专利名称：具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电源与变频器技术领域，具体涉及一种具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，适用于各种包括变频器在内的各种可连接直流电源的负载单元。
背景技术：
变频器作为一种高精度的自动控制装置，目前已广泛应用于工业系统，在许多重要的旋转负载场合，如在发电厂中，都大量采用变频器拖动电机调速的控制方式。对于重要负荷而言，因电网扰动或短时故障引起的变频器停机所造成的结果是极其严重的，总结目前实际运行中出现的故障类型，多数情况下变频器停机的主要原因是电网电压跌落。针对上述情况分析其原因，变频器一般采用交流电源输入，经内部整流后转换为直流电源，对此直流电源进行逆变以实现对电机的控制。变频器进行内部逆变时，内部直流母线电压需维持在一定范围内，过低的直流母线电压无法保证逆变的正常运行从而会内部触发欠压保护。当电网电压发生故障电压幅值跌落时，对于变频器而言，导致的直接后果是内部直流母线电压降低，当直流母线电压低于欠压保护值时，将触发变频器保护，造成变频器停机，从而导致负荷停机，对生产造成严重影响。针对上述情况，需要寻求一种新型的变频器装置，能够跨越系统低电压跌落过程，保证负载的持续、可靠运行。为解决以上问题，当前有通过为变频器增加UPS动力电源或在变频器直流线处增加直流蓄电池支撑的方法，来解决低电压停机问题，但在上述方案中均引入了蓄电池，蓄电池对温度和运行环境要求高、需定期进行全充、全放操作、电池造价高等问题，制约了这两种方案的广泛推广。
发明内容
为克服现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，用于解决电网交流电源电压发生电压跌落时，变频器停机、触发保护或工作状态异常等情况。变频器动态电压补偿装置可以在系统电压跌落时，为变频器拖动系统提供稳定的动力电源和控制电源，维持拖动系统的连续、可靠、平稳运行。本发明的具体方案如下—种具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，该变频器动态电压补偿装置串接于电网三相交流电源与变频器之间，所述变频器动态电压补偿装置包括动态调压电路和整流电路，其特征在于所述动态调压电路由结构相同的三相动态调压电路组成，所述三相动态调压电路分别由隔离变压器、单相全波整流电路、直流母线支撑电容、单相全桥逆变电路、输出LC滤波电路组成，其中隔离变压器的副边绕组连接至单相全波整流电路的交流输入侧，所述单相全波整流电路的直流输出侧并联直流母线支撑电容后连接至所述单相全桥逆变电路的输入侧，所述单相全桥逆变电路的输出侧一端联接至所述输出LC滤波电路的电感，单相全桥逆变电路输出侧的另一端联接至所述输出LC滤波电路中的电容，所述输出LC滤波电路中电感与输出LC滤波电路中的电容串联；所述三相动态调压电路中的隔离变压器原边绕组两端分别连接至电网三相交流电源对应的相线与零线，三相动态调压电路中的输出LC滤波电路中的电容则分别串接在三相交流电源对应的相线路中；所述整流电路由三相不控整流桥与整流电路直流母线支撑电容构成，所述三相交流电源各相线路分别串接各相动态调压电路中输出LC滤波电路的电容后连接至所述三相不控整流桥的输入端，三相不控整流桥的输出端两极之间连接整流电路直流母线支撑电容。本发明具有以下有益效果本发明所述具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置应用于工业变频器拖动场合时，当电网电压发生跌落时，可动态调节补偿装置的输出电压，通过对电网电压的补偿，从而使得变频器的直流母线电压在变频器的正常工作范围内，从而保证在电网电压跌落的整个过程中，变频器不因触发直流欠压保护停机，变频器所带负荷正常工作；当电网电压正常时，变频器动态电压补偿装置处于待机工作模式，不影响变频器运行。
图I为具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置拓扑结构示意图；图2为电网电压监控模块子程序流程图；图3为动态调压电路自动控制模块主程序流程图；图4为集成自检系统程序流程图。
具体实施例方式下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。如图I所示为本发明的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置的结构示意图。实施例I :变频器动态电压补偿装置由两部分组成动态调压电路1，由三相动态调压电路组成；整流电路2，三相不控整流电路与直流母线支撑电容组成；三相调压电路各相电路结构、参数相同，三相调压电路分别由隔离变压器、单相全波整流电路、全桥逆变电路、输出LC滤波电路组成。所述三相调压电路中的隔离变压器原边分别连接至所述三相交流电源的对应相线与零线，所述隔离变压器副边连接至所述单相全波整流电路。所述单相全波整流电路交流输入侧联接至所述隔离变压器副边，直流输出侧联接至所述直流母线支撑电容与所述单相全桥逆变电路的联接处。所述直流母线支撑电容一端联接至所述单相全波整流电路输出正极，另一端联接至所述单相全波整流电路输出负极。所述单相全桥逆变电路由四个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成，联接方式为两串后再两并。所述单相全桥逆变电路输入侧一端联接至直流母线支撑电容与单相全波整流电路输出正极的联接处，所述单相全桥逆变电路输入侧的另一端联接至直流母线支撑电容与单相全波整流电路输出负极的联接处；所述单相全桥逆变电路的输出侧一端联接至所述输出 LC滤波电路的电感一端，所述单相全桥逆变电路输出侧的另一端联接至所述输出LC滤波电路中电容的一端，LC滤波电路中的电感的另一端与LC滤波电路中电容的另一端相连。
所述三相动态调压电路中的输出LC滤波电路中的电容则分别串接在三相交流电源的对应相线路中。在本实施例I中，例如第一动态调压电路从电网电源A相取电，输出 LC滤波电路中的电容串入电网三相交流电源A相线路中进行电压补偿；而第二动态调压电路从电网电源B相取电，输出LC滤波电路中的电容串入电网三相交流电源B相线路中进行电压补偿；而第三动态调压电路从电网电源C相取电，输出LC滤波电路中的电容串入电网三相交流电源C相线路中进行电压补偿。所述整流电路2由三相不控整流桥与直流母线支撑电容构成，将输入的三相交流电源经输出LC滤波电路的电容后的三相交流电能转换为直流电能，并输出到整流电路2中的直流母线支撑电容，该部分采用全波不控整流电路，不控整流桥由二极管模块构成。所述三相交流电源经输出LC滤波电路的电容后连接至所述三相不控整流桥的输入端，三相不控整流桥的输出端两极之间连接直流母线支撑电容。所述变频器动态电压补偿装置在电网三相交流电源电压正常时，动态调压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作于待机状态，不进行开关控制；所述变频器动态电压补偿装置在电网发生故障，三相交流电源电压跌落至预定控制值以下时，动态调压电路中的开关器件绝缘栅双极型晶体管IGBT工作，对电网电压进行动态补偿，使所述三相不控整流桥输入端的交流电压保持稳定及三相不控整流桥的输出直流电压保持稳定。在实施例I中，各相调压电路经隔离变压器从电网取电，并经单相全波整流电路转换为直流电在直流母线支撑电容处进行储能，直流电压经全桥逆变电路后转换为交流电压，并经输出LC滤波电路进行滤波，输出LC滤波电路中的电容串入电网进行电压补偿。当电网电压正常时，各相调压电路中全桥逆变电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT不动作，即动态调压电路不对电网电压进行补偿，当电网发生故障，电网电压发生跌落时，调压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT动作，通过控制占空比即可控制各相调压电路输出电压以补偿电网电压，以使所述三相不控整流桥的输入交流电压保持稳定，从而保证三相不控整流桥输出电压稳定。该变频器动态电压补偿装置可提供一路或多路直流稳压动力电源，即该变频器电源输出可同时为多台变频器供电，其连接方式为变频器动态电压补偿装置主功率输出P 端连接二极管阳极，该二极管阴极连接到变频器的直流输入端子的正极性端。变频器动态电压补偿装置主功率输出N端连接另一个二极管阴极，该二极管阳极连接到变频器的直流输入端子的负极性端子，其它各台变频器连接方式与上述方式相同。在实施例I中，具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置可以只包括动态调压电路I、整流电路2两部分。通过外部的电网电压检测电路检测电网电压状态，在外部电网电压检测电路检测到电网电压跌落至控制预定值以下时，通过外部的控制系统控制驱动动态调压压电路I动作，进行动态调压控制，补偿电网电压以保证三相不控整流桥输出电压即变频器直流母线电压稳定，从而保证在电网整个低电压过程中变频器动态电压补偿装置能输出稳定的直流电压，从而保证变频器不停机。实施例2 :本申请具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置除了包括实施例I中所述的动态调压电路I、整流电路2以外，还进一步包括不间断电源(UPS)和变压器的二次电源输出电路3，以便提一路或多路交流控制电源。所述不间断电源UPS输入端连接至电网三相交流电源，其输出端连接至变压器，UPS从电力系统获取能量，对内部蓄电池进行充电，在系统电压跌落时，蓄电池可保证UPS正常的交流输出。变压器可实现将UPS输出的220V交流单相电压变换为IlOV或380V电压送出。实施例3 :在实施例3中，本申请的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置除了具有实施例I和/或2的部分以外，还可以进一步包括集成在变频器动态电压补偿装置内部的控制电路4，所述控制电路4包括信号采集模块、电网电压监控模块、动态调压电路自动控制模块。信号采集模块是将功率电路测得的电压电流信号转化为电网电压监控模块和动态调压电路自动控制模块所能接收的信号。电网电压经信号采集电路，连接至电网电压监控模块，所述电网电压监控模块采集电网三相电压，通过坐标变换的方法，实时计算电力系统电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压是否跌落至预定值以下，作为动态调压电路的启动判据；电网电压、三相不控整流桥的输入交流电压经信号采集模块传送至动态调压电路自动控制模块；各相调压电路中的直流母线电压及直流电流，经信号采集模块采集后传送至动态调压电路自动控制模块。所述动态调压电路自动控制模块的输出端分别连接至各相调压电路中全桥逆变电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极。动态调压电路自动控制模块接收到电压、电流信号后，先进行快速保护计算以判断是否有故障发生，若无故障发生， 当接收到启动信号时将调用相关控制子程序控制各相调压电路中的绝缘栅双极型晶体管 IGBT的开通和关断，以补偿电网电压，保证三相不控整流桥输入交流电压稳定，从而保证三相不控整流输出的直流母线电压即变频器直流母线电压稳定。通过以上手段，可保证在电网发生跌落故障时，变频器可正常工作，调压电路启动时间小于lOOus。所述变频器动态电压补偿装置的控制方法是按如下步骤进行电网电压监控模块的控制方法如图2所示，其实时对电网电压进行采样并计算， 通过坐标变换和正负序分离，实时计算电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压是否跌落至预设控制值以下，并向控制模块发出调压控制启动指令，步骤一采集电网电压、电流、直流电压、电流数据；步骤二 对采集数据进行转换，传送至动态调压电路自动控制模块；步骤三将采集的电网电压数据进行坐标变换，提取正序分量；步骤四判断电压值是否低于预设启动值，若低于预设启动值，则向动态调压电路自动控制模块发出启动信号并返回步骤一，若不低于预设启动值，则进入步骤五；步骤五判断电压值是否恢复至正常，若电压值持续大于设定的恢复值100ms，则向动态调压电路自动控制模块发出退出信号，返回步骤一，若不满足恢复条件，不向动态调压电路自动控制模块发出退出信号，直接返回步骤一。动态调压电路自动控制模块接收到电网电压监控模块发出的启动信号后，调用调压控制子程序。所述自动控制模块的控制方法如图3所示，其步骤如下步骤一对采集模块传送的电网电压、电流、直流电压、电流进行快速保护计算，如发生保护进入步骤二，否则进入步骤三；步骤二 封锁调压电路中IGBT脉冲，清除启动标记位，返回至步骤一；步骤三若接至启动信号，调用调压控制程序；
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步骤四调用bang-bang控制程序，保证在调压控制中，出现电压超调较大，变频器直流母线电压超过bang-bang限值后,退出调压自动控制模块,若超过bang-bang限值, 执行步骤六；若未超过bang-bang限值,进入步骤五；步骤五判断是否接收到退出信号，若接收到，进入步骤六，否则返回步骤一；步骤六封脉冲，清除启动标记位，调压控制模块退出；实施例4 :在实施例3的基础上，本申请具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置还可以在所述自动控制模块中集成自检系统。所述动态调压电路自动控制模块中集成的自检系统，不同于常规意义的开机自检系统，所述自检系统依据设定的时间间隔，如每天上午10点钟，在电网三相电压正常的条件下，控制每相调压支路中的缘栅双极型晶体管IGBT进行开关动作，并将补偿后的交流电压抬升至略高于正常的交流电压水平，以此判断绝缘栅双极型晶体管IGBT、驱动电路及控制模块是否正常工作，以便及时安排检修，该功能是蓄电池等直流电源都不具备的特性。自检系统的控制方法如图4所示，其执行步骤如下步骤一判断当前时刻，是否为上午10点钟；步骤二 判断电网电压监控模块是否输出启动信号，若输出启动信号，则延时24 小时后，再一次启动自检程序；否则执行步骤三；步骤三调用调压控制程序，其控制方法如图4所示；步骤四调用bang-bang控制程序，保证在调压控制中，出现电压超调较大，变频器直流母线电压超过bang-bang限值时，退出调压自动控制模块；否则继续执行步骤四；步骤五2秒钟后，判断自检是否通过；若满足I. 03Uacref < Uac < I. 07Uacref, (此时，Uac控制目标为I. 05pu)则判断为自检通过；否则自检未通过，用户可查看控制器保护发出的故障信号来进一步进行故障排查和安排检修；步骤六返回至步骤一。本发明中，动态调压电路部分的IGBT平时处于待机状态，即在三相系统电压正常时，动态调压电路的IGBT不进行开关动作，电能经三相系统、整流桥、二极管送入变频器直流端子。装置中集成了电网电压监控模块，通过坐标变换的方法，实时计算电力系统三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值作为动态调压电路的启动及退出判据。装置中集成的动态调压电路自动控制模块，依据电网电压监控模块的实时输出电压值与外部设定的启停门限值，对调压电路进行滞环控制，启停时间反应时间小于lOOus。动态调压环节， 是通过控制IGBT的开关动作，进而启动三相动态调压电路来实现，三相动态调压电路可保证装置输出直流电源电压恒定，其电压值与系统电压未跌落时的工作电压一致。装置所连接的变频器系统工作状态不受系统电压跌落的影响，其所连接电机的转速、转矩、功率均维持不变。以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。
权利要求
1.一种具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，该电压补偿装置串接于电网三相交流电源与变频器之间，所述变频器动态电压补偿装置包括动态调压电路和整流电路；其特征在于所述动态调压电路由结构相同的三相动态调压电路组成，所述三相动态调压电路分别由隔离变压器、单相全波整流电路、直流母线支撑电容、单相全桥逆变电路、输出LC滤波电路组成，其中隔离变压器的副边绕组连接至单相全波整流电路的交流输入侧，所述单相全波整流电路的直流输出侧并联直流母线支撑电容后连接至所述单相全桥逆变电路的输入侧，所述单相全桥逆变电路的输出侧一端联接至所述输出LC滤波电路的电感，单相全桥逆变电路输出侧的另一端联接至所述输出LC滤波电路中的电容，所述输出LC滤波电路中电感与输出LC滤波电路中的电容串联；所述三相动态调压电路中的隔离变压器原边绕组两端分别连接至电网三相交流电源中对应的相线与零线，三相动态调压电路中的输出LC滤波电路中的电容则分别串接在三相交流电源对应的相线路中；所述整流电路由三相不控整流桥与整流电路直流母线支撑电容构成，所述三相交流电源各相线路分别串接各相动态调压电路中输出LC滤波电路的电容后连接至所述三相不控整流桥的输入端，三相不控整流桥的输出端两极之间连接整流电路直流母线支撑电容。
2.根据权利要求I所述的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，其特征在于所述单相全桥逆变电路由四个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成，联接方式为分别由两个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成两个串联支路，两个串联支路并联连接。
3.根据权利要求2所述的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，其特征在于所述变频器动态电压补偿装置在电网三相交流电源电压正常时，三相动态调压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT工作于待机状态，不进行开关控制；所述变频器动态电压补偿装置在电网发生故障，三相交流电源电压跌落至预定控制值以下时，三相动态调压电路中的开关器件绝缘栅双极型晶体管IGBT工作，对电网电压进行动态补偿，使所述三相不控整流桥输入端的交流电压保持稳定及三相不控整流桥的输出直流电压保持稳定。
4.根据权利要求3所述的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，其特征在于该变频器动态电压补偿装置可提供一路或多路直流稳压动力电源。
5.根据权利要求I或2所述的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，其特征在于所述变频器动态电压补偿装置还进一步包括不间断电源UPS和变压器，所述不间断电源UPS输入端连接至电网三相交流电源，其输出端连接至变压器，将不间断电源UPS输出的交流电压进行变换，提供一路或多路为220V和/或380V和/或IlOV交流稳压控制电源。
6.根据权利要求2或3所述的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，其特征在于所述变频器动态电压补偿装置内部还集成电网电压监控模块，采集电网三相电压，通过坐标变换的方法，实时计算电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压状态，作为调压电路的启动或退出判据。
7.根据权利要求6所述的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，其特征在于所述变频器动态电压补偿装置还进一步集成动态调压电路自动控制模块，该自动控制模块的输入端连接至所述电网电压监控模块的输出端，所述自动控制模块的输出端分别连接至三相动态调压电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，对三相动态调压电路进行滞环自启动控制，自启动时间小于lOOus。
8.根据权利要求7所述的具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，其特征在于所述变频器动态电压补偿装置还能够在所述动态调压电路自动控制模块中进一步集成自检系统，自检系统依据设定的时间间隔，在电网三相电压正常的条件下，控制每相全桥逆变电路中的缘栅双极型晶体管IGBT进行开关动作，并将变频器动态电压补偿装置的输出电压抬升至略高于正常整流输出的电压水平，以此判断绝缘栅双极型晶体管IGBT及其驱动电路是否可以正常工作。
全文摘要
本发明公开了一种具有低电压穿越能力的变频器动态电压补偿装置，该装置主要由动态电压调节电路、整流电路两部分构成。变频器动态电压补偿装置串接于电网与变频器之间，电网电压经动态调压电路、整流电路转换为直流电压后输入变频器直流母线。变频器动态电压补偿装置采用平时待机，交流电压故障跌落时动作的控制方式，即当三相交流电压正常时，电压补偿装置开关器件不动作；当电网电压发生故障，跌落至一定程度时，电压补偿装置启动，动态调压电路投入运行，开关器件动作，对电网电压进行动态补偿，使得整流电路输入侧的交流电压稳定，从而保证整流桥直流输出电压稳定，确保在系统电压发生跌落时，补偿装置始终输出稳定的直流电压以确保变频器不停机，拖动电机输出转速、转矩、功率不发生变化。
文档编号H02M5/458GK102593822SQ20121001663
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者王皆庆, 王立超, 陈建卫 申请人:北京四方继保自动化股份有限公司