電壓值是否低于升壓控制預設值或高于降壓預設值，若低于升壓控制預設值或高于降壓預設值，向自動控制模塊發出啟動信號，否則返回至步驟一。升降壓電路自動控制模塊接收到電網電壓監控模塊發出的啟動信號后，調用恒壓控制(即直流輸出電壓恒定控制)程序。所述自動控制模塊的控制方法如圖3所示，其步驟如下步驟ー對采集模塊傳送的電網電壓、電流、直流電壓、電流進行快速保護計算，如發生保護進入步驟ニ，否則進入步驟三；步驟ニ 封鎖CUK電路中IGBT脈沖，清除啟動標記位，返回至步驟ー；步驟三若接到啟動信號，調用恒壓控制程序，其控制方法如圖4所示；步驟四對Udcl的采樣值進行遞推求平均，為判斷裝置的退出做數據準備；步驟五確認當前狀態，若為升壓控制則調用bang-bang控制程序，保證在升壓控制中，出現電壓超調較大，超過bang-bang限值后，退出恒壓自動控制模塊并進入步驟七， 若未超過bang-bang限值，繼續執行步驟六；若為降壓控制則執行步驟五后進入步驟六；步驟六判斷是否滿足裝置退出條件，若滿足則進入步驟七，若不滿足返回步驟 步驟七封脈沖，恒壓控制流程退出；裝置的退出是根據Udc 1進行判斷的，由于不控整流輸出電壓Udc 1存在一定波動， 若退出門限設置不合適，會導致裝置誤動作，因此在退出判據中采用Udcl遞推求平均后的值；實施例4 在實施例3的基礎上，本申請變頻器異常電壓穿越電源還可以在所述自動控制模塊中集成自檢系統。
所述自動控制模塊中集成的自檢系統，不同于常規意義的開機自檢系統，所述自檢系統依據設定的時間間隔，如每天上午9點鐘，在電網三相電壓正常的條件下，控制每一 CUK并聯支路中的緣柵雙極型晶體管IGBT進行開關動作，并將變頻器異常電壓穿越電源的輸出電壓抬升至略高于正常整流輸出的電壓水平，以此判斷絕緣柵雙極型晶體管IGBT、驅動電路及控制模塊是否正常工作，以便及時安排檢修，該功能是蓄電池等直流電源都不具備的特性。自檢系統的控制方法如圖5所示，其執行步驟如下步驟ー采集整流電路側電容電壓Udcl、升壓電路側電容電壓信號Udc及直流母線電流Idc數據；步驟ニ判斷電網電壓監控模塊是否輸出啟動信號，若輸出啟動信號，則延時M 小時后，再一次啟動自檢程序；否則執行步驟三。步驟三調用bang-bang控制程序，保證在升壓控制中，出現電壓超調較大，超過 bang-bang限值時，退出升壓自動控制模塊；否則繼續執行步驟三；步驟四調用升壓控制程序，其控制方法如圖4所示；步驟五2秒鐘后，判斷自檢是否通過；若滿足1.03 < Udc/Udcref < 1.07,(此吋，Udc控制目標為1.05pu)則判斷為自檢通過；否則自檢未通過，用戶可查看控制器保護發出的故障信號來進ー步進行故障排查和安排檢修；步驟六返回。本發明中，CUK升降壓部分的IGBT平時處于旁路狀態，即在三相系統電壓正常吋， CUK電路的IGBT不進行開關動作，電能經三相系統、整流橋、CUK電路、ニ極管送入變頻器直流端子。裝置中集成了電網電壓監控模塊，通過坐標變換的方法，實時計算電カ系統三相電壓矢量的正序分量，并以電壓矢量正序分量值作為CUK電路的啟動判據。裝置中集成的升降壓電路自動控制模塊，依據電網電壓監控模塊的實時輸出電壓值與外部設定的啟停門限值，對CUK電路進行滯環控制，啟停時間反應時間小于lOOus。啟停升降壓環節，是通過控制 IGBT的開關動作，進而啟動CUK電路來實現，CUK電路可保證裝置輸出直流電源電壓恒定， 其電壓值與系統電壓未跌落時的工作電壓一致。裝置所連接的變頻器系統工作狀態不受系統電壓跌落的影響，其所連接電機的轉速、轉矩、功率均維持不變。以上給出的實施例用以說明本發明和它的實際應用，并非對本發明作任何形式上的限制，任何一個本專業的技術人員在不偏離本發明技術方案的范圍內，依據以上技術和方法作一定的修飾和變更當視為等同變化的等效實施例。
權利要求
1.ー種變頻器異常電壓穿越電源，該電源串接于電網三相交流電源與變頻器之間，所述變頻器異常電壓穿越電源包括整流電路、升降壓電路和旁路電路；其特征在于所述整流電路由三相不控整流橋與直流母線支撐電容構成，所述三相交流電源連接至所述三相不控整流橋的輸入端，三相不控整流橋的輸出端兩極之間連接所述直流母線支撐電容；所述升降壓電路選用CUK電路，包括三重CUK并聯支路和輸出儲能電容，所述三相不控整流橋輸出端正負極之間并聯直流母線支撐電容后與所述三重CUK并聯支路的輸入端相連，所述三重CUK并聯支路輸出端的正負極性之間并聯輸出儲能電容后連接至變頻器的直流輸入端子；所述旁路電路由三相靜態開關組成，所述三相交流電源連接至所述三相靜態開關輸入端，三相靜態開關輸出端連接至所述變頻器三相交流輸入端子。
2.根據權利要求1所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于所述升降壓電路由三重CUK電路并聯構成，各CUK并聯支路錯頻工作。
3.根據權利要求2所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于每ー CW(并聯支路均由ー輸入電感、ー輸出電感、一電容、一絕緣柵雙極型晶體管 IGBT、一二極管組成；在每ー CUK并聯支路中，所述輸入電感的一端連接至所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的正極性端，所述輸入電感的另一端連接至絕緣柵雙極型晶體管IGBT 的集電極與電容一端的連接處，所述電容的另一端與所述輸出電感的一端連接，所述輸出電感的另一端與輸出儲能電容的一端相連，所述ニ極管的陽極與輸出電感和電容的連接處相連，ニ極管的陰極與所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的負極性端相連，所述絕緣柵雙極型晶體管IGBT的發射極連接至所述三相不控整流橋輸出端經過直流母線支撐電容后的負極性端。
4.根據權利要求3所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于所述變頻器異常電壓穿越電源在電網三相交流電源電壓正常吋，升降壓電路中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT工作于旁路狀態，不進行開關控制；所述旁路電路三相靜態開關處于導通狀態，三相交流電源經旁路電路輸出至變頻器交流輸入；所述變頻器異常電壓穿越電源在電網三相交流電源電壓跌落低于升壓控制預定值吋， 升降壓電路中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT工作，進行升壓控制，輸出穩定的直流電壓，為變頻器提供電能；所述變頻器異常電壓穿越電源在電網三相交流電壓超過降壓控制預定值吋，所述旁路電路三相靜態開關處于關斷狀態，升降壓電路中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT工作，進行降壓控制，輸出穩定的直流電壓，為變頻器提供電能。
5.根據權利要求1或4所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于所述旁路電路中每ー相靜態開關由兩個反并聯的晶閘管組成；晶閘管在電網三相交流電源電壓正常或者跌落低于升壓控制預定值吋，處于導通狀態；在電網三相交流電源電壓超過降壓控制預定值時，晶閘管處于關斷狀態。
6.根據權利要求1-4任ー權利要求所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于該變頻器異常電壓穿越電源可提供一路或多路直流穩壓動カ電源。
7.根據權利要求1-4任ー權利要求所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于所述變頻器異常電壓穿越電源還進ー步包括不間斷電源UPS和變壓器，所述不間斷電源UPS輸入端連接至電網三相交流電源，其輸出端連接至變壓器，將不間斷電源UPS輸出的交流電壓進行變換，提供一路或多路為220V和/或380V和/或IlOV交流穩壓控制電源。
8.根據權利要求4所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于所述變頻器異常電壓穿越電源內部還集成電網電壓監控模塊，采集電網三相交流電源電壓，通過坐標變換的方法，實時計算電網三相交流電源電壓矢量的正序分量，并以電壓矢量正序分量值判斷電網三相交流電源電壓狀態，作為升降壓電路的啟動判據。
9.根據權利要求8所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于所述變頻器異常電壓穿越電源還進ー步集成升降壓電路自動控制模塊，該自動控制模塊的輸入端連接至所述電網電壓監控模塊的輸出端，所述自動控制模塊的輸出端分別連接至各CW(并聯支路的中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT的柵極，對升降壓電路進行滯環自啟動控制，自啟動時間小于IOOus0
10.根據權利要求9所述的變頻器異常電壓穿越電源，其特征在于所述變頻器異常電壓穿越電源還能夠在所述升降壓電路自動控制模塊中進ー步集成自檢系統，自檢系統依據設定的時間間隔，在電網三相電壓正常的條件下，控制每一⑶K并聯支路中的緣柵雙極型晶體管IGBT進行開關動作，并將變頻器異常電壓穿越電源的輸出電壓抬升至略高于正常整流輸出的電壓水平，以此判斷絕緣柵雙極型晶體管IGBT及其驅動電路是否可以正常工作。
全文摘要
本發明公開了一種變頻器異常電壓穿越電源，主要由旁路電路、整流電路、升降壓電路三部分構成。旁路電路采用三相靜態開關，整流電路為三相不控整流電路結構，升降壓電路為DCDC變換。變頻器異常電壓穿越電源采用平時旁路，交流電壓故障時動作的控制方式，即在系統電壓跌落至一定程度時，升降壓電路投入運行，進行升壓控制，保證穿越電源輸出電壓維持恒定；在系統電壓上升至一定程度時，變頻器異常電壓穿越電源封鎖旁路電路，同時升降壓電路投入運行，進行降壓控制，以保證輸出直流電壓維持恒定。在系統電發生異常時，穿越電源始終輸出穩定的直流電壓以確保變頻器不停機，拖動電機輸出轉速、轉矩、功率不發生變化。
文檔編號H02J9/04GK102545646SQ20121001661
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者劉樹, 張濤, 操豐梅, 楊剛, 王曉宇, 王皆慶 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司, 華北電力大學