專利名稱：交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置，該 裝置輸出電壓和頻率均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的交流高壓穩(wěn)壓電源裝置，受限于功率器件的耐壓水平，主 要采用兩種技術(shù)方案。 一種是高—低一高方案，釆用輸入變壓器將高 壓交流電降為低壓交流電,完成低壓穩(wěn)壓后再采用升壓變壓器輸出高 壓交流電。這種方案存在著一些不足中間低壓環(huán)節(jié)電流過(guò)大，限制 了裝置的適用范圍；效率低，電能損耗較大；整套裝置體積過(guò)大。另 一種是功率器件直接串聯(lián)方案，將低壓功率器件串聯(lián)起來(lái)，使整體耐 壓水平提高，實(shí)現(xiàn)高壓范圍內(nèi)的穩(wěn)壓功能。這種方案也存在一些問(wèn)題 輸出電流諧波含量較大，輸入輸出需要加裝濾波器；輸入功率因數(shù)較 低，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。同時(shí)，采取上述兩種技術(shù)方案的交流高壓穩(wěn)壓電源在實(shí)際使用中 還暴露了一些不足裝置結(jié)構(gòu)不太合理，當(dāng)某個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)，往 往需要整機(jī)停機(jī)后才能檢修，難以滿足運(yùn)行可靠性的要求。另外，輸出電壓及頻率大小固定，或者調(diào)節(jié)范圍有限，無(wú)法適應(yīng)不同工況要求。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是在于提供一種交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn) 頻電源裝置。該裝置結(jié)構(gòu)間單，適用于交流高壓大功率范圍，輸出電 壓和頻率可以調(diào)節(jié)，當(dāng)輸入電壓和頻率波動(dòng)較大時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn) 頻輸出。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案 該裝置主要包括輸入端傳感器、移相變壓器、功率部分、嵌入式 系統(tǒng)、采樣器、輸出端傳感器。輸入端傳感器與電網(wǎng)、移相變壓器連 接，輸出端傳感器與功率部分、負(fù)載連接，采樣器與輸入端傳感器及 輸出端傳感器相連，嵌入式系統(tǒng)分別與功率部分、采樣器相連。電網(wǎng) 電壓直接輸入移相變壓器，電網(wǎng)輸入的三相交流高壓電在移相變壓器 中轉(zhuǎn)換為多組三相交流低壓電，用來(lái)給功率部分供電。功率部分分為A、 B、 C三相，每相包含三個(gè)功率單元串聯(lián)(包含但不限于三個(gè))，三相一共九個(gè)功率單元。每個(gè)功率單元輸入一組來(lái)自移相變壓器的三 相交流低壓電。功率單元包括熔斷器、整流橋、直流濾波電容器和IGBT單相全橋逆變器。整流橋與移相變壓器副方繞組經(jīng)熔斷器相連， 對(duì)輸入的三相低壓交流電進(jìn)行整流。整流橋與直流濾波電容器相連， 消除整流后的直流電中的諧波。直流濾波電容器連接IGBT單相全橋 逆變器，對(duì)濾波后的直流電進(jìn)行逆變。三相交流低壓電在功率單元中 完成整流、濾波、逆變過(guò)程之后，變?yōu)閱蜗嘟涣鞯蛪弘娸敵觥９β什糠置肯啻?lián)的三個(gè)功率單元輸出的單相交流低壓電經(jīng)疊加后，形成單相高壓電輸出，由于功率部分共有A、 B、 C三相，便輸出三相交流 高壓電。輸出的三相交流高壓電可直接供負(fù)載使用。輸入端傳感器接到電網(wǎng)與移相變壓器的連接電纜上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸 入端的三相電壓信號(hào)和頻率信號(hào)。輸出端傳感器接到功率部分與負(fù)載 的連接電纜上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出端的三相電壓信號(hào)和頻率信號(hào)。采樣器 與輸入端傳感器以及輸出端傳感器相連，嵌入式系統(tǒng)分別與功率部 分、采樣器相連，對(duì)電壓和頻率信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將采樣數(shù)據(jù)送到 嵌入式系統(tǒng)。高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置由輸入端傳感器、移相變壓 器、功率部分、嵌入式系統(tǒng)、采樣器、輸出端傳感器組成。電網(wǎng)與穩(wěn) 壓穩(wěn)頻裝置相連，輸入的高壓交流電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓穩(wěn)頻處理后，輸出符合 用戶要求的高壓交流電至負(fù)載。以3KV， 250KW的一型高壓大功率 可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置為例，該裝置的移相變壓器選用3KV/315KW 型，輸入端傳感器和輸出端傳感器選用LEM公司的LV100型，功率 部分選用湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司的3KV， 250KW系列，嵌入式 系統(tǒng)選用基于FPGA的EP2C35484C8系統(tǒng)板，采樣器選用MAX125。嵌入式系統(tǒng)中包含一種預(yù)先設(shè)定的校正方法，根據(jù)這種方法對(duì)由 采樣器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出控制信號(hào)到功率部分，控制各 功率單元的工作情況，調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)由于利用功率單元串 聯(lián)疊加技術(shù)，該裝置的電壓等級(jí)高、輸出容量大。該裝置既可以保證輸出電壓穩(wěn)定，又可以保證輸出頻率穩(wěn)定可靠。該裝置輸入諧波含量 低，不需要加裝濾波器。該裝置提高功率因數(shù)，降低了電能損耗。該 裝置不僅可以提供穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出，還可以根據(jù)實(shí)際需要改變輸出電壓 和頻率，實(shí)現(xiàn)變壓變頻輸出。功率單元采用模塊化設(shè)計(jì)，方便安裝與 維修，運(yùn)行可靠。該裝置可以提供冗余方案，功率部分的每相增加一 個(gè)備用功率單元作為熱備用， 一旦需要可以迅速投入運(yùn)行，增加了功 率裕量，調(diào)節(jié)能力大為增強(qiáng)。


-圖1為一種高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為功率部分結(jié)構(gòu)示意圖圖2所示，功率部分4分為A、 B、 C三相，A相包括A1、 A2、 A3三個(gè)功率單元14， B相包括B1、 B2、 B3三個(gè)功率單元14， C相 包括C1、 C2、 C3三個(gè)功率單元14，三相一共九個(gè)功率單元14。圖3為功率單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖3所示，功率單元14由三相熔斷器10、整流橋11、直流濾波 電容器12、 IGBT單相全橋逆變器13組成。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型再作進(jìn)一步的說(shuō)明根據(jù)圖l、圖2、圖3可知，以3KV， 250KW的一型高壓大功率 可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置為例，該裝置選用3KV/315KW型的移相變壓器。電網(wǎng)1電壓直接輸入移相變壓器3，電網(wǎng)1輸入的三相交流高壓 電在移相變壓器3中轉(zhuǎn)換為多組三相交流低壓電，用來(lái)給功率部分4 供電。根據(jù)圖2可知，功率部分4，包括功率單元A1、 A2、 A3、 Bl、 B2、 B3、 Cl、 C2、 C3，分為A、 B、 C三相，每相包含三個(gè)功率單 元14 (包含但不限于三個(gè))，同相的三個(gè)功率單元14相互串聯(lián)，三 相一共九個(gè)功率單元14。每個(gè)功率單元14輸入一組來(lái)自移相變壓器 3的三相交流低壓電。三相交流低壓電在功率單元14中完成整流、 濾波、逆變過(guò)程之后，變?yōu)閱蜗嘟涣鞯蛪弘娸敵?。功率部?每相串 聯(lián)的三個(gè)功率單元14輸出的單相交流低壓電經(jīng)疊加后，形成單相高 壓電輸出，由于功率部分4共有A、 B、 C三相，便輸出三相交流高 壓電。輸出的三相交流高壓電可直接供負(fù)載8使用。功率單元14結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括熔斷器IO(型號(hào)為 80A/750VAC)，整流橋ll(德國(guó)西門(mén)康公司的SKD110/16)，直流濾波 電容器12 (直流濾波電容器12選用4700]jF/400V的電解電容C4、 C5進(jìn)行連接，C4與C5直接串聯(lián)完成直流濾波功能)，和IGBT單相 全橋逆變器13(IGBT單相全橋逆變器選用德國(guó)EUPEC公司的 BSM100GB170DLC型IGBT進(jìn)行連接，連接方法見(jiàn)圖3中13部分所 示)。整流橋11與移相變壓器3副方繞組經(jīng)熔斷器10相連，對(duì)輸入 的三相低壓交流電進(jìn)行整流。整流橋11與直流濾波電容器12相連， 消除整流后的直流電中的諧波。直流濾波電容器12連接IGBT單相 全橋逆變器13，對(duì)濾波后的直流電進(jìn)行逆變。輸入端傳感器2接到電網(wǎng)1與移相變壓器3的連接電纜上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入端的三相電壓信號(hào)和頻率信號(hào)。輸出端傳感器7接到功率部分4與負(fù)載8的連接電纜上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出端的三相電壓信號(hào)和頻率 信號(hào)。采樣器6與輸入端傳感器2以及輸出端傳感器7相連，對(duì)電壓 和頻率信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將采樣數(shù)據(jù)送到嵌入式系統(tǒng)5。根據(jù)圖2可知，移相變壓器3分別與功率單元Al、功率單元Bl、 功率單元A2、功率單元B2、功率單元C2、功率單元A3、功率單元 B3、功率單元C3相連，用以給功率單元Al、 Bl、 Cl、 A2、 B2、 C2、 A3、 B3、 C3提供低壓三相交流電，在各功率單元中實(shí)現(xiàn)低壓三 相交流電的整流、濾波、逆變過(guò)程，然后從各功率單元中輸出低壓?jiǎn)?相交流電。功率單元A1、功率單元A2、功率單元A3串聯(lián)起來(lái)，每 個(gè)功率單元輸出的低壓?jiǎn)蜗嘟涣麟娊?jīng)串聯(lián)疊加后，形成高壓A相交 流電輸出至負(fù)載8。功率單元B1、功率單元B2、功率單元B3串聯(lián) 起來(lái)，每個(gè)功率單元輸出的低壓?jiǎn)蜗嘟涣麟娊?jīng)串聯(lián)疊加后，形成高壓 B相交流電輸出至負(fù)載8。功率單元Cl、功率單元C2、功率單元AC3 串聯(lián)起來(lái)，每個(gè)功率單元輸出的低壓?jiǎn)蜗嘟涣麟娊?jīng)串聯(lián)疊加后，形成 高壓C相交流電輸出至負(fù)載8。 A、 B、 C三相合起來(lái)給負(fù)載8提供 高壓三相交流電，實(shí)現(xiàn)高壓變頻器的輸出。功率單元A1、功率單元 Bl、功率單元C1一端并聯(lián)，構(gòu)成回路保證A、 B、 C三相電壓平衡。 以上所用功率單元Al、 A2、 A3、 Bl、 B2、 B3、 Cl、 C2、 C3均采 用湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的3KV、 250KW系列功率單元。嵌入式系統(tǒng)5中包含一種預(yù)先設(shè)定的校正方法，根據(jù)這種方法對(duì) 由采樣器6送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出控制信號(hào)到功率部分4,控制各功率單元14的工作情況，調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率。嵌入式系統(tǒng)5可選用基于FPGA的EP2C35484C8系統(tǒng)板(也可 選用具有相同功能的其他產(chǎn)品，比如基于Intel-CPU的PCI—6871 嵌入式系統(tǒng)板，基于DSP的TMS320LF2407嵌入式系統(tǒng)板，基于ARM 的S3C451B嵌入式系統(tǒng)板)。預(yù)先設(shè)定的校正方法包括電壓調(diào)節(jié)方法 和頻率調(diào)節(jié)方法兩部分，由于電壓調(diào)節(jié)方法與頻率調(diào)節(jié)方法基本原理 類似，故以電壓調(diào)節(jié)方法為例對(duì)該校正方法進(jìn)行具體說(shuō)明，如下首先，對(duì)FPGA芯片進(jìn)行初始化。在FPGA芯片中選取一定數(shù)量的 存儲(chǔ)單元，以].OOO為例(包括但不限于1000)。保持輸入電壓Ui不 變(以3.3KV為例)，通過(guò)調(diào)節(jié)功率單元控制信號(hào)改變輸出電壓值。測(cè) 量輸出電壓值U。，進(jìn)行如下計(jì)算k=g。將k在0 2的變化范圍 等分為1000份，每份0.002。 k值大小對(duì)應(yīng)的份數(shù)作為功率單元控制 信號(hào)在FPGA芯片中的存儲(chǔ)地址，即當(dāng)k二0.002時(shí)，對(duì)應(yīng)l份，將此 時(shí)功率單元的控制信號(hào)存入FPGA芯片地址為1的存儲(chǔ)單元中；當(dāng)k =1時(shí)，對(duì)應(yīng)500份，將此時(shí)功率單元的控制信號(hào)存入FPGA芯片地 址為500的存儲(chǔ)單元中；當(dāng)k二2時(shí)，對(duì)應(yīng)1000份，將此時(shí)功率單元 的控制信號(hào)存入FPGA芯片地址為IOOO的存儲(chǔ)單元中。同時(shí)，默認(rèn)輸 出FPGA地址為500單元中的控制信號(hào)至功率單元(即默認(rèn)k二l，維 持輸出電壓與輸入電壓大小相等)。(1)采用輸入電壓為處理對(duì)象的開(kāi)環(huán)電壓校正方式 ①、輸入端傳感器2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穩(wěn)壓穩(wěn)頻裝置9的輸入電壓，經(jīng)采 樣器6采樣后由導(dǎo)線傳入嵌入式系統(tǒng)5。② 、嵌入式系統(tǒng)5根據(jù)用戶指令決定采取哪一種輸出方式，若采 取定壓輸出方式，則進(jìn)入步驟③，若采取變壓輸出方式，則進(jìn)入步驟 。③ 、采用定壓輸出方式時(shí)，預(yù)先設(shè)定額定輸出電壓大小Uno，由 于默認(rèn)k二l，輸入電壓額定值Uni=Un。。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電壓值，看是否為額定值。若是，則返回步驟②；若否，則將輸入電壓采樣值Uil進(jìn)行如下運(yùn)算令a二^x500 ，然后進(jìn)入步驟⑤。Uii④ 、采用變壓輸出方式時(shí)，由用戶輸入所需的輸出電壓大小Udo。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電壓值，并記錄為Ui2。根據(jù)要求的輸出電壓Udo，進(jìn) 行如下運(yùn)算令a二^x500。然后進(jìn)入步驟⑤。Ui2⑤ 、將FPGA中地址為a的單元儲(chǔ)存的控制信號(hào)傳送到功率部分， 調(diào)節(jié)各功率單元的運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整輸出電壓為用戶需要值。⑥ 、返回步驟②。(2)采用輸出電壓為處理對(duì)象的閉環(huán)電壓校正方式① 、輸出端傳感器7實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穩(wěn)壓穩(wěn)頻裝置9的輸出電壓，經(jīng)采 樣器6采樣后由導(dǎo)線傳入嵌入式系統(tǒng)5。② 、嵌入式系統(tǒng)5根據(jù)用戶指令決定采取哪一種輸出方式，若采 取定壓輸出方式，則進(jìn)入步驟③，若采取變壓輸出方式，則進(jìn)入步驟 。③ 、采用定壓輸出方式時(shí)，預(yù)先設(shè)定輸出電壓額定值Uiio。實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)輸出電壓值，看是否為額定值。若是，則返回步驟②；若否，則 將采樣電壓值Uol進(jìn)行如下運(yùn)算令b- ^x500，然后進(jìn)入步驟⑤。 、采用變壓輸出方式時(shí)，由用戶輸入所需的輸出電壓值Udo。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓值，并記錄為Uo2。根據(jù)要求的輸出電壓Udo，進(jìn) 行如下運(yùn)算令<formula>formula see original document page 11</formula>進(jìn)入步驟⑤。⑤ 、將FPGA中地址為b的單元儲(chǔ)存的控制信號(hào)傳送到功率部分， 調(diào)節(jié)功率單元的運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整輸出為用戶需要值。⑥ 、返回步驟②。開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)方式可以保證快速的對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，閉環(huán)調(diào)節(jié)方 式可以保證更精確的對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。頻率調(diào)節(jié)方法與電壓調(diào)節(jié) 方法原理相類似，將上述步驟中的處理對(duì)象由電壓U換為頻率F即 為頻率調(diào)節(jié)方法。本實(shí)用新型的一種交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置，該裝 置可提供多種不同的工作方式供用戶選擇可采取定壓定頻方式，定 壓變頻方式，變壓定頻方式，變壓變頻方式。該裝置對(duì)電壓和頻率的 調(diào)節(jié)方便可靠，僅僅通過(guò)軟件即可實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行電壓或頻率的調(diào)節(jié)時(shí)， 又有不同校正方式可供選擇，開(kāi)環(huán)校正方式可滿足用戶快速性的要 求，而閉環(huán)校正方式則可滿足用戶精確性的要求。本實(shí)用新型涉及的 交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源可用于多種供電場(chǎng)合。
權(quán)利要求1、一種交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置，它包括輸入端傳感器(2)、移相變壓器(3)、功率部分(4)、嵌入式系統(tǒng)(5)、采樣器(6)、輸出端傳感器(7)，其特征在于輸入端傳感器(2)與電網(wǎng)(1)、移相變壓器(3)連接，輸出端傳感器(7)與功率部分(4)、負(fù)載(8)連接，采樣器(6)與輸入端傳感器(2)及輸出端傳感器(7)相連，嵌入式系統(tǒng)(5)分別與功率部分(4)、采樣器(6)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電 源裝置，其特征在于功率部分(4)包括功率單元(A1、 A2、 A3、 Bl、 B2、 B3、 Cl、 C2、 C3)，分為三相，每相包含三個(gè)功率單元(14)，同 相的三個(gè)功率單元(14)相互串聯(lián)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電 源裝置，其特征在于功率單元(14)包括熔斷器(10)、整流橋(ll)、直 流濾波電容器(12)、 IGBT單相全橋逆變器(13)，整流橋(ll)與移相變 壓器(13)副方繞組經(jīng)熔斷器(10)相連，整流橋(ll)與直流濾波電容器 (12)相連，直流濾波電容器(12)連接IGBT單相全橋逆變器(13)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種交流高壓大功率可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源裝置，它包括輸入端傳感器、移相變壓器、功率部分、嵌入式系統(tǒng)、采樣器、輸出端傳感器。輸入端傳感器接到電網(wǎng)與移相變壓器的連接電纜上，輸出端傳感器接到功率部分與負(fù)載連接電纜上，采樣器與輸入端傳感器及輸出端傳感器相連，嵌入式系統(tǒng)分別與功率部分、采樣器相連。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓等級(jí)高，輸入容量大，電壓穩(wěn)定、可靠，運(yùn)行可靠，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK201118453SQ20072008646
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者畢平勁, 松 王, 王宏英 申請(qǐng)人:湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司