一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制裝置，包括：三相全橋逆變電路、交流濾波器、三相隔離變壓器以及控制電路；三相全橋逆變電路的輸出端與交流濾波器的輸入端相連，交流濾波器的輸出端接隔離變壓器的一次側，三相隔離變壓器的二次側呈“Y”型連接；三相全橋逆變電路的輸出端及三相隔離變壓器的二次側連接至控制電路的反饋輸入端；控制電路的反饋輸出端連接至三相全橋逆變電路的輸入端；控制電路，用于獲取三相全橋逆變電路的每相電流的前饋信號以及三相隔離變壓器二次側的每相輸出電壓的反饋信號，根據該前饋信號和該反饋信號實現對三相全橋逆變電路的控制。本實用新型實現了對三相逆變電源的負載不平衡的控制。
【專利說明】一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及逆變電源領域，特別涉及一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制裝置。
【背景技術】
[0002]當前交流逆變電源應用日益廣泛，功率也越來越大，從幾十kVA到MVA。一般大功率的交流逆變電源基本上都是三相輸出方式，幾乎絕大多數的電源輸出都會用三相隔離變壓器做隔離輸出，應用這種拓撲結構的交流逆變電源一般都存在一個共同的問題: [0003]三相逆變電源出現不平衡負載時，三相變壓器因其相互磁耦合，使得控制算法中的解耦控制很復雜，通常會允許負載不平衡< 30%且很難達到100%的不平衡負載控制。而當實際使用環境出現100%不平衡負載(如，A相100%負載、B、C相0%負載)時，會出現逆變電源無法正常工作，或者輸出電源電壓的相角嚴重偏移，使三相線電壓超出相應標準要求的≤2°或≤4°，對于寬頻(45Hz~800Hz)和高頻(1000Hz)輸出時，因變壓器阻抗的提高使三相線電壓相移會非常嚴重到> 10°，甚至更大。
[0004]針對大功率三相交流逆變電源不平衡負載的情況，常見的一種處理方式是采用三個單相隔離變壓器，在三個隔離變壓器二次側采用Y接法來避免三相變壓器的磁耦合帶來的困擾，此種方案的電源控制算法相對簡單一些。而三個單相變壓器輸出電壓是進行單相控制、調節的，對于線電壓的平衡會同時受限于相電壓的平衡和三相之間相角。
[0005]尤其在電源輸出的頻率較寬(45Hz~800Hz)或高頻(1000Hz)時，當出現不平衡負載時，因變壓器阻抗的提高在200Hz以上頻段的三相線電壓不平衡度會隨頻率增高而增大且很難滿足相關標準要求(一般至少會>4° )，且三相線電壓相移在500Hz以上會嚴重到>10°，電源輸出頻率再增大時甚至會更大。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制裝置及方法，以實現在負載不平衡的情況下，三相大功率逆變電源的相電壓和線電壓均平衡。
[0007]本實用新型實施例提供了一種三相大功率逆變電源負載不平衡控制裝置，包括:由功率管組成的三相全橋逆變電路、交流濾波器、三相隔離變壓器以及控制電路；
[0008]其中三相全橋逆變電路的輸出端與交流濾波器的輸入端相連，交流濾波器的輸出端接隔離變壓器的一次側，三相隔離變壓器的二次側呈“Y”型連接；
[0009]三相全橋逆變電路的輸出端以及三相隔離變壓器的二次側連接至控制電路的反饋輸入端；控制電路的反饋輸出端連接至三相全橋逆變電路的輸入端；
[0010]控制電路，用于獲取三相全橋逆變電路的每相電流的前饋信號以及三相隔離變壓器二次側的每相輸出電壓的反饋信號，根據電流的前饋信號和輸出電壓的反饋信號實現對三相全橋逆變電路的控制。
[0011]優選的，裝置還包括設置在三相隔離變壓器二次側的第一電容，控制電路通過檢測第一電容兩端的電壓獲取每相輸出電壓的反饋信號。
[0012]優選的，裝置還包括設置在三相功率管全橋逆變電路與交流濾波器組成的回路中的電流互感器，控制電路的反饋輸入端連接至電流互感器，用于通過電流互感器獲取每相電流的前饋信號。
[0013]優選的,控制電路包括:三相基準正弦波數字頻率相位合成單元、電壓頻率相位檢測單元、輸入端與三相基準正弦波數字頻率相位合成單元和電壓頻率相位檢測單元相連的第一 PI控制器、電壓反饋調理單元、輸入端與第一 PI控制器的輸出端和電壓反饋調理單元的輸出端相連的第二 PI控制器、輸入端與第二 PI控制器的輸出端相連的比較器以及輸入端與比較器的輸出端相連的驅動單元；
[0014]三相基準正弦波數字頻率相位合成單元，用于將給定的參考頻率生成包含相應相的相位和頻率的頻率相位指令信號；
[0015]電壓頻率相位檢測單元，用于將每相輸出電壓的反饋信號的頻率和相位信息進行分尚，獲取每相輸出電壓的反饋信號的相位和頻率；
[0016]第一 PI控制器，用于根據相應相的相位和頻率、每相輸出電壓的反饋信號的相位和頻率以及給定的參考電壓進行運算，生成相應相的電壓指令信號；
[0017]所述電壓反饋調理單元，用于將所述每相輸出電壓的反饋信號轉變為對應相的弱電壓反饋信號；
[0018]所述第二 PI控制器，用于根據所述的每相電流的前饋信號、所述的相應相的電壓指令信號以及所述的對應相的弱電壓反饋信號進行PI運算，并將得到的誤差信號與母線電壓通過相應的調制比運算得到相應相的輸出信號；
[0019]比較器，用于將相應相的輸出信號與對應的調制載波進行比較運算得到相應相的驅動信號；
[0020]驅動單元，用于根據相應相的驅動信號驅動對應的功率管。
[0021]優選的，三相全橋逆變電路由12個IGBT組成。
[0022]優選的，逆變電源的輸出頻率為45Hz?800Hz或IOOOHz。
[0023]本實用新型的有益效果是:
[0024]本實用新型中通過獲取相應相的輸出電壓的反饋信號和相應相的電流的前饋信號，對電壓的相位、頻率進行分析，通過電壓電流雙環多模控制方式，實現了對逆變電源輸出電壓的控制，使得在逆變電源的輸出頻率在45Hz?800Hz或1000Hz時，線電壓和相電壓均平衡，并實現了在100%不平衡負載下，輸出電壓的最大相角位移小于2°。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型中的三相大功率逆變電源主電路拓撲圖；
[0026]圖2為本實用新型中的三相大功率逆變電源控制原理圖；
[0027]圖3為本實用新型中的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0029]本實用新型實施例1提供了一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制裝置，該裝置包括三相大功率逆變電源和控制電路，其中，該三相大功率逆變電源包括:
[0030]由功率管組成的三相全橋逆變電路、交流濾波器以及三相隔離變壓器。
[0031]其中三相全橋逆變電路的輸出端與交流濾波器的輸入端相連，交流濾波器的輸出端接隔離變壓器的一次側，三相隔離變壓器的二次側呈“Y”型連接。
[0032]三相全橋逆變電路的輸出端以及三相隔離變壓器的二次側連接至控制電路的反饋輸入端；控制電路的反饋輸出端連接至三相全橋逆變電路的輸入端。
[0033]控制電路，用于獲取三相全橋逆變電路的每相電流的前饋信號以及三相隔離變壓器二次側的每相輸出電壓的反饋信號，根據電流的前饋信號和輸出電壓的反饋信號實現對三相全橋逆變電路的控制。
[0034]圖1示出了本實用新型實施例1中的三相大功率逆變電源的一種具體的主電路拓撲結構，其中直流電源DC與三相全橋逆變電路I相連，三相全橋逆變電路由12個功率管VG1-VG12組成，三相全橋逆變電路I的輸出端接交流濾波器2 (L2/C3、L3/C4、L4/C5)的電抗(L2、L3、L4)的一端。三相隔離變壓器3的一次側接交流濾波器2的電容(C3、C4、C5) —端，三相隔離變壓器3的二次側以U、V、W，N呈Y型連接。為后續方便獲取電壓信號和電流信號，參見圖1，本實用新型在三相隔離變壓器3的二次側連接電容C12、C13、C14,控制電路的反饋輸入端與電容C12、C13、C14相連，可以從其兩端獲取相應相的輸出電壓的反饋信號Sa、Sb、Sc。電容C12?C14可同時用于濾波。另外，本實用新型在三相全橋逆變電路I與交流濾波器2組成的回路中設置了電流互感器CT1、CT2、CT3，控制電路的反饋輸入端與電流互感器CTl、CT2、CT3相連，可以通過電流互感器CTl、CT2、CT3獲取相應相的電流前饋信號 la、lb、Ic0
[0035]上述VG1-VG2 具體的可以為 IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)。
[0036]在本實用新型的另一實施例中，如圖1所示，可在三相隔離變壓器3的二次側先連接電容C6?C11，再連接電容C12-C14.其中C6與C7串聯，C8與C9串聯、ClO與Cll串聯，電容C6?Cll用于濾除高次諧波。進一步的，可在電容C12?C14后連接開關KM6。該開關具體為接觸器。
[0037]通過上述主電路，直流DC經VG1-VG2組成的逆變橋轉變為SPWM(SinusoidalPulse Width Modulation)輸出，再通過L2/C3、L3/C4、L4/C5組成的交流濾波器濾波后形成正弦波輸出給三相隔離變壓器隔離后，以U、V、W、N三相Y輸出。
[0038]圖2為本實用新型提供的控制電路的一種具體結構圖，該控制電路具體包括:
[0039]三相基準正弦波數字頻率相位合成單元11、電壓頻率相位檢測單元121?123、輸入端與三相基準正弦波數字頻率相位合成單元和電壓頻率相位檢測單元相連的第一 PI控制器131-133，圖中第一 PI控制器具體為PIaUPIbl和PIcl。
[0040]該控制電路還包括電壓反饋調理單元141?143、輸入端與第一 PI控制器的輸出端和電壓反饋調理單元的輸出端相連的第二 PI控制器161?163以及輸入端與第二 PI控制器的輸出端相連的比較器171?173以及輸入端與比較器的輸出端相連的驅動單元181 ?183。
[0041]圖中第二 PI控制器具體為PIa2、PIb2和PIc2。
[0042]三相基準正弦波數字頻率相位合成單元11,用于將給定的Fref (referencefrequency,參考頻率)生成包含相應相的相位和頻率的頻率相位指令信號Fa、Fb和Fe。
[0043]電壓頻率相位檢測單元121?123，用于將每相輸出電壓的反饋信號的頻率和相位信息進行分離，獲取每相輸出電壓的反饋信號的相位和頻率。
[0044]具體的電壓頻率相位檢測單元121用于將電壓反饋信號Sa的頻率和相位信息進行分離，獲取其相位和頻率。電壓頻率相位檢測單元122用于將電壓反饋信號Sb的頻率和相位信息進行分離，獲取其相位和頻率。電壓頻率相位檢測單元123用于將電壓反饋信號Sc的頻率和相位信息進行分離，獲取其相位和頻率。
[0045]第一 PI控制器131?133，用于分別根據頻率相位指令信號Fa、Fb、Fe中包含的相應相的相位和頻率、每相輸出電壓的反饋信號Sa、Sb、Sc的相位和頻率以及給定的參考電壓Uref進行運算，分別生成相應相的電壓指令信號Ua、Ub、Uc。
[0046]電壓反饋調理單元141?143，用于將每相輸出電壓的反饋信號轉變為對應相的弱電壓反饋信號。該弱電壓反饋信號為第二 PI控制器可以接受的電壓信號。如將300V的電壓轉變為IOV繼而轉變為3.2V。
[0047]第二 PI控制器161?163，用于分別根據每相電流的前饋信號la、lb、Ic，相應相的電壓指令信號Ua、Ub、Uc以及對應相的弱電壓反饋信號進行PI運算，并將得到的誤差信號與母線電壓通過相應的調制比運算得到相應相的輸出信號。該母線電壓為直流電源DC兩側的電壓Udc。
[0048]比較器171?173，用于分別將相應相的輸出信號與對應的調制載波進行比較運算得到相應相的驅動信號。本實用新型的控制電路，如圖2所示，還可設置用于生成相應調制載波的調制載波單元151-153，具體的可以為SPWM調制載波單元。
[0049]驅動單元181?183，用于分別根據相應相的驅動信號驅動對應的功率管如圖1中所示的VG1-VG12。
[0050]驅動單元181具體的可用于驅動VG1、VG2、VG7和VG8 ;驅動單元182具體的可用于驅動VG3、VG4、VG9和VGlO ;驅動單元183具體的可用于驅動V5、VG6、VGll和VG12。
[0051]上述裝置通過相位、頻率，電壓電流雙環多模控制，實現了對逆變電源輸出電壓的控制，實現了逆變電源輸出電壓相位、頻率可設。即便逆變電源在寬頻(45Hz-800Hz)或高頻(1000Hz)輸出時，亦可實現平衡。對于100%不平衡負載，可使線電壓的相角偏移小于2°。
[0052]本實用新型實施例2還提供了一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制方法，應用在上述的裝置中，如圖3所示，該方法包括:
[0053]S11、控制電路獲取三相全橋逆變電路的每相電流的前饋信號并獲取三相隔離變壓器二次側的每相輸出電壓的反饋信號；
[0054]S12、控制電路根據電流的前饋信號和輸出電壓的反饋信號生成相應相的驅動信號;
[0055]S13、控制電路根據相應相的驅動信號驅動對應的功率管。
[0056]在另一實施例中，上述裝置還包括設置在三相隔離變壓器二次側的第一電容，此時控制電路可通過檢測第一電容兩端的電壓獲取每相輸出電壓的反饋信號。[0057]另外，裝置還包括設置在三相功率管全橋逆變電路與交流濾波器組成的回路中的電流互感器，控制電路的反饋輸入端連接至電流互感器，此時，控制電路可通過電流互感器獲取每相電流的前饋信號。
[0058]本實用新型控制電路可具體包括:三相基準正弦波數字頻率相位合成單元、電壓頻率相位檢測單元、輸入端與三相基準正弦波數字頻率相位合成單元和電壓頻率相位檢測單元相連的第一 PI控制器、電壓反饋調理單元、輸入端與第一 PI控制器的輸出端和電壓反饋調理單元的輸出端相連的第二 PI控制器、輸入端與第二 PI控制器的輸出端相連的比較器以及輸入端與比較器的輸出端相連的驅動單元，此時，
[0059]三相基準正弦波數字頻率相位合成單元將給定的參考頻率生成包含相應相的相位和頻率的頻率相位指令信號；
[0060]電壓頻率相位檢測單元將每相輸出電壓的反饋信號的頻率和相位信息進行分離，獲取每相輸出電壓的反饋信號的相位和頻率；
[0061]第一 PI控制器根據相應相的相位和頻率、每相輸出電壓的反饋信號的相位和頻率以及給定的參考電壓進行運算，生成相應相的電壓指令信號；
[0062]電壓反饋調理單元將每相輸出電壓的反饋信號轉變為對應相的弱電壓反饋信號。
[0063]第二 PI控制器根據的每相電流的前饋信號、相應相的電壓指令信號以及對應相的弱電壓反饋信號進行PI運算，并將得到的誤差信號與母線電壓通過相應的調制比運算得到相應相的輸出信號；
[0064]比較器將相應相的輸出信號與對應的調制載波進行比較運算得到相應相的驅動信號;
[0065]驅動單元根據相應相的驅動信號驅動對應的功率管。
[0066]以上的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應注意的是，以上僅為本實用新型的一個具體實施例而已，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種三相大功率逆變電源的負載不平衡控制裝置，其特征在于，所述裝置包括:由功率管組成的三相全橋逆變電路、交流濾波器、三相隔離變壓器以及控制電路； 其中所述三相全橋逆變電路的輸出端與所述交流濾波器的輸入端相連，所述交流濾波器的輸出端接所述隔離變壓器的一次側，所述三相隔離變壓器的二次側呈“Y”型連接； 所述三相全橋逆變電路的輸出端以及所述三相隔離變壓器的二次側連接至所述控制電路的反饋輸入端；所述控制電路的反饋輸出端連接至所述三相全橋逆變電路的輸入端； 所述控制電路，用于獲取所述三相全橋逆變電路的每相電流的前饋信號以及所述三相隔離變壓器二次側的每相輸出電壓的反饋信號，根據所述電流的前饋信號和所述輸出電壓的反饋信號實現對所述三相全橋逆變電路的控制。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括設置在所述三相隔離變壓器二次側的第一電容，所述控制電路通過檢測所述第一電容兩端的電壓獲取所述每相輸出電壓的反饋信號。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括設置在三相功率管全橋逆變電路與所述交流濾波器組成的回路中的電流互感器，所述控制電路的反饋輸入端連接至所述電流互感器，用于通過所述電流互感器獲取所述每相電流的前饋信號。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制電路包括:三相基準正弦波數字頻率相位合成單元、電壓頻率相位檢測單元、輸入端與所述三相基準正弦波數字頻率相位合成單元和所述電壓頻率相位檢測單元相連的第一 PI控制器、電壓反饋調理單元、輸入端與所述第一 PI控制器的輸出端和所述電壓反饋調理單元的輸出端相連的第二 PI控制器、輸入端與所述第二 PI控制器的輸出端相連的比較器以及輸入端與所述比較器的輸出端相連的驅動單元； 所述三相基準正弦波數字頻率相位合成單元，用于將給定的參考頻率生成包含相應相的相位和頻率的頻率相位指令信號； 所述電壓頻率相位檢測單元，用于將所述每相輸出電壓的反饋信號的頻率和相位信息進行分離，獲取所述每相輸出電壓的反饋信號的相位和頻率； 所述第一 PI控制器，用于根據所述相應相的相位和頻率、所述每相輸出電壓的反饋信號的相位和頻率以及給定的參考電壓進行運算，生成相應相的電壓指令信號； 所述電壓反饋調理單元，用于將所述每相輸出電壓的反饋信號轉變為對應相的弱電壓反饋信號； 所述第二 PI控制器，用于根據所述的每相電流的前饋信號、所述的相應相的電壓指令信號以及所述的對應相的弱電壓反饋信號進行PI運算，并將得到的誤差信號與母線電壓通過相應的調制比運算得到相應相的輸出信號； 所述比較器，用于將所述相應相的輸出信號與對應的調制載波進行比較運算得到相應相的驅動信號； 所述驅動單元，用于根據所述相應相的驅動信號驅動對應的所述功率管。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述三相全橋逆變電路由12個IGBT組成。
6.如權利要求1-5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述逆變電源的輸出頻率為45Hz ?800Hz 或 IOOOHz。
【文檔編號】H02M7/5387GK203522574SQ201320636257
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】袁俊國, 曹慧軍, 宋志強 申請人:艾普斯電源（蘇州）有限公司