基于电力电子变压器的高压变频器预充电装置及充电方法与流程

本发明涉及一种给高压变频器进行预充电的方法及装置，特别是应用了电力电子变压器技术，用于在高压变频器主电路高压上电之前，对高压变频器直流母线电容进行预充电，可避免了直接上电造成的能量损耗及器件损坏，属于高压变频器技术领域。

背景技术：

随着电力电子技术的发展和高压变频器技术研究深入，高压变频器日益广泛地被应用到风机、水泵、压缩机等大功率机械设备的驱动系统中，特别是级联型高压变频器作为适合中国国情、性能优异的变频器，受到众多变频器生产厂商、科研院所、工程技术人员、用户等的青睐。

此种高压变频器在每次开机运行时，需要先建立直流母线电压，由于级联型高压变频器的每相电压都是由多个功率单元串联输出构成的，而每个独立功率单元也有许多电容，因此整个系统在上电时，对巨大的输入冲击电流进行抑制是十分必要的，这时就迫切地需要一种预充电电路来减小冲击电流，使其对电网和本系统的冲击降低到合理的范围，从而提高系统的可靠度，也减小对电网的干扰。

目前在普通级联型高压变频器中，对上电冲击电流的控制方法主要有如下几种：

一种方法是在变频器的高压输入侧安装激磁涌流抑制电路。该电路由限流电阻和与之并联的高压开关组成。该电路串联在高压电源与高压变频器的输入端之间，在高压上电前，高压开关处于断开状态，通过限流电阻对高压变频器进行充电，充电完成后，闭合高压开关，充电工程结束。由于该电路属于高压电路，所用的器件为高压器件，所用成本高，而且因为通过限流电阻对高压变频器进行充电，能耗也大。

另一种方法是通过低压电源和限流电阻向整流变压器的辅助绕组供电，通过变压器在副边绕组上产生感应电压，对功率单元的直流电容进行充电。随着充电过程的进行，逐渐用接触器旁路掉部分限流电阻，充电完成后，断开充电电路，闭合高压开关。这种方法虽然能够实现用低压电源对变频器的充电，但也存在一定问题，主要是由于整流变压器整机的额定容量远大于其辅助绕组的额定容量，因此通过辅助绕组激磁时，稳态激磁电流非常大，过大的激磁电流会在限流电阻上产生过大的电压降，如果选择较少的接触器，每次旁路的电阻阻值较大，则每次旁路突加在辅助绕组上的电压较高，从而每次用接触器旁路电阻时会对低压电源产生很大的冲击电流，同时也对功率单元中的直流电容有一定的冲击，如果选择较多的接触器，则成本又较高；其次，如果为了节省成本，省去最后一级接触器，在断开充电电路前未旁路所用限流电阻，则考虑到电阻上的电压降，预充电是不充分的，在高压上电时仍会有冲击电流；最后就是由于过大的激磁电流使电阻严重发热，因而此电路需要采用大功率电阻，体积大，成本高，效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种由单相低压电源输入的预充电装置，实现对高压变频器预充电；该装置可靠性高，而且装置的组成单元都是低压元器件，成本低廉。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样得以实现的：一种基于电力电子变压器的高压变频器预充电装置，其特点是：包括预充电单元以及预充电控制单元，其中预充电单元包括单相桥式脉冲宽度调制电路、高频变压器、多组单相桥式不控整流串联电路三个部分；预充电控制单元包括采样电路、补偿电路、驱动电路、信号输送电路、单片机五个部分。

一种基于电力电子变压器的高压变频器预充电装置的充电方法，其特点是：首先将输入的单相低压交流电源经单相桥式脉冲宽度调制电路、高频变压器、单相桥式不控整流电路，也就是利用电力电子变压器原理，通过单相全控桥和高频变压器直接将单相工频交流电调制成高频方波，然后经不控整流桥变为所需要的直流电，即经过了ac/ac-ac/dc的变换，再将多组单相桥式不控整流电路输出的直流电压串联起来，得到的总的直流电压给变频器直流母线电容充电；其次通过控制单相桥式脉冲宽度调制电路中八个开关器件的导通、关断及导通时间，使变频器直流母线电容充电所用的直流电压幅值以一定的斜率由低升高，直至电容两端电压达到所需要的阈值；然后切断预充电单元，同时发送预充电完成信号给变频器控制系统。

还通过检测高压变频器直流母线电容两端的电压，进行闭环控制，确保电容两端电压幅值按要求升高，避免出现尖峰电流或电压，造成设备损坏。

本发明与其他预充电技术方案相比，有益效果如下：1、由于充电电压通过电压闭环调节控制，省去了充电电阻，在预充电过程中几乎没有能量损耗。2、高频变压器原、副边都是低压电路，体积小，成本低廉。3、通过改变基准电压信号，高频变压器副边分绕组的个数以及线圈匝数，本发明的高压变频器预充电装置可适用于不同类型及功率大小的高压变频器。4、利用高频变压器将预充电电路与变频器主电路隔离，安全可靠，预充电电路出现故障也不影响到变频器主电路安全；

附图说明

图1是本发明提供的高压变频器预充电装置的结构框图。

图2是本发明提供的高压变频器预充电装置中预充电单元的电路图。

图3是本发明提供的高压变频器预充电装置中预充电控制单元控制系统图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明提供的高压变频器预充电装置，通过单相全控桥和高频变压器直接将单相工频交流电调制成高频方波，然后经不控整流桥变为所需要的直流电；包括预充电单元以及预充电控制单元，预充电单元包括单相桥式脉冲宽度调制电路、高频变压器、多组单相桥式不控整流串联电路三个部分。

如图2所示，所述预充电单元连接在低压单相交流电与高压变频器直流母线电容之间，用于在高压变频器主电路上电之前，对高压变频器直流母线电容进行充电，避免高压直接上电造成对高压变频器整流桥、直流母线及电容的损坏；采用低压单相交流电源ac220v输入，经过单相桥式脉冲宽度调制电路，输出脉宽可控的高频交流方波v1，加在高频变压器原边绕组n0上，高频变压器副边由多个分绕组组成，分别为n1～nn，感应生成电压v1～vn，将感应电压v1～vn经对应的单相桥式不控整流电路得到的直流电压串联起来，得到总的直流电压vσ，用于给高压变频器直流母线电容充电。

高压变压器副边每个分绕组的线圈匝数尽可能相等，具体匝数根据单相桥式不控整流电路中的低压功率元器件的工作电压确定，分绕组的数量由所需的高压变频器直流母线电容充电电压vσ，以及每个分绕组的线圈匝数确定。

如图3所示，所述预充电控制单元用于在预充电过程中，起动所述预充电单元，控制预充电单元电压输出幅值，并通过检测高压变频器直流母线电容两端的电压，进行闭环控制，待高压变频器直流母线电容两端电压达到预设的电压阈值时，切断预充电单元,同时发送预充电完成信号给高压变频器控制系统。预充电控制单元是将单相工频交流电直接调制成高频方波。首先给定一个基准电压信号uref，该电压信号幅值以一定的斜率由低到高，其次通过采样电路得到的所述直流电压vσ的采样信号uf，将uf与基准电压uref比较并经补偿电路调节后得到控制信号uc，单片机根据输入信号uc，发出pwm控制脉冲波信号upwm，upwm再经驱动电路控制所述单相桥式脉冲宽度调制电路中的开关器件的导通、关断及导通时间，由此实现所述直流电压vσ的幅值按照基准电压信号uref的幅值斜率，由低升高。

在所述的直流电压vσ按要求达到所需要的阈值时，单片机停止发出pwm控制脉冲波信号upwm，切断预充电单元，同时发出控制信号ussr，ussr通过信号输送电路将预充电完成信号发送给高压变频器控制系统，高压变频器控制系统根据此信号接通变频器主电路电源，高压变频器便可以正常运转。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。