CN102769336A

CN102769336A - 一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器

Info

Publication number: CN102769336A
Application number: CN2012102799024A
Authority: CN
Inventors: 朱忠伟; 檀三强; 宁振坤; 肖练; 姚建明
Original assignee: JIANGSU YINJIA GROUP CO Ltd
Current assignee: Jiangsu Yinjia Electronic Equipment Co ltd
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: CN102769336B

Abstract

本发明公开了一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器，属于电力电子设备的技术领域。所述用于紧急电力供给电源的单项逆变器包括：DSP芯片、模拟信号检测模块、数字信号控制模块、远程监控模块、逆变驱动模块、单相全桥逆变模块、电源模块。本发明将各个单独工作的功能模块集成在一个柜体，简化了柜体原理图，避免了传统用于紧急电力供给的单相逆变器一旦集成装柜后无法拆换部件的缺点；由于逆变驱动模块带饱和压降检测输出功能，所以无需辅助开关电源壳体即可采样逆变电压、蓄电池电压及消防联动、强制、旁路信号，简化了电路设计，降低了生产成本；单相逆变桥中突波吸收支路的设计减小了功率开关管关断突变电流对逆变器输出电压的影响。

Description

一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器

技术领域

本发明公开了一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器，属于电力电子设备的技术领域。

背景技术

EPS(Emergency Power Supply，紧急电力供给)电源，是当今重要建筑物中为了电力保障和消防安全而采用的一种应急电源，它主要由输入输出单元、充电模块、电池组、逆变器、监控器、输出切换装置组成。逆变器是EPS电源的核心器件，大部分EPS生产厂家将从市场上外购的变频器作为逆变器使用，将变频器当逆变器使用存在以下缺陷：

（一）变频器无逆变电压反馈功能，导致EPS电源的输出电压随着电池组电压波动，存在损坏负载的风险；

（二）大部分变频器采用SPWM控制算法，存在计算量大、母线利用率低的问题；需另加数字信号控制电路、模拟信号采样电路，控制复杂，成本高；

（三）市场采购的变频器，不采样逆变电压、蓄电池电压及消防联动、强制、旁路信号，需要外加模块及辅助开关电源壳体，成本增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器，包括DSP芯片、模拟信号检测模块、数字信号控制模块、远程监控模块、逆变驱动模块、单相全桥逆变模块、电源模块；其中：所述模拟信号检测模块、数字信号控制模块、远程监控模块、分别与DSP芯片连接；所述逆变驱动模块的输入端与DSP芯片连接，输出端与单相全桥逆变模块的输入端连接；所述单相全桥逆变模块的输出端与工频变压器连接；所述DSP芯片的供电端口、逆变驱动模块的供电端口分别与电源模块的输出端连接。

所述一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器中，所述逆变驱动模块包括：第一至第四电阻，检测二极管，钳位二极管，第一电容，第一、第二功率开关管；

其中，所述第一、第二电阻的一端分别与直流电压源连接，检测二极管、钳位二极管的阴极、第三电阻的一端分别与第二电阻的另一端连接，第三电阻的另一端与第一功率开关管的门极连接，第一功率开关管的集电极与第一电阻的另一端连接，第一功率开关管的发射极接地，检测二极管的阳极与第四电阻串联后接地，钳位二极管的阳极与第二功率开关管的集电极连接，第二功率从开关管的基极与第一电容的一极连接，第一电容的另一极接地，第二功率开关管的发射极接地。

所述一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器中，所述单相全桥逆变模块包括：蓄电池充放电模块、单相逆变桥，所述单相逆变桥的输入端与蓄电池充放电模块连接，输出端与工频变压器的一次侧线圈连接；其中：

所述蓄电池充放电模块包括蓄电池组、两个继电器、第五电阻、滤波电容，两个继电器的常闭端口分别于蓄电池组的正极连接，第一继电器的常开端口与第五电阻的一端连接，第二继电器的常开端口、滤波电容的正极分别与第五电阻的另一端连接，滤波电容的负极与蓄电池组的负极连接。

所述一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器中，所述单相逆变桥包括两个并联的桥臂，其中：每一个桥臂包括一个由两个绝缘栅双极性晶体管组成的串联支路，以及并联在所述串联支路两端的突波吸收支路；所述突波吸收支路包括串联连接的突波吸收二极管、突波吸收电容，以及并联在突波吸收二极管两级的突波吸收电阻。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：将各个单独工作的功能模块集成在一个柜体，简化了柜体原理图，方便接线，可根据实际需求更换功能模块，避免了传统用于紧急电力供给的单相逆变器一旦集成装柜后无法拆换部件的缺点；由于逆变驱动模块带饱和压降检测输出功能，所以无需辅助开关电源壳体即可采样逆变电压、蓄电池电压及消防联动、强制、旁路信号，简化了电路设计，降低了生产成本；单相逆变桥中突波吸收支路的设计减小了功率开关管关断突变电流对逆变器输出电压的影响。

附图说明

图1为用于紧急电力供给的单相逆变器的示意图。

图2为电源模块的示意图。

图3为逆变驱动模块的示意图。

图4为单相全桥逆变模块的示意图。

图5为数字信号控制模块的示意图。

图中标号说明：R1-R12为第一至第十二电阻，D1-D4为第一至第四二极管，ZD1为检测二极管、ZD2为钳位二极管，Q1-Q4为第一至第四功率开关管管，J1、J2为第一、第二继电器，IBGT1-IBGT4为第一至第四绝缘栅双极性晶体管，JDQ1为继电器线圈，OP1为光耦。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：如图1所示，用于紧急电力供给电源的单相逆变器包括：DSP芯片、模拟信号检测模块、数字信号控制模块、远程监控模块、逆变驱动模块、单相全桥逆变模块、电源模块。模拟信号检测模块、数字信号控制模块、远程监控模块、分别与DSP芯片连接。逆变驱动模块的输入端与DSP芯片连接，输出端与单相全桥逆变模块的输入端连接，单相全桥逆变模块的输出端与工频变压器连接。DSP芯片的供电端口、逆变驱动模块的供电端口分别与电源模块的输出端连接。

电源模块如图2所示：当有市电时，整流桥输出电压高于蓄电池组母线电压，所以整流桥输出电压给开关电源供电；当无市电时，蓄电池组给开关电源供电。其中两个二极管起防反作用，防止正整流输出母线给蓄电池充电以及正直流母线反冲整流桥，损坏整流电路。

逆变驱动模块如图3所示为基于饱和压降检测的栅极钳位过流保护电路，包括：第一至第四电阻R1-R4，第一检测二极管ZD1，钳位二极管ZD2，第一电容C1，第一、第二功率开关管Q1、Q2。第一、第二电阻R1、R2的一端分别与直流电压源VCC连接，第一、钳位二极管ZD1、ZD2的阴极、第三电阻R3的一端分别与第二电阻R2的另一端连接，第三电阻R3的另一端与第一功率开关管Q1的门极连接，第一电阻R1的另一端与第一二极管D1连接后接第一功率开关管Q1的集电极连接，第一功率开关管Q1的发射极接地，检测二极管ZD1的阳极与第四电阻R4串联后接地，钳位二极管ZD2的阳极与第二功率开关管Q2的集电极连接，第二功率开关管Q2的基极与第一电容C1的一极连接，第一电容C1的另一极接地，第二功率开关管Q2的发射极接地。

第一二极管D1起隔离作用，第一功率开关管Q1关断时，主电路电压V+使第一二极管D1反偏；第一功率开关管Q1开通时，第一功率开关管Q1的Vce只有3V左右，保护电路和栅极驱动电路的电源Vcc通常在15V以上，第一二极管D1变为正偏而导通。第一功率开关管Q1开通时，正常工作状态下的第一功率开关管Q1的饱和压降Vce为3V，检测二极管ZD1上的电压为第一二极管D1的开通压降+Vce，检测二极管ZD1不击穿。当第一功率开关管Q1处于过流状态时，第一功率开关管Q1的Vce上升至5V以上，第一二极管D1从开通变为截止，检测二极管ZD1击穿导通，保护电路获得过流信号而控制栅极驱动电路停止工作。钳位二极管ZD2在第一功率开关管Q1过流时，将栅极电位钳位在6V左右，使第一功率开关管Q1退出饱和导通而转到放大状态，使主电路的电流降下来。第一电容C1起缓冲作用，检测二极管ZD1被击穿时，首先对第一电容C1进行充电，使第一功率开关管Q1不至于迅速关断而导致感性负载产生过高的感应电压。

单相全桥逆变模块如图4所示：单相全桥逆变模块包括依次连接的蓄电池充放电模块、单相逆变桥，单相逆变桥的输出端与工频变压器T1的一次侧线圈连接，工频变压器T1的二次侧线圈并联有第四电容C4。蓄电池充放电模块包括蓄电池组、两个继电器J1、J2，第五电阻R5、滤波电容EC1，两个继电器J1、J2的常闭端口分别于蓄电池组的正极连接，第一继电器J1的常开端口与第五电阻R5的一端连接，第二继电器J2的常开端口、滤波电容EC1的正极分别与第五电阻R5的另一端连接，滤波电容EC1的负极与蓄电池组的负极连接。单相逆变桥包括两个并联的桥臂，一个桥臂包括：由第一、二绝缘栅双极性晶体管IGBT1、IGBT2组成的串联支路，以及并联在所述串联支路两端的突波吸收支路，突波吸收支路包括串联连接的突波吸收二极管D2、突波吸收电容C2，以及并联在突波吸收二极管D2两级的突波吸收电阻R6。另一个桥臂包括：由第三、四绝缘栅双极性晶体管IGBT3、IGBT4组成的串联支路，以及并联在所述串联支路两端的突波吸收支路，突波吸收支路包括串联连接的突波吸收二极管D3、突波吸收电容C3，以及并联在突波吸收二极管D3两级的突波吸收电阻R7。通过开关IGBT，直流能量转换成交流能量，突波吸收支路吸收IGBT在关断瞬间突变电流引起的能量变换量。该拓扑与Buck 型DC-DC 变换电路有共通之处， Buck 型逆变器的输入直流母线电压严格限制了逆变电压的正弦波峰值，因此会在逆变输出外接工频变压器T1，该变压器起升压及滤波作用。

所有与DSP芯片连接的模拟信号与原信号都电气隔离。市电电压、逆变电压主要采用电压型电流互感器与远放电路进行采样，其中逆变电压是指单相全桥逆变模块的输出电压经过工频变压器升压后的电压。输出电流是指应急电源输出到负载的电流，市电供电时即是市电输出电流，逆变供电时则是共频变压器副边输出到负载的电流，采用2级电流互感器与运放电路进行采样；蓄电池直流电压采用线性光耦与运放电路进行采样。因为市电电压、逆变电压、输出电流、母线电压需要实时监控，所以这些信号一直都需要采样。逆变过程中每个载波周期采样市电电压、逆变电压、输出电流、充电电流、蓄电池组电压，将当前采样点采得逆变电压代入上个完整调制周期中对应采样点计算预测逆变输出电压，PID调节脉宽调制比，快速稳定输出波为平滑正弦波；每个载波周期到分析市电电压，快速检测市电恢复；多个载波周期计算负载电流，分析是否超过额定负载，根据带载度调整逆变输出时间。

数字信号控制模块如图5所示，实现开关量数字信号采集及触点输出功能。第八电阻R8的一端接CTR1信号，第九电阻R9与第八电阻R8串联后接第三功率开关管的发射极，第十电阻R10与第八电阻R8串联连接后接第三功率开关管的基极，第三功率开关管的集电极接光耦OP1的阳极；光耦的阴极接地，发射极接COM信号，集电极接第十一电阻R11的一端，第十二电阻R12的一端、第四功率开关管Q4的基极分别与第十一电阻R11的另一端连接，第十二电阻R12的另一端接直流电压源；第四功率开关管Q4的发射极接直流电压源，集电极接第四二极管D4的阴极，第四二极管的阳极接COM信号，继电器线圈JDQ1与第四二极管D4的两级连接。开关量输入图中IN是***输入，当信号有效时，IN接到+24V的地上，光耦OP1导通，INPUT由高电平变为低电平，INPUT接至DSP的通用IO口上；开关量输出图中CTR接至DSP的通用IO口上，当CTR为高时，光耦OP1不导通，继电器线圈不得电，所以不工作。当CTR为低时，光耦OP1导通，继电器线圈得电，继电器工作。

远程监控模块实时向上位机传输逆变器运行数据及状态，实现远程网络监控。远程监控模块是通讯模块，具体为串口MODBUS协议通信。逆变器运行数据具体是指模拟量、数字量信息、运行状态数据。模拟量数据包括市电电压、逆变电压、输出电流、母线电压；数字量数据指消防联动、强制、旁路输入量采集；运行状态数据指市电过压、逆变器过载、电池欠压、过流、市电输出、逆变输出数据。

DSP主控***模块采用TI 公司的TMS320F28027 作为逆变器的核心处理单元。JTAG口支持在线程序调试；模拟信号市电电压、逆变电压、输出电流、充电电流、蓄电池组电压分别输入到芯片AD采样通道ADC-A1、ADC-A2、ADC-A3、ADC-A4、ADC-A6中进行采样；3个开关量输入信号输入到GPIO口上，INPUT1—INPUT3依次为消防联动信号、强制信号、旁路信号，CTR1-CTR3为输出开关量信号，控制市电/逆变切换、母线预充电、欠压控制继电器动作；远程监控模块接入芯片的SCI通讯接口； EPWM1、EPWM2产生2组加入死区的互补PWM波，通过算法产生脉冲二重化SVPWM波形，逆变驱动模块将DSP输出低压信号变为高压信号驱动IGBT；将短路保护信号接至芯片的TZ1脚，当发生短路时拉低EPWM1、EPWM2输出。

用于紧急电力供给的单相逆变器工作原理如下：逆变器上电，初始化***配置及变量，并吸合第一继电器J1，蓄电池组通过电阻R对母线供电，EC1缓充电，采样蓄电池组电压。如果欠压，则不吸合第二继电器J2，延时1分钟断开第一继电器J1，此后每小时吸合1次第一继电器J1以分析蓄电池组电压是否恢复，如24内小时电压都没恢复，则判定为电池故障，不再吸合第一继电器J1，减少电池放电以保护蓄电池；如果电池组不欠压则吸合第二继电器J2，蓄电池组对母线直接供电。正常运行过程中如J2已吸合，如无旁路信号，当有市电故障、手动信号、自检有效时逆变器缓启动进入逆变状态，当逆变电压稳定后转入应急输出；当市电恢复、手动无效、自检时间到时或者蓄电池组欠压时，逆变器停止逆变。其中自检分为月自检、年自检，月自检蓄电池组放电2分钟，年自检放电至欠压应不小于90分钟，否则向上位机报相应故障，因此逆变器具有自动检测EPS电源工作是否正常功能，并对电池组进行放电、充电以保持电池活性。

综上所述，本发明所述的用于紧急电力供给的单相逆变器将各个单独工作的功能模块集成在一个柜体，简化了柜体原理图，方便接线，可根据实际需求更换功能模块，避免了传统用于紧急电力供给的单相逆变器一旦集成装柜后无法拆换部件的缺点；由于逆变驱动模块带饱和压降检测输出功能，所以无需辅助开关电源壳体即可采样逆变电压、蓄电池电压及消防联动、强制、旁路信号，简化了电路设计，降低了生产成本；单相逆变桥中突波吸收支路的设计减小了功率开关管关断突变电流对逆变器输出电压的影响。所述具体实施例仅为本发明所的一种实施方式，凡是符合本发明总之的实施方式均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器：其特征在于：包括DSP芯片、模拟信号检测模块、数字信号控制模块、远程监控模块、逆变驱动模块、单相全桥逆变模块、电源模块；其中：所述模拟信号检测模块、数字信号控制模块、远程监控模块、分别与DSP芯片连接；所述逆变驱动模块的输入端与DSP芯片连接，输出端与单相全桥逆变模块的输入端连接；所述单相全桥逆变模块的输出端与工频变压器连接；所述DSP芯片的供电端口、逆变驱动模块的供电端口分别与电源模块的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器，其特征在于所述逆变驱动模块包括：第一至第四电阻，检测二极管，钳位二极管，第一电容，第一、第二功率开关管；

3.根据权利要求1所述的一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器，其特征在于所述单相全桥逆变模块包括：蓄电池充放电模块、单相逆变桥，所述单相逆变桥的输入端与蓄电池充放电模块连接，输出端与工频变压器的一次侧线圈连接；其中：

4.根据权利要求3所述的一种用于紧急电力供给电源的单相逆变器，其特征在于所述单相逆变桥包括两个并联的桥臂，其中：每一个桥臂包括一个由两个绝缘栅双极性晶体管组成的串联支路，以及并联在所述串联支路两端的突波吸收支路；所述突波吸收支路包括串联连接的突波吸收二极管、突波吸收电容，以及并联在突波吸收二极管两级的突波吸收电阻。