CN109787534A - 一种采用高压直流供电的变频器和变频控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种采用高压直流供电的变频器和变频控制装置，其中，变频器包括：第一电压转换器和逆变器；逆变器的输出端与电动机相连；所述第一电压转换器的输入端用于输入高压直流电流。通过变频器对高压直流电流依次进行电压转换和逆变，输出电压和频率可调的交流电，对电动机进行控制。本实施例的变频器在实现变压变频功能的前提下，去掉了现有技术中的整流器，简化了变频器结构；而且本实施例将高压直流供电模块与采用高压直流供电的变频器组合，代替了不间断电源与传统变频器的组合，省去了不间断电源中的逆变器和传统变频器中的整流器，简化了结构，减少对输入交流电的处理次数，减少能耗，提高电动机的供电效率。

Description

一种采用高压直流供电的变频器和变频控制装置

技术领域

本发明实施例涉及变频器技术领域，尤其涉及一种采用高压直流供电的变频器和变频控制装置。

背景技术

变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。例如，在数据中心的大型水冷***中，为了更好地节能和控制，采用变频器来控制水泵电机，实现数据中心末端的压差及流量控制。

如图1所示，传统的变频器包括依次连接的整流器、电压转换器(DC-DC)和逆变器(DC-AC)，交流电输入至变频器中，经整流、变压和逆变操作输出电压和频率可调的交流电，以对电动机进行变频和调速控制。

但是，现有的变频器需要对交流电进行多次处理，能耗较高，使得电动机的供电效率较低。

发明内容

本发明实施例提供一种采用高压直流供电的变频器和变频控制装置，以提供一种高效节能的电动机的变频、变压控制方案。

第一方面，本发明实施例提供了一种采用高压直流供电的变频器，包括：第一电压转换器，以及与所述第一电压转换器的输出端相连的逆变器；

所述逆变器的输出端与电动机相连；

所述第一电压转换器的输入端用于输入高压直流电流。

第二方面，本发明实施例还提供了一种采用高压直流供电的变频控制装置，包括：

任一实施例所述的采用高压直流供电的变频器以及高压直流供电模块；

所述高压直流供电模块的输出端与变频器的输入端相连，以向变频器输入高压直流电流。

本发明实施例提供了一种采用高压直流供电的变频器，该变频器包括相连接的第一电压转换器和逆变器，变频器的输入为高压直流电流，通过变频器对高压直流电流依次进行电压转换和逆变，输出电压和频率可调的交流电，以对电动机进行变频和调速控制。本实施例提供的变频器在实现变压变频功能的前提下，去掉了现有技术中的整流器，简化了变频器结构，减少能耗，提高电动机的供电效率。

附图说明

图1是现有技术中的变频器的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种采用高压直流供电的变频器的结构示意图；

图3a是本发明实施例二提供的第一种采用高压直流供电的变频器的结构示意图；

图3b是本发明实施例二提供的第二种采用高压直流供电的变频器的结构示意图；

图3c是本发明实施例二提供的第三种采用高压直流供电的变频器的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的一种采用高压直流供电的变频控制装置的结构示意图；

图5a是本发明实施例四提供的一种采用高压直流供电的变频控制装置的结构示意图；

图5b是本发明实施例四提供的另一种采用高压直流供电的变频控制装置的结构示意图。

其中，10、变频器；11、第一电压转换器；12、逆变器；13、调频逻辑控制器；131、单刀双掷开关；20、电动机；30、上位机；40、高压直流供电模块；41、整流器；42、第二电压转换器；43、电池组；50、电网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。

实施例一

图2是本发明实施例一提供的一种采用高压直流供电的变频器的结构示意图。结合图2，变频器10包括：第一电压转换器(DC-DC)11和逆变器(DC-AC)12。

为了方便描述和区分，变频器10中的电压转换器称为第一电压转换器11。第一电压转换器11是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置，包括升压转换器、降压转换器和升降压转换器。可选地，第一电压转换器11可以是将输入电压转换为一固定电压的转换器，或者是转换电压可调节的转换器。

第一电压转换器11包括输入端和输出端，其中，输入端用于输入高压直流电流。例如，在输入端连接能够提供高压直流电流的供电设备，以输入高压直流电流。输出端与逆变器12的输入端相连，将电压转换后的高压直流电流输入至逆变器12。逆变器12的输出端与电动机20相连。其中，逆变器12是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220V，50Hz正弦波)的设备。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。本实施例中，逆变器12将第一电压转换器11传输的高压直流电，转换为交流电，并将交流电输入至电动机20中。本实施例中，逆变器12为可变频的逆变器12，可调节输出的交流电频率。

本发明实施例提供了一种采用高压直流供电的变频器10，该变频器10包括相连接的第一电压转换器11和逆变器12，变频器10的输入为高压直流电流，通过变频器10对高压直流电流依次进行电压转换和逆变，输出电压和频率可调的交流电，以对电动机20进行变频和调速控制。本实施例提供的变频器10在实现变压变频功能的前提下，去掉了现有技术中的整流器，简化了变频器10结构，同时减少能耗，提高电动机20的供电效率。

实施例二

在上述实施例一的基础上，本实施例示例性的示出了三种采用高压直流供电的变频器的结构。图3a是本发明实施例二提供的第一种采用高压直流供电的变频器的结构示意图，图3b是本发明实施例二提供的第二种采用高压直流供电的变频器的结构示意图，图3c是本发明实施例二提供的第三种采用高压直流供电的变频器的结构示意图。

结合图3a-图3c，在图2的基础上增加了调频逻辑控制器13，调频逻辑控制器13的输入端与所述电动机20或者上位机30相连，输出端与所述逆变器12和/或第一电压转换器11相连。具体而言，在图3a中，调频逻辑控制器13的输入端通过单刀双掷开关131与电动机20和上位机30相连。当单刀双掷开关131连接A触点时，调频逻辑控制器13与电动机20相连；当单刀双掷开关131连接B触点时，调频逻辑控制器13与上位机30相连。

值得说明的是，图3a示出的调频逻辑控制器13能够通过单刀双掷开关131在电动机20和上位机30之间进行切换，但不限于此。调频逻辑控制器13可以通过有线方式或者无线方式仅连接电动机20，也可以通过有线或者无线方式仅连接上位机30。

调频逻辑控制器13用于采集电动机20的期望频率，或者，采集电动机20的期望控制参数，并根据所述期望控制参数计算出期望频率。具体地，调频逻辑控制器13实时从电动机20或者上位机30采集电动机20需要的期望频率，或者实时从电动机20或者上位机30采集电动机20的期望控制参数，例如期望流量控制参数、期望温度控制参数等，再根据期望控制参数计算出期望频率。例如根据期望流量0.1吨每小时，计算出期望频率100赫兹。值得说明的是，根据期望控制参数计算期望频率的方法与电动机20的结构、控制***的控制逻辑相关，本领域技术人员可以采用现有的电机控制方法计算期望频率，此处不再赘述。

调频逻辑控制器13的输出端与逆变器12相连。调频逻辑控制器13还用于将期望频率反馈至所述逆变器12，以调节所述逆变器12的输出频率。具体地，逆变器12包括频率控制器(未示出)，调频逻辑控制器13的输出端与逆变器12的频率控制器连接，用于将期望频率反馈至逆变器12的频率控制器中。频率控制器根据接收到的期望频率，调节所述逆变器12的输出频率。

与图3a类似地，在图3b中，调频逻辑控制器13的输入端通过单刀双掷开关131与电动机20和上位机30相连，但不限于此。调频逻辑控制器13可以通过有线方式或者无线方式仅连接电动机20，也可以通过有线或者无线方式仅连接上位机30。

所述调频逻辑控制器13用于采集电动机20的期望电压，或者，采集电动机20的期望控制参数，并根据所述期望控制参数计算出期望电压。具体地，调频逻辑控制器13实时从电动机20或者上位机30采集电动机20需要的期望电压，或者实时从电动机20或者上位机30采集电动机20的期望控制参数，例如期望流量控制参数、期望温度控制参数等，再根据期望控制参数计算出期望电压。值得说明的是，根据期望控制参数计算期望电压的方法与电动机20的结构、控制***的控制逻辑相关，本领域技术人员可以采用现有的电机控制方法计算期望电压，此处不再赘述。

调频逻辑控制器13的输出端与第一电压转换器11相连。调频逻辑控制器13还用于将所述期望电压反馈至第一电压转换器11，以调节第一电压转换器11的输出电压。具体地，第一电压转换器11包括电压控制器(未示出)，调频逻辑控制器13的输出端与第一电压转换器11的电压控制器连接，用于将期望电压反馈至第一电压转换器11的电压控制器中。电压控制器根据接收到的期望电压，调节第一电压转换器11的输出电压。

综合图3a和图3b，图3c提供了一种根据反馈信号同时实现变压和变频的变频器10结构。调频逻辑控制器13的输入端与所述电动机20或者上位机30相连。将图3a和图3b中的结构综合，调频逻辑控制器13的输入端也可以通过单刀双掷开关131(如图3c所示)，或者通过有线、无线的方式与电动机20和上位机30相连。

调频逻辑控制器13用于采集电动机20的期望电压和期望频率，或者，采集电动机20的期望控制参数，并根据所述期望控制参数计算出期望电压和期望频率。具体地，调频逻辑控制器13实时从电动机20或者上位机30采集电动机20需要的期望电压和期望频率，或者实时从电动机20或者上位机30采集电动机20的期望控制参数，例如期望流量控制参数、期望温度控制参数等，再根据期望控制参数计算出期望电压和期望频率。

调频逻辑控制器13的输出端分别与所述第一电压转换器11和所述逆变器12相连。调频逻辑控制器13还用于将期望电压反馈至第一电压转换器11，将期望频率反馈至所述逆变器12，以调节第一电压转换器11的输出电压以及逆变器12的输出频率。具体地，调频逻辑控制器13的输出端分别与第一电压转换器11的电压控制器(未示出)和逆变器12的频率控制器(未示出)连接，用于将期望电压反馈至电压控制器中，将期望频率反馈至频率控制器中。电压控制器根据接收到的期望电压，调节第一电压转换器11的输出电压；频率控制器根据接收到的期望频率，调节逆变器12的输出频率。

本发明实施例中，通过调频逻辑控制器13的反馈期望电压和/或期望频率，从而闭环控制变频器10的输出电压和输出频率，实现了电动机20的自动变压变频控制。

实施例三

图4是本发明实施例三提供的一种采用高压直流供电的变频控制装置的结构示意图。本实施例提供的变频控制装置包括上述各实施例提供的采用高压直流供电的变频器10以及高压直流供电模块40。

其中，高压直流供电模块40用于输出高压直流电流，本实施例不对高压直流供电模块40的结构进行限定，任何能够输出高压直流电流的模块均在本实施例的保护范围内。高压直流供电模块40的输出端与变频器10的输入端相连，具体通过直流母线相连，以向变频器10输入高压直流电流。直流母线能够有效提高变频控制装置的用电效率。结合上述各实施例提供的变频器10的结构，图4以变频器10包括第一电压转换器11和逆变器12为例，高压直流供电模块40的输出端与第一电压转换器11的输入端相连。

变频控制装置的输出端，即变频器10中逆变器12的输出端连接电动机20，通过高压直流供电模块40和变频器10组合的方案在输出电压和频率可调的交流电的同时，保证电动机20的后备电源；同时，减少能耗，提高电动机20的供电效率。

实施例四

图5a是本发明实施例四提供的一种采用高压直流供电的变频控制装置的结构示意图，图5b是本发明实施例四提供的另一种采用高压直流供电的变频控制装置的结构示意图。本实施例示例性地提供了几种高压直流供电模块40的结构。

如图5a所示，高压直流供电模块40包括整流器(AC-DC)41和第二电压转换器(DC-DC)42，为了方便描述和区分，将高压直流供电模块40中的电压转换器称为第二电压转换器42。其中，整流器41的输入端与电网50相连，用于将从电网50输入的高压交流电转换成高压直流电。整流器41的输出端与第二电压转换器42相连，用于将高压直流电输入至第二电压转换器42中。所述第二电压转换器42的输出端与所述第一电压转换器11的输入端相连，用于将高压直流电变压后，输出至变频器10中进行变压和逆变。

图5b在图5a的基础上增加了电池组43。结合图5b，高压直流供电模块40包括整流器41、第二电压转换器42和电池组43。其中，电池组43包括多个相互串联、并联或者串并联的电池。所述电池组43的正极与高压直流输出模块的正极相连，所述电池组43的负极与所述高压直流输出模块的负极相连。

在电网50正常供电时，电网50提供的交流电经高压直流供电模块40的整流和变压，转换为高压直流电，存储至电池组43中，并通过直流母线输入至变频器10中，经过变频器10的变压和逆变，输出电压和频率可调的交流电至电动机20中。在电网50断电时，电池组43通过直流母线向变频器10输入高压直流电，经过变频器10的变压和逆变，输出电压和频率可调的交流电至电动机20中，从而无论电网50供电正常与否，均能够提供不间断电源至变频器10中，保证电动机20的正常工作。

本领域技术人员应知，现有的不间断电源(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply，UPS)包括依次连接的整流器、电压转换器和逆变器。本实施例提供的高压直流供电模块40仅包括整流器41和第二电压转换器42，相比于现有的不间断电源，去掉了逆变器，简化了高压直流供电模块40的结构；通过高压直流供电模块与本实施例提供的变频器组合，代替了UPS与传统变频器的组合，省去了UPS中的逆变器和传统变频器中的整流器，简化了结构，减少了对输入交流电的处理次数，减少能耗，提高电动机20的供电效率。

上述各实施例提供的采用高压直流供电的变频控制装置可应用在数据中心的水冷***中，基于此，电动机20包括数据中心水冷***中的末端水泵，电网50采用国网电力，则整流器41为三相整流器，逆变器12为三相逆变器。本发明实施例提供的采用高压直流供电的高压直流供电模块40和采用高压直流供电的变频器10的组合方式，相比于现有的UPS和图1示出的传统变频器的组合方式，既满足了末端水泵后备电源的需求，又去掉了UPS中的逆变器以及传统变频器中的整流器，减少了电源变换环节，提高了供电效率，大概6％；同时，在变频和变压的控制逻辑和控制方式上仍可以沿用原有逻辑。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种采用高压直流供电的变频器，其特征在于，包括：第一电压转换器，以及与所述第一电压转换器的输出端相连的逆变器；

所述逆变器的输出端与电动机相连；

所述第一电压转换器的输入端用于输入高压直流电流。

2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述变频器还包括调频逻辑控制器；

所述调频逻辑控制器的输入端与所述电动机或者上位机相连，所述调频逻辑控制器的输出端与所述逆变器相连；

所述调频逻辑控制器用于采集电动机的期望频率，或者，采集电动机的期望控制参数，并根据所述期望控制参数计算出期望频率；将所述期望频率反馈至所述逆变器，以调节所述逆变器的输出频率。

3.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述变频器还包括调频逻辑控制器；

所述调频逻辑控制器的输入端与所述电动机或者上位机相连，所述调频逻辑控制器的输出端与所述第一电压转换器相连；

所述调频逻辑控制器用于采集电动机的期望电压，或者，采集电动机的期望控制参数，并根据所述期望控制参数计算出期望电压；将所述期望电压反馈至第一电压转换器，以调节第一电压转换器的输出电压。

4.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述变频器还包括调频逻辑控制器；

所述调频逻辑控制器的输入端与所述电动机或者上位机相连，所述调频逻辑控制器的输出端分别与所述第一电压转换器和所述逆变器相连；

所述调频逻辑控制器用于采集电动机的期望电压和期望频率，或者，采集电动机的期望控制参数，并根据所述期望控制参数计算出期望电压和期望频率；将所述期望电压反馈至第一电压转换器，将所述期望频率反馈至所述逆变器，以调节第一电压转换器的输出电压以及逆变器的输出频率。

5.一种采用高压直流供电的变频控制装置，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的采用高压直流供电的变频器以及高压直流供电模块；

所述高压直流供电模块的输出端与变频器的输入端相连，以向变频器输入高压直流电流。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述高压直流供电模块包括整流器以及与所述整流器的输出端相连的第二电压转换器；

所述整流器的输入端与电网相连；

所述第二电压转换器的输出端与所述第一电压转换器的输入端相连。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述高压直流供电模块还包括电池组；

所述电池组的正极与高压直流输出模块的正极相连，所述电池组的负极与所述高压直流输出模块的负极相连。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述逆变器为三相逆变器，所述整流器为三相整流器。

9.根据权利要求5-7任一项所述的装置，其特征在于，高压直流供电模块的输出端与变频器的输入端通过直流母线相连。

10.根据权利要求5-7任一项所述的装置，其特征在于，所述电动机包括数据中心水冷***中的末端水泵。