CN106877709A - 一种用于高压变频器预充电装置及方法 - Google Patents

一种用于高压变频器预充电装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高压变频器预充电装置及方法，包括预充电电路***和预充电投切***；所述预充电电路***包括预充电主回路单元和预充电控制回路单元；所述预充电主回路单元的输入端与低压交流电源连接，所述预充电主回路单元的输出端与高压变频器直流母线电容连接；所述预充电控制回路单元用于检测预充电主回路单元最终输出的直流电压，根据检测到的直流电压控制预充电主回路单元中的逆变器的输出电压；所述预充电投切***用于检测高压变频器直流母线电容两端的电压，并将检测信号发送给变频器控制***；变频器控制***根据接收到的信号控制预充电电路***切出、控制变频器高压开关闭合，或控制预充电电路***切入、控制变频器高压开关断开。

Description

一种用于高压变频器预充电装置及方法
技术领域
本发明涉及高压变频器技术领域，尤其涉及一种用于高压变频器预充电装置及方法
背景技术
随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、市政、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用，特别是，高压大功率变频器的应用日渐广泛。在高压变频器中，由功率模块串联构成的高压大功率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。
高压变频器在高压上电时，如果采用闭合高压断路器的方式，会对高压电网产生有额定电流7到10倍大小的冲击电流，影响电网的安全、稳定运行，同时还会对变频器本身功率单元内的直流母线电容和整流元器件产生很大的冲击电流，影响其使用寿命。目前，解决此问题的方法有以下几种：
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。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种安全可靠的用于高压变频器的预充电装置及方法。
为达到上述目的，本发明一种用于高压变频器预充电装置，包括预充电电路***和预充电投切***；
所述预充电电路***包括预充电主回路单元和预充电控制回路单元；所述预充电主回路单元的输入接口与低压交流电源连接，所述预充电主回路单元的输出接口与高压变频器直流母线电容连接；所述预充电控制回路单元用于检测预充电主回路单元最终输出的直流电压，根据检测到的直流电压控制预充电主回路单元中的逆变器的输出电压；
所述预充电投切***用于检测高压变频器直流母线电容两端的电压，并将检测信号发送给变频器控制***；变频器控制***根据接收到的信号控制预充电电路***切出、控制变频器高压开关闭合，或控制预充电电路***切入、控制变频器高压开关断开。
进一步地，所述预充电主回路单元包括三相桥式不控整流电路，单向桥式单脉冲调制逆变电路，高频升压变压器和两相半波不控整流电路；
所述三相桥式不控整流电路用于接收低压交流电源输出的交流电压，对接收到的交流电压进行整流得到直流电压，并将直流电压输出给单向桥式单脉冲调制逆变电路；
所述单向桥式单脉冲调制逆变电路用于接收直流电压，并对直流电压调制逆变得到交流方波电压，再将交流方波电压输出给高频升压变压器；
所述高频升压变压器用于接收交流方波电压，并对交流方波电压进行升压得到交流方波高压，再将交流方波高压输出给两相半波不控整流电路；
所述两相半波不控整流电路用于接收交流方波高压，并对接收到的交流方波高压进行整流的到直流电压，最后将直流电压输出给高压变频器直流母线电容。
进一步地，所述预充电控制回路单元包括依次连接的采样电路、补偿电路、PWM控制电路以及驱动电路；所述预充电控制回路单元与所述单相桥式单脉冲调制逆变器受控连接，用于控制所述单相桥式单脉冲调制逆变器中的开关器件的导通或关断。
进一步地，在所述两相半波不控整流电路的输出端与所述高压变频器直流母线电容之间串联有用于滤波的电感。
本发明提供的高压变频器预充电装置，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；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；高频变压器的一次绕组侧都是低压电路，成本低廉，二次绕组侧虽为高压电路，但采用的是最简单的不控整流桥，成本也较低；通过改变基准电压信号和变压器一次、二次绕组匝数比，本发明提供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。
为达到上述目的，本发明一种用于高压变频器预充电方法，在低压电源与高压变频器母线电容之间连接有预充电主回路单元，所述预充电主回路单元与预充电控制回路单元电连接；高压变频器控制***与一预充电投切***通讯连接；其特征在于，所述方法包括如下步骤:
步骤一、高压变频器在进行高压上电时，接通预充电主回路单元和控制回路单元，通过预充电控制回路单元控制主回路单元中逆变器输出的电压，使逆变器输出的电压以一定的斜率由低到高，最终输出直流电压对高压变频器直流母线电容进行充电；
步骤二、利用预充电投切***检测高压变频器直流母线电容两端的电压，并将检测到的电压信号发送给高压变频器控制***；
步骤三、高压变频器控制***接收预充电投切***发送的电压信号，控制预充电电路***的工作状态，控制变频器高压开关断开或闭合。
进一步地，所述步骤一具体为，对低压交流电进行整流得到直流电压，对直流电压进行逆变调制得到交流方波电压，对交流方波电压升压得到交流方波高压；再对交流方波高压进行整流滤波后，最终得到的直流电压，用最终得到的直流电压对高压变频器直流母线电容进行充电。
进一步地，所述步骤三具体为，高压变频器控制***接收预充电投切***发送的电压信号通过一比较模块与预设的电压值进行比较；若检测到的电压信号大于或等于预设的电压值，则高压变频器控制***控制预充电电路切出，控制变频器高压开关闭合；若检测到的电压信号小于预设的电压值，则高压变频器控制***对当前预充电电路工作状态不作调整。
本发明提供的高压变频器预充电方法，首先将输入的低压交流电源经三相桥式不控整流电路、单相桥式单脉冲调制逆变电路、高频升压变压器、两相半波不控整流电路，即经过了AC/DC-DC/AC-AC/DC的变换，最终输出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单脉冲调制逆变电路中开关器件的导通、关断及导通时间，使所述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；然后切断预充电电路***，再闭合变频器高压开关。该预充电装置还通过检测所述的直流电压，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。
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电路***的预充电主回路单元电路图；
图3是本发明提供的高压变频器预充电装置中预充电电路***的预充电控制回路单元控制***框图；
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。
包括预充电电路***和预充电投切***；
所述预充电电路***包括预充电主回路单元和预充电控制回路单元；所述预充电主回路单元的输入接口与低压交流电源连接，所述预充电主回路单元的输出接口与高压变频器直流母线电容连接；所述预充电控制回路单元用于检测预充电主回路单元最终输出的直流电压，根据检测到的直流电压控制预充电主回路单元中的逆变器的输出电压；
所述预充电投切***用于检测高压变频器直流母线电容两端的电压，并将检测信号发送给变频器控制***；变频器控制***根据接收到的信号控制预充电电路***切出、控制变频器高压开关闭合，或控制预充电电路***切入、控制变频器高压开关断开。具体的如图1所示，包括预充电电路***以及预充电投切***，其中预充电电路***包含预充电主回路单元和预充电控制回路单元，而所述的预充电主回路单元又分为三相桥式不控整流电路，单相桥式单脉冲调制逆变电路、高频升压变压器、两相半波不控整流电路4个部分。
实施例二
结合实施例一，所述预充电主回路单元包括三相桥式不控整流电路，单向桥式单脉冲调制逆变电路，高频升压变压器和两相半波不控整流电路；
所述三相桥式不控整流电路用于接收低压交流电源输出的交流电压，对接收到的交流电压进行整流得到直流电压，并将直流电压输出给单向桥式单脉冲调制逆变电路；
所述单向桥式单脉冲调制逆变电路用于接收直流电压，并对直流电压调制逆变得到交流方波电压，再将交流方波电压输出给高频升压变压器；
所述高频升压变压器用于接收交流方波电压，并对交流方波电压进行升压得到交流方波高压，再将交流方波高压输出给两相半波不控整流电路；
所述两相半波不控整流电路用于接收交流方波高压，并对接收到的交流方波高压进行整流的到直流电压，最后将直流电压输出给高压变频器直流母线电容。
具体如图2所示，所述预充电主回路单元，采用低压交流电源AC380V输入，经过三相桥式不控整流电路，输出直流电压，此直流电压经单相桥式单脉冲调制逆变电路输出脉宽可控的交流方波V1，加在高频升压变压器一次绕组N1上，二次绕组感应生成的交流方波电压经两相半波不控整流电路，得到脉宽可控、幅值为V1*N2/N1的直流方波，再经滤波后得到直流电压V2，用于高压变频器直流母线电容充电。在所述的直流电压V2按要求达到所需要的阈值时，所述的预充电投切***发出信号给变频器控制***，切断预充电电路***，然后闭合变频器高压开关，预充电过程完成，高压变频器便可以正常运转。
实施例三
结合实施例一和实施例二，所述预充电控制回路单元包括依次连接的采样电路、补偿电路、PWM控制电路以及驱动电路；所述预充电控制回路单元与所述单相桥式单脉冲调制逆变器受控连接，用于控制所述单相桥式单脉冲调制逆变器中的开关器件的导通或关断。如图3所示，所述预充电控制回路单元，通过控制所述单相桥式单脉冲调制逆变器输出的交流方波，使由此交流方波经所述的高频升压变压器、两相半波不控整流器而得到的直流电压，其幅值可由低升高，并检测此直流电压，进行闭环控制。
实施例四，
作为实施例二的一个优选方案，在所述两相半波不控整流电路的输出端与所述高压变频器直流母线电容之间串联有用于滤波的电感。
本发明提供的高压变频器预充电装置，首先将输入的低压交流电源经三相桥式不控整流电路、单相桥式单脉冲调制逆变电路、高频升压变压器、两相半波不控整流电路，即经过了AC/DC-DC/AC-AC/DC的变换，最终输出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单脉冲调制逆变电路中4个开关器件的导通、关断及导通时间，使所述直流电压幅值以一定的斜率由低升高，所述斜率是指某时间段所对应的电压差值与该时间段的比值，直至电容两端电压达到所需要的阈值；然后切断预充电电路***，再闭合变频器高压开关。该预充电装置还通过检测所述的直流电压，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。
本发明提供的高压变频器预充电装置，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；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；本发明中高频变压器的一次绕组侧都是低压电路，成本低廉，二次绕组侧虽为高压电路，但采用的是最简单的不控整流桥，成本也较低；另外，通过改变基准电压信号和变压器一次、二次绕组匝数比，本发明提供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。
实施例五
本发明一种用于高压变频器预充电方法，在低压电源与高压变频器母线电容之间连接有预充电主回路单元，所述预充电主回路单元与预充电控制回路单元电连接；高压变频器控制***与一预充电投切***通讯连接；其特征在于，所述方法包括如下步骤:
步骤一、高压变频器在进行高压上电时，接通预充电主回路单元和控制回路单元，通过预充电控制回路单元控制主回路单元中逆变器输出的电压，使逆变器输出的电压以一定的斜率由低到高，最终输出直流电压对高压变频器直流母线电容进行充电；
步骤二、利用预充电投切***检测高压变频器直流母线电容两端的电压，并将检测到的电压信号发送给高压变频器控制***；
步骤三、高压变频器控制***接收预充电投切***发送的电压信号，控制预充电电路***的工作状态，控制变频器高压开关断开或闭合。
实施例六
作为实施例五的进一步方案，所述步骤一具体为，先对低压交流电进行整流得到直流电压，然后对直流电压进行逆变调制得到交流方波电压，再对交流方波电压升压得到交流方波高压；再对交流方波高压进行整流滤波后，最终得到的直流电压，用最终得到的直流电压对高压变频器直流母线电容进行充电。
实施例七
作为实施例五的进一步方案，所述步骤三具体为，高压变频器控制***接收预充电投切***发送的电压信号通过一比较模块与预设的电压值进行比较；若检测到的电压信号大于或等于预设的电压值，则高压变频器控制***控制预充电电路切出，控制变频器高压开关闭合；若检测到的电压信号小于预设的电压值，则高压变频器控制***对当前预充电电路工作状态不作调整。
本发明提供的高压变频器预充电方法，首先将输入的低压交流电源经三相桥式不控整流电路、单相桥式单脉冲调制逆变电路、高频升压变压器、两相半波不控整流电路，即经过了AC/DC-DC/AC-AC/DC的变换，最终输出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单脉冲调制逆变电路中4个开关器件的导通、关断及1导通时间，使所述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；然后切断预充电电路***，再闭合变频器高压开关。该预充电装置还通过检测所述的直流电压，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。
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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于高压变频器预充电装置，其特征在于，包括预充电电路***和预充电投切***；
所述预充电电路***包括预充电主回路单元和预充电控制回路单元；所述预充电主回路单元的输入接口与低压交流电源连接，所述预充电主回路单元的输出接口与高压变频器直流母线电容连接；所述预充电控制回路单元用于检测预充电主回路单元最终输出的直流电压，根据检测到的直流电压控制预充电主回路单元中的逆变器的输出电压；
所述预充电投切***用于检测高压变频器直流母线电容两端的电压，并将检测信号发送给变频器控制***；变频器控制***根据接收到的信号控制预充电电路***切出、控制变频器高压开关闭合，或控制预充电电路***切入、控制变频器高压开关断开。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压变频器预充电装置，其特征在于，所述预充电主回路单元包括三相桥式不控整流电路，单向桥式单脉冲调制逆变电路，高频升压变压器和两相半波不控整流电路；
所述三相桥式不控整流电路用于接收低压交流电源输出的交流电压，对接收到的交流电压进行整流得到直流电压，并将直流电压输出给单向桥式单脉冲调制逆变电路；
所述单向桥式单脉冲调制逆变电路用于接收直流电压，并对直流电压调制逆变得到交流方波电压，再将交流方波电压输出给高频升压变压器；
所述高频升压变压器用于接收交流方波电压，并对交流方波电压进行升压得到交流方波高压，再将交流方波高压输出给两相半波不控整流电路；
所述两相半波不控整流电路用于接收交流方波高压，并对接收到的交流方波高压进行整流的到直流电压，最后将直流电压输出给高压变频器直流母线电容。
3.根据权利要求2所述的一种用于高压变频器预充电装置，其特征在于，所述预充电控制回路单元包括依次连接的采样电路、补偿电路、PWM控制电路以及驱动电路；所述预充电控制回路单元与所述单相桥式单脉冲调制逆变器电连接，用于控制所述单相桥式单脉冲调制逆变器中的开关器件的导通或关断。
4.根据权利要求2所述的一种用于高压变频器预充电装置，其特征在于，在所述两相半波不控整流电路的输出端与所述高压变频器直流母线电容之间串联有用于滤波的电感。
5.一种用于高压变频器预充电方法，在低压电源与高压变频器母线电容之间连接有预充电主回路单元，所述预充电主回路单元与预充电控制回路单元电连接；高压变频器控制***与一预充电投切***通讯连接；其特征在于，所述方法包括如下步骤:
步骤一、高压变频器在进行高压上电时，接通预充电主回路单元和控制回路单元，通过预充电控制回路单元控制主回路单元中逆变器输出的电压，使逆变器输出的电压以一定的斜率由低到高，最终输出直流电压对高压变频器直流母线电容进行充电；
步骤二、利用预充电投切***检测高压变频器直流母线电容两端的电压，并将检测到的电压信号发送给高压变频器控制***；
步骤三、高压变频器控制***接收预充电投切***发送的电压信号，控制预充电电路***的工作状态，控制变频器高压开关断开或闭合。
6.根据权利要求5所述的一种高压变频器预充电方法，其特征在于，所述步骤一具体为，对低压交流电进行整流得到直流电压，对直流电压进行逆变调制得到交流方波电压，对交流方波电压升压得到交流方波高压；再对交流方波高压进行整流滤波后，最终得到的直流电压，用最终得到的直流电压对高压变频器直流母线电容进行充电。
7.根据权利要求5所述的一种高压变频器预充电方法，其特征在于，所述步骤三具体为，高压变频器控制***接收预充电投切***发送的电压信号通过一比较模块与预设的电压值进行比较；若检测到的电压信号大于或等于预设的电压值，则高压变频器控制***控制预充电电路切出，控制变频器高压开关闭合；若检测到的电压信号小于预设的电压值，则高压变频器控制***对当前预充电电路工作状态不作调整。
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