一种多功能模块式电能变换装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多功能模块式电能变换装置，包括由主电路以及与之连接的驱动电路、信号调理电路和辅助电路组成；所述主电路由三相PWM整流电路和三相逆变电路组成；所述主电路采用TMS320F2812作为核心处理器，实现对与主电路相连接的三相桥式电路静止无功发生器、三相桥式电路电机变频器、三相有源电力滤波器、三相桥式电路PWM整流器的电压检测、电流检测以及矢量控制；该装置采用PLC控制器实现不同功能转换，通过控制其接触器的通断，形成不同的功能拓扑结构，配上DSP控制器以不同的控制策略对三相桥式电力变换器进行控制，所述辅助电路由开关电源、保护电路及三相异步电机组成，能以最少的器件实现多种电力变换功能。
【专利说明】
-种多功能模块式电能变换装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及电能变换技术领域，具体为一种多功能模块式电能变换装置。
【背景技术】
[0002] 电力电子装置中的功率器件除较少工作在线性放大状态外，大多工作在开关状 态，在实现变流的同时，也带来副作用，如对电网产生了 "污染"。如传统的二极管整流器、相 控晶闽管整流器，其在运行过程中，网侧存在大量的谐波成分，并且功率因数较低，必须加 W限制。与此同时，在电力传动装置中，直接起动电机时起动电流很大，对电网冲击大，由此 会造成电网电流瞬间增加，电压下降，对其它运行中设备造成影响，甚至会威胁到相关设备 的安全运行。 【实用新型内容】
[0003] 针对W上问题，本实用新型提供了一种多功能模块式电能变换装置，可W有效解 决【背景技术】中的问题。
[0004] 为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种多功能模块式电能变换装 置，包括由主电路W及与之连接的驱动电路、信号调理电路和辅助电路组成;所述主电路由 S相HVM整流电路和S相逆变电路组成;所述主电路采用TMS320F2812作为核屯、处理器，实 现对与主电路相连接的=相桥式电路静止无功发生器、=相有源电力滤波器、=相桥式电 路电机变频器、=相桥式电路PWM整流器的电压检测、电流检测W及矢量控制；该装置采用 PLC控制器实现不同功能转换，通过控制其接触器的通断，形成不同的功能拓扑结构，配上 DSP控制器W不同的控制策略对=相桥式电力变换器进行控制，所述辅助电路由开关电源、 保护电路及=相异步电机组成。
[0005] 优选的，所述DSP控制器发出的卵M信号经过74HC06忍片进行电平转换之后，送给 光禪TLP250忍片，信号经隔离放大电路放大后来驱动功率管。
[0006] 优选的，所述化C控制输出两类信号，一类是控制DSP控制器执行S相桥式电力变 换器的控制策略;另一类是控制接触器改变主电路拓扑的信号。
[0007] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[000引（1)将=相桥式电路静止无功发生器、=相有源电力滤波器、Pmi整流器和变频器 等多种电力变换拓扑归纳成=相桥式电路运个主模块和各类子模块的有机组合。通过运个 思路构建集多种电能变换功能于一身的电力变换器，一个多功能模块式电能变换装置仅包 含1个DSP控制器、1个化C控制器、1套S相桥式电路和若干继电器、接触器，能W最少的器件 实现多种电力变换功能。
[0009] (2)PWM整流器部分已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于能量的双向传输， 当PWM整流器从电网吸取能量时，运行于整流工作状态;而当PWM整流器向电网传输电能时， 则运行于有源逆变工作状态。能实现单位功率因数运行。因此，PWM整流器实际上是一个其 交直流侧可控的四象限运行的整流装置。
[0010] (3)PWM整流器部分、无功补偿器部分能减轻电力电子装置对电网的污染，电动机 WVF软启动装置部分相比于传统的星角启动或是晶闽管软启动器，大大减轻了对电网的冲 山O
【附图说明】
[0011] 图1为本实用新型装置电气原理图；
[001^ 图2为本实用新型化C控制原理图；
[0013] 图3为本实用新型静止无功发生器示意图；
[0014] 图4为本实用新型PWM整流器示意图；
[0015] 图5为本实用新型S相PWM整流器电路图；
[0016] 图6为本实用新型S相逆变器电路图；
[0017] 图7为本实用新型=相静止无功或=相有源电力波器电路图；
[0018] 图8为本实用新型电压过零检测电路原理图；
[0019] 图9为本实用新型隔离驱动电路图；
[0020] 图10为本实用新型单相等效电路图；
[0021 ]图11为本实用新型电流超前示意图；
[0022] 图12为本实用新型电流滞后示意图；
[0023] 图13为本实用新型滞环比较法示意图；
[0024] 图14为本实用新型VWF的控制特性示意图；
[0025] 图15为本实用新型不对称规则采样法示意图；
[0026] 图16为本实用新型环电流控制框图示意图
[0027] 图17为本实用新型为本实用新型IGBT桥交流侧电压关系图；
[00%]图18为本实用新型S相桥式电路结构示意图；
[0029] 图19为本实用新型装置模块化结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0031] 实施例：
[0032] 请参阅图1至图7,本实用新型提供一种技术方案:一种多功能模块式电能变换装 置，包括由主电路W及与之连接的驱动电路、信号调理电路和辅助电路组成;所述主电路由 S相HVM整流电路和S相逆变电路组成;所述主电路采用TMS320F2812作为核屯、处理器，实 现对与主电路相连接的=相桥式电路静止无功发生器、=相有源电力滤波器、=相桥式电 路电机变频器、=相桥式电路PWM整流器的电压检测、电流检测W及矢量控制；该装置采用 PLC控制器实现不同功能转换，通过控制其接触器的通断，形成不同的功能拓扑结构，配上 DSP控制器W不同的控制策略对=相桥式电力变换器进行控制，所述辅助电路由开关电源、 保护电路及S相异步电机组成;所述DSP控制器发出的PWM信号经过74肥06忍片进行电平转 换之后，送给光禪TLP250忍片，信号经隔离放大电路放大后来驱动功率管。
[0033 ]由图5、6、7可见，S相PWM整流器、S相逆变器、S相静止无功发生器SVG、S相有源 电力滤波器的功率拓扑结构中存在如虚线所示的公共部分，即可W实现交流-〉直流、直流- 〉交流多种能量流动方式。
[0034]通过控制图1中接触器的通断，可形成不同的功率拓扑结构，配上DSPW不同的控 制策略对S相桥式电力变换器进行控制，能够实现不同的电力变换功能。PLC要输出两类信 号，一类是控制DSP执行S相桥式电力变换器的控制策略;另一类是控制接触器改变主电路 拓扑的信号。通过运两类信号的相互配合，就可实现特定功能。
[0035 ]计算无功电流时各相电流首先减去零序电流（i a+化+i C) /3，再进行坐标变换，得 到直流的有功分量进行滤波，采用数字滑动均值滤波器，其计算简单，实时性较好，则最终 变换得到的指令电流既能补偿无功电流、谐波电流，也能补偿电网中的零序电流。
[0036] 图8,为了进行坐标变换，需要知道任意时刻A相电压的相位，故需电网同步检测电 路，此处采用电压霍尔模块CHV-25P把A相电压降为幅值为5V左右的与电网同频同相的低压 正弦信号，该信号经过处理电路最终得到0~3.3V的方波信号，W满足DSP2812对输入电压 的要求。通过DSP捕获单元CAP3捕获该方波信号的下降沿，即可得到电网电压的过零点。
[0037] 图9,为了提高系统的抗干扰能力，将DSP发出的P歷信号经过74HC06进行电平转换 之后，送给光禪化P250忍片，信号经隔离放大来驱动功率管，光禪的使用，能够减少信号延 迟，实现了强电和弱电的隔离，提高了可靠性。
[0038] Pmi整流器部分已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于能量的双向传输，当 PWM整流器从电网吸取能量时，运行于整流工作状态;而当PWM整流器向电网传输电能时，贝U 运行于有源逆变工作状态。因此，PWM整流器实际上是一个其交直流侧可控的四象限运行的 整流装置。
[0039] PWM整流器部分运行在整流和逆变工作状态时，均能实现单位功率因数运行。即当 PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压电流同相位(正阻特性）；当PWM整流器运行于有源 逆变状态时，其网侧电压电流反相(负阻特性）。
[0040] 交直交变频器部分其变频的控制方法是矢量控制，相较于SPWM技术，SVPWM技术的 绕组电流波形谐波含量小，从而使得电动机转矩脉动降低，旋转磁场更趋近于圆形；同时直 流母线电压的利用率有了很大的提高，且更易于实现数字化。
[0041] 本实用新型的工作原理：
[0042] (1)基于S相桥式电路的静止无功发生器(SVG)部分；
[0043] SVG的工作原理是IGBT桥式电路经电抗器并联到电网上，通过合理的调节该桥式 电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制桥式电路交流侧的输出电流，就能够使 该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。SVG的单相等效 电路如图10所示。
[0044] 在图10的等效电路中，将所连接的电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗。因此不必 从电网吸收有功能量。在运种情况下，只需使与同相，仅改变的幅值大小即可W控制从电网 吸收的电流的相位和大小，从而也就控制了从电网吸收的无功功率的大小。如图11所示，当 大于时，电流超前电压90度，SVG吸收容性的无功功率，如图12当小于时，电流滞后电压90 度，SVG吸收感性的无功功率。
[0045] 通过分析SVG工作原理可知，只要适当的对无功电流参考值进行调节就可W控制 SVG装置产生无功功率的性质和大小，从而能补偿电网所需的无功功率，具体的控制方法分 为电流直接控制和电流间接控制。运两种控制方法都能通过对无功电流的调节来控制补偿 装置发出满足要求的无功功率。选用滞环比较法如图13所示，图中为SVG产生的无功电流， 为瞬时无功电流的参考信号，滞环比较器作用是修正功率器件的开关触发信号，在与的差 值小于滞环的上下限值的情况下，触发信号为高电平，此时功率开关器件为导通状态，电流 增大;反之，如果其差值大于滞环的上下限值，则开关器件为关断状态，运时电流减小。
[0046] 单相滞环比较器的瞬时值比较方式控制电路原理图如图13所示。在该方式中，把 补偿电流的指令信号与逆变器实际发出的补偿电流信号。进行比较，两者的偏差。作为滞环 比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关器件通断的信号，该信号经驱动电 路放大后控制开关器件的通断，从而控制补偿电流的变化。
[0047] (2)基于=相桥式电路的电机变频器部分：
[0048] 在运里采用WVF调速作为电机本体控制策略。即在基速W下同时进行变压变频实 现电机定子相电压与电源频率之比恒定，运样，根据公式认为定子相电压化与Eg近似相等， 电机中每极磁通量4。基本不变。在基速W上，由于电网电压不能提升，需要保持电机端电 压不变升高电源频率W提升转速，运时4m下降。
[0049] 低频时，Ui和Eg都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略，运 时，可W人为的把电压化抬高一些，W便近似的补偿定子漏阻抗压降。结合基频W上的调速 方法，其控制特性如图14所示
[0050] 运里，运用DSP利用不对称规则采样法产生控制S相感应电动机运行的SPWM信号， 信号经放大后驱动=相桥式电力变换器控制电机的运行。不对称规则采样法采用在每个载 波周期采样两次，即在=角波的顶点位置采样，又在=角波的底点位置采样，运样形成的阶 梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。不对称规则采样法生成SPWM的原理图如图15所示。 [0化1] 由图15
[0化2] S'+S = Tc(2+a sin?tA+a sin?tB)/4 [0化3] CO tA=化+1/4)化今n
[0化4] OtB=化+3/4)化今 n
[00对 k= (0，1，2，…，N-I)由W上分析得比较单元1的比较寄存器的值化CMPRl = TlPR- (S'+S)/2Ts，其中Ts为通用定时器1的时钟周期。
[0化6]
[0057]得到了比较寄存器的值，即可使DSP发出6路SPWM波控制S相桥式电力变换器了。 [005引（3)基于S相桥式电路的PWM整流器部分；
[0059] PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于能量的双向传输，当PWM整 流器从电网吸取能量时，运行于整流工作状态;而当PWM整流器向电网传输电能时，则运行 于有源逆变工作状态。能实现单位功率因数运行。单位功率因数指的是：当PWM整流器运行 于整流状态时，网侧电压电流同相位(正阻特性）；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其 网侧电压电流反相（负阻特性）。因此，PWM整流器实际上是一个其交直流侧可控的四象限运 行的整流装置。
[0060]按正弦波与S角载波比较法对图4中的V1-V4进行SPWM控制，就可W在S相桥的交 流侦隅到一个SPWM波VasDVa。的基波和电网电压e共同作用得到所需大小和相位的输入电流 Iac O
[0061 ]电感L在PWM整流电路中起平衡电压的作用，有：
[0062] ^=JoLIac = G-Vac
[006引运样可W方便的得出他们的矢量关系，如图17所示。
[0064] 可见，Vac围绕着圆ABCD运动。电压矢量Vac在下半部分轨迹运行时，PWM整流器从电 网吸收功率，工作在整流状态，特别的，当Vac运行至B点时，e与la。同相，实现单位功率因数 运行。电压矢量Vac在圆的上半部分上运行时，PWM整流器给电网提供功率，工作在有源逆变 状态，特别的，当Vac运行至D点时，e与ia。同相，实现单位功率因数运行。在任意时刻，整流器 上下桥臂不能直通。
[0065] 当Vac位于B或D点时，变流器工作在理想的单位功率因数状态，Vac与e夹角
当L、Iac、《、e已知时可W通过前式得到Vac,进一步得到调制比M、由此得到调制 二 波形。
[0066] 选用滞环电流控制法来控制Iac,工作原理图，如图15所示。电压PI控制器的输出和 与电源e同相位的单位正弦波相乘得到电流参考I*，I*再与检测到的电流信号I比较，经滞 环比较产生PWM输出，对各功率管进行控制，达到被控电流ia。与输入电压同相或者反相的目 的。
[0067] 由于电网为交流，因此各种变流装置多采用AC-DC变换方式。WS相电网为例，所 实现的S相PWM整流器、S相逆变器、S相静止无功发生器SVG、S相有源电力滤波器的等电 能变换功率拓扑结构都具有如图7虚线所示的公共部分，即可W实现交流-〉直流、直流-〉交 流多种能量流动方式。电力电子技术的本质拓扑结构之一相桥式电力变换器"电路，如 图18所示。应用运种功率拓扑结构，将控制方式和外部电路模块化，能够实现多种变流功 能。它可W实现最基本的S相逆变器功能W外还可W实现无功补偿(SVG)、感应电动机的软 起动，变频调速W及PWM整流等功能。运用模块化思想，W=相桥式电力变换器为核屯、模块， 将各种特殊电气结构视为基本模块。通过核屯、模块与基本模块之间的有机组合，实现绿色、 多功能、高效电能变换装置。如图19装置的模块图所示。图1更清晰明了地给出了系统主电 路。通过化C控制接触器^^2心12心21^22通断。加上05?对^相桥式电力变换器的控制。 能够使装置W=相桥运种基本电力电子拓扑实现上述多种实用的电能变换功能。
[0068] 多功能模块式电能变换装置实现控制的关键部分就是控制电路，本系统采用 F2812与PLC实现控制电路。F2812主要完成控制算法，输出PWM控制信号W及处理过流、过压 信号。PLC通过控制接触器的通断，可形成不同的功率拓扑结构，配上DSPW不同的控制策略 对=相桥式电力变换器进行控制，能够实现不同的电力变换功能。
[0069] 本发明使用的F2812是TI公司推出的型号为TMS320F2812的控制忍片，其时钟频率 可高达150MHz，能够快速的执行调制策略的运算。TMS320F2812W定时器为核屯、，外部扩展 的FLASH/RAM是为了防止控制忍片内存不足，模数转换器ADC是为了将输入电压和输出电压 频率信号转换成数字量，W完成数字量计算W及处理过压、过流等报警信号。
[0070] PLC采用S菱公司的FX3G，通过控制图中接触器的通断，可形成不同的功率拓扑结 构，配上DSPW不同的控制策略对S相桥式电力变换器进行控制，能够实现不同的电力变换 功能。所W，PLC要输出两类信号，一类是控制DSP执行S相桥式电力变换器的控制策略；另 一类是控制接触器改变主电路拓扑的信号。通过运两类信号的相互配合，就可实现特定功 能，原理图如2所示。
[0071] 表1 PLC输入输出引脚分配及实现的功能
[0072]
[0073]
[0074] 在表1中，X0-X5为各个功能的开关，按下其中一个即可使化C同时控制DSP执行相 应程序控制=相桥式电力变换器和接触器搭接主电路。X6位停止按钮，想要实现功能的转 换之前必须先按下X6停止当前正在执行的功能。输出口对应控制信号所控制的实际开关或 DSP程序，见表2。
[0075] 表2 PLC输出的控制信号所对应的实际控制对象
[0076]
[0077]
[007引在表1、2中，在输入信号Xx为1时，输出信号Y4x有效，对应位置1。会导致主电路开 关的闭合或者DSP子程序的执行。
[0079] 从表1和表2的时候可W发现，运用化C实现不同功能的控制时，难免会出现多个功 能同时使用一个输出触点的情况。执行PLC程序时，CPU从上往下读程序，所W输出口最后的 状态即是化C实际所具有的状态。输出触电的重复可能导致化C无法实现相应功能，运就是 所谓化C双线圈问题。解决化C双线圈问题的比较通用的方法就是利用辅助继电器，将梯形 图中原本的输出点换成辅助继电器，再将多个辅助继电器进行或运算来实现Y的输出。利用 辅助继电器，可W解决双线圈的问题，不论Xl还是X2闭合，都会引发辅助继电器Ml或者M2闭 合，运时Yl必然为1。
[0080] 上述的控制单元、=相桥式电路、各类子模块和若干继电器、接触器，便可W实现 能W最少的器件实现多种电力变换功能。
[0081] W上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用W限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多功能模块式电能变换装置，其特征在于，包括由主电路以及与之连接的驱动 电路、信号调理电路和辅助电路组成；所述主电路由三相pmi整流电路和三相逆变电路组 成;所述主电路采用TMS320F2812作为核心处理器，实现对与主电路相连接的三相桥式电路 静止无功发生器、三相桥式电路电机变频器、三相有源电力滤波器、三相桥式电路PWM整流 器的电压检测、电流检测以及矢量控制;该装置采用PLC控制器实现不同功能转换，通过控 制其接触器的通断，形成不同的功能拓扑结构，配上DSP控制器以不同的控制策略对三相桥 式电力变换器进行控制，所述辅助电路由开关电源、保护电路及三相异步电机组成。2. 根据权利要求1所述的一种多功能模块式电能变换装置，其特征在于:所述DSP控制 器发出的PWM信号经过74HC06芯片进行电平转换之后，送给光耦TLP250芯片，信号经隔离放 大电路放大后来驱动功率管。3. 根据权利要求1所述的一种多功能模块式电能变换装置，其特征在于:所述PLC控制 输出两类信号，一类是控制DSP控制器执行三相桥式电力变换器的控制策略;另一类是控制 接触器改变主电路拓扑的信号。
【文档编号】H02P27/08GK205584061SQ201620416524
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】陈济
【申请人】哈尔滨理工大学