專利名稱：一種鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路，特別是一種通過(guò)交流逆 變?cè)O(shè)備產(chǎn)生激磁電流對(duì)變壓器進(jìn)行勵(lì)磁，并通過(guò)電壓檢測(cè)電路對(duì)交流逆變?cè)O(shè)備的輸出進(jìn)行 控制，從而避免了激磁電流在限流電阻上消耗較大功率，同時(shí)避免了沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成 影響的預(yù)充電電路，屬于高壓變頻器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器作為電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的 各個(gè)領(lǐng)域如冶金、石化、自來(lái)水、電力等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用， 特別是，高壓大功率變頻器的應(yīng)用日漸廣泛。在高壓變頻器中，由功率單元(又稱功率模塊、變流單元，如圖2所示)串聯(lián)構(gòu)成 的高壓大功率變頻器(如圖1所示)作為適合中國(guó)國(guó)情、性能優(yōu)異的變頻器，受到眾多變頻 器生產(chǎn)廠商、科研院所、工程技術(shù)人員、用戶的青睞。高壓大功率變頻器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，篇幅所限，本說(shuō)明書(shū)僅針對(duì)在市場(chǎng)上應(yīng)用最 為廣泛的單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器進(jìn)行敘述。本專利所述技術(shù)應(yīng)用于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 高壓變頻器時(shí)，其工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法與本說(shuō)明書(shū)的敘述完全相同。這種高壓變頻器結(jié)構(gòu)已經(jīng)在中國(guó)實(shí)用新型專利ZL97100477. 3中公開(kāi)。該高壓變 頻器在電網(wǎng)側(cè)有一個(gè)整流變壓器，此整流變壓器有多個(gè)副邊繞組，為了抑制對(duì)電網(wǎng)的諧波， 這些副邊繞組常常采用曲折繞法，達(dá)到移相的效果，分別給各個(gè)串聯(lián)的功率單元供電。每個(gè) 功率單元為3相輸入、單相輸出的電壓源型變頻器。在電路原理上，此整流變壓器起到了隔離的作用，使各功率單元相互之間在輸入 側(cè)隔離，這樣，由于功率單元的逆變橋在輸出側(cè)相互串聯(lián)，功率單元的整體電位(電勢(shì))就 會(huì)逐級(jí)提高。通常，此整流變壓器有一個(gè)輔助繞組，為變頻器的冷卻風(fēng)機(jī)供電。目前，高壓變頻器在高壓上電時(shí)，通常采用直接沖擊的方法，即直接閉合為其供電 的高壓斷路器。用這種方法在高壓上電時(shí)，會(huì)對(duì)高壓電網(wǎng)產(chǎn)生7至10倍于額定電流的沖擊 電流，影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，會(huì)對(duì)功率單元內(nèi)的直流電容和整流器件產(chǎn)生很大 的沖擊電流，影響其使用壽命。一種解決方法是在變頻器的高壓輸入側(cè)安裝激磁涌流抑制電路。該電路由限流電 阻和與之并聯(lián)的高壓開(kāi)關(guān)(高壓真空斷路器或者高壓真空接觸器)組成。該電路串聯(lián)在高 壓電源與高壓變頻器的輸入端之間。在高壓上電前，高壓開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)限流電阻 對(duì)高壓變頻器進(jìn)行充電，充電完成后，閉合高壓開(kāi)關(guān)，充電過(guò)程結(jié)束。由于該電路屬于高壓 電路，所用的器件為高壓器件，所以成本遠(yuǎn)高于本專利所述電路，體積也遠(yuǎn)大于本專利所述 電路。另一種解決方法是通過(guò)低壓電源和限流電阻向整流變壓器的輔助繞組供電，通過(guò) 變壓器在副邊繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對(duì)功率單元的直流電容進(jìn)行充電。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，逐漸用接觸器旁路掉部分限流電阻，充電完成后，斷開(kāi)充電電路，閉合高壓斷路器。這種 方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)用低壓電源對(duì)變頻器的充電，但是存在著一些問(wèn)題第一，由于整流變壓 器整機(jī)的額定容量遠(yuǎn)大于其輔助繞組的額定容量，因此通過(guò)輔助繞組激磁時(shí)，穩(wěn)態(tài)激磁電 流非常大，過(guò)大的激磁電流會(huì)在限流電阻上產(chǎn)生過(guò)大的電壓降，如果選擇較少的接觸器，每 次旁路的電阻阻值較大，則每次旁路突加在輔助繞組上的電壓較高，從而每次用接觸器旁 路電阻時(shí)會(huì)對(duì)低壓電源產(chǎn)生很大的沖擊電流，同時(shí)也對(duì)功率單元中的直流電容有一定的沖 擊，如果選擇較多的接觸器，則成本較高；第二，如果為了節(jié)省成本，省去最后一級(jí)接觸器， 在斷開(kāi)充電電路前未旁路所有限流電阻，則考慮到電阻上的電壓降，預(yù)充電是不充分的，在 高壓上電時(shí)仍會(huì)有沖擊電流；第三，由于過(guò)大的激磁電流使電阻嚴(yán)重發(fā)熱，因而此電路需要 采用大功率電阻，體積大，成本高，效率低。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種通過(guò)交流逆變?cè)O(shè) 備產(chǎn)生激磁電流對(duì)變壓器進(jìn)行勵(lì)磁，并通過(guò)電壓檢測(cè)電路對(duì)交流逆變?cè)O(shè)備的輸出進(jìn)行控制 的預(yù)充電電路及其控制方法，避免了變壓器激磁電流對(duì)預(yù)充電的影響，最大限度地降低了 電路損耗，提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)成本，降低了上電過(guò)程對(duì)電網(wǎng)和功率單元的沖擊。本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的是通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路，其特征在于，包括輔助繞組、交流逆變 設(shè)備、低壓電源和電壓檢測(cè)電路；所述輔助繞組設(shè)置在整流變壓器的副邊側(cè)，與該原邊繞組相對(duì)應(yīng)；所述交流逆變 設(shè)備串聯(lián)在輔助繞組和低壓電源之間；該交流逆變?cè)O(shè)備的輸入端與低壓電源相連，其輸出 端與輔助繞組相連；所述電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)高壓電網(wǎng)或低壓電網(wǎng)的電壓頻率和相位，并將所檢測(cè) 到的電壓頻率和相位信息放送給交流逆變?cè)O(shè)備，用以控制交流逆變?cè)O(shè)備輸出電壓的頻率和 相位。所述低壓電源采用單相交流電電源、三相交流電電源或直流電源。所述交流逆變?cè)O(shè)備采用交直交型低壓逆變器或直流轉(zhuǎn)交流逆變器。所述電壓檢測(cè)電路對(duì)引自高壓電網(wǎng)電壓互感器的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量得到高 壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位信息放送給交流逆變?cè)O(shè)備。所述電壓檢測(cè)電路對(duì)引自低壓低壓電源的電壓進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)預(yù)設(shè)的高、低壓電 網(wǎng)間相位差計(jì)算出高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位，并將計(jì)算得到高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位 信息放送給交流逆變?cè)O(shè)備。所述電壓檢測(cè)電路是對(duì)電壓進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的物理電路或?qū)﹄娋W(wǎng)電壓進(jìn)行取樣 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。在所述交流逆變?cè)O(shè)備的輸出端與輔助繞組之間還可設(shè)置有濾波器。所述濾波器采用LC濾波器或者RC濾波器。在所述交流逆變?cè)O(shè)備的輸入側(cè)和/或輸出側(cè)安裝有接觸器。本實(shí)用新型的有益效果是該充電電路通過(guò)用交流逆變?cè)O(shè)備替代現(xiàn)有的限流電 阻產(chǎn)生激磁電流對(duì)變壓器進(jìn)行勵(lì)磁，并且通過(guò)電壓檢測(cè)電路對(duì)交流逆變?cè)O(shè)備的輸出進(jìn)行控制，避免了變壓器激磁電流對(duì)預(yù)充電的影響，最大限度地降低了電路損耗，提高了系統(tǒng)效 率，降低了系統(tǒng)成本，降低了上電過(guò)程對(duì)電網(wǎng)和功率單元的沖擊。
圖1為單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的結(jié)構(gòu)；圖2為典型的功率單元結(jié)構(gòu)；圖3為鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路的電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。圖3是鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路的電路圖。如圖所示，高壓變頻器的整 流變壓器1包括有原邊繞組2和副邊繞組3。所述用于高壓變頻器的諧振式預(yù)充電電路設(shè) 置在整流變壓器1的副邊側(cè)，包括輔助繞組4、交流逆變?cè)O(shè)備6、低壓電源8和電壓檢測(cè)電 路9。所述輔助繞組4設(shè)置在整流變壓器的副邊側(cè)，與該原邊繞組2相對(duì)應(yīng)。所述交流 逆變?cè)O(shè)備6串聯(lián)在輔助繞組4和低壓電源8之間。該交流逆變?cè)O(shè)備6的輸入端與低壓電源 8相連，其輸出端與輔助繞組4相連。所述電壓檢測(cè)電路9用于檢測(cè)高壓電網(wǎng)或低壓電網(wǎng)的 電壓頻率和相位，并將所檢測(cè)到的電壓頻率和相位信息放送給交流逆變?cè)O(shè)備6，用以控制交 流逆變?cè)O(shè)備6輸出電壓的頻率和相位。如上述結(jié)構(gòu)的鎖相投切式預(yù)充電電路相較于現(xiàn)有高壓變頻器的預(yù)充電電路其主 要特點(diǎn)是一方面，通過(guò)交流逆變?cè)O(shè)備替代現(xiàn)有預(yù)充電電路中的限流電阻的作用，使得低壓 電源對(duì)高壓變頻器的充電過(guò)程通過(guò)交流逆變?cè)O(shè)備進(jìn)行調(diào)壓控制。所謂交流逆變?cè)O(shè)備一般 為交直交型低壓變頻器或者直流變交流的逆變器，能夠主動(dòng)地控制其輸出電壓的幅值和頻 率。在充電過(guò)程中，可以通過(guò)主動(dòng)提升輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的柔性激磁和對(duì)功率單元 內(nèi)直流電容的緩慢充電。與現(xiàn)有的電阻限流充電技術(shù)相比，其充電過(guò)程可控性更強(qiáng)、更柔 和，由于電力電子器件的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)電阻的損耗，因此充電過(guò)程功率消耗和發(fā) 熱更小，效率更高。另一方面，通過(guò)設(shè)置電壓檢測(cè)電路對(duì)交流逆變?cè)O(shè)備輸出電壓進(jìn)行控制， 使其輸出電壓的頻率和相位與高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位相一致。從而減小高壓合間時(shí)交 流逆變?cè)O(shè)備過(guò)電流和沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成的影響。由于在本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的預(yù)充電電路中是采用交流逆變?cè)O(shè)備來(lái)產(chǎn)生激磁電流 對(duì)變壓器進(jìn)行勵(lì)磁。而交流逆變?cè)O(shè)備本身是可以根據(jù)控制產(chǎn)生相應(yīng)電壓和頻率的交流電 的。因此，基于該預(yù)充電電路的低壓電源8可以不限于是三相交流電電源，其可以是單相交 流電電源、三相交流電電源或直流電源。相應(yīng)的，對(duì)于采用交流電源作為低壓電源的，其交 流逆變?cè)O(shè)備應(yīng)采用交直交型低壓逆變器。而對(duì)于采用直流電源作為低壓電源的，其交流逆 變?cè)O(shè)備應(yīng)采用直流轉(zhuǎn)交流逆變器。而通過(guò)所述電壓檢測(cè)電路9對(duì)高壓電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)通常有直接或間接兩種檢 測(cè)方式。直接檢測(cè)方式是該電壓檢測(cè)電路直接對(duì)引自高壓電網(wǎng)電壓互感器的信號(hào)進(jìn)行測(cè) 量，從而測(cè)量得到高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位。間接檢測(cè)方式是該電壓檢測(cè)電路對(duì)引自低 壓低壓電源的電壓進(jìn)行測(cè)量，并且能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的高、低壓電網(wǎng)間相位差計(jì)算出高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位。在實(shí)際應(yīng)用中，這兩種檢測(cè)方式均應(yīng)在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。并且，電壓檢測(cè)電路9既可以是對(duì)電壓進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的物理電路，也可以是對(duì) 電網(wǎng)電壓進(jìn)行取樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。這兩種電路均能實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)頻率和相位信息的檢 測(cè)。另外，根據(jù)需要，在所述交流逆變?cè)O(shè)備6的輸出端與輔助繞組4之間還可設(shè)置有濾 波器5，用以降低交流逆變?cè)O(shè)備6輸出電壓的諧波并補(bǔ)償一定的充電所需無(wú)功功率。該濾波 器5可以采用LC濾波器或者RC濾波器。除此之外，有時(shí)為了避免在高壓上電后交流逆變?cè)O(shè)備長(zhǎng)期帶電，或者避免高壓電 源與低壓電源在主變壓器以外的地方耦合，可在交流逆變?cè)O(shè)備的輸入側(cè)和/或輸出側(cè)安裝 接觸器，使交流逆變?cè)O(shè)備在非預(yù)充電狀態(tài)下與低壓電源/整流變壓器進(jìn)行電氣隔離。該交流逆變?cè)O(shè)備6容量選用原則為其額定輸出電流不低于整流變壓器依賴輔助 繞組4進(jìn)行激磁時(shí)的激磁電流，一般選為該值的2至3倍，以防止交流逆變?cè)O(shè)備6在對(duì)高壓 變頻器充電時(shí)發(fā)生過(guò)載。綜上所述，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路及其控制方法 是通過(guò)交流逆變?cè)O(shè)備產(chǎn)生激磁電流對(duì)變壓器進(jìn)行勵(lì)磁，并通過(guò)電壓檢測(cè)電路對(duì)交流逆變?cè)O(shè) 備的輸出進(jìn)行控制的預(yù)充電電路及其控制方法，避免了變壓器激磁電流對(duì)預(yù)充電的影響， 最大限度地降低了電路損耗，提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)成本，降低了上電過(guò)程對(duì)電網(wǎng)和 功率單元的沖擊。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員基于上述設(shè)計(jì)思想所做的任何不具有創(chuàng)造性的改 造，均應(yīng)視為在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路，其特征在于，包括輔助繞組、交流逆變?cè)O(shè)備、低壓電源和電壓檢測(cè)電路；所述輔助繞組設(shè)置在整流變壓器的副邊側(cè)，與整流變壓器的原邊繞組相對(duì)應(yīng)；所述交流逆變?cè)O(shè)備串聯(lián)在輔助繞組和低壓電源之間；該交流逆變?cè)O(shè)備的輸入端與低壓電源相連，其輸出端與輔助繞組相連；所述電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)高壓電網(wǎng)或低壓電網(wǎng)的電壓頻率和相位，并將所檢測(cè)到的電壓頻率和相位信息放送給交流逆變?cè)O(shè)備，用以控制交流逆變?cè)O(shè)備輸出電壓的頻率和相位。
2.如權(quán)利要求1所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于所述低壓電源采用單相 交流電電源、三相交流電電源或直流電源。
3.如權(quán)利要求1所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于所述交流逆變?cè)O(shè)備采用 交直交型低壓逆變器或直流轉(zhuǎn)交流逆變器。
4.如權(quán)利要求1所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于所述電壓檢測(cè)電路對(duì)引 自高壓電網(wǎng)電壓互感器的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量得到高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位信息放 送給交流逆變?cè)O(shè)備。
5.如權(quán)利要求1所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于所述電壓檢測(cè)電路對(duì)引 自低壓電源的電壓進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)預(yù)設(shè)的高、低壓電網(wǎng)間相位差計(jì)算出高壓電網(wǎng)電壓的頻 率和相位，并將計(jì)算得到高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位信息放送給交流逆變?cè)O(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于所述電壓檢測(cè)電路是對(duì) 電壓進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的物理電路或?qū)﹄娋W(wǎng)電壓進(jìn)行取樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
7.如權(quán)利要求1所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于在所述交流逆變?cè)O(shè)備的 輸出端與輔助繞組之間還可設(shè)置有濾波器。
8.如權(quán)利要求7所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于所述濾波器采用LC濾波 器或者RC濾波器。
9.如權(quán)利要求1所述的鎖相投切式預(yù)充電電路，其特征在于在所述交流逆變?cè)O(shè)備的 輸入側(cè)和/或輸出側(cè)安裝有接觸器。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種鎖相投切式高壓變頻器預(yù)充電電路，其特征在于，包括輔助繞組、交流逆變?cè)O(shè)備、低壓電源和電壓檢測(cè)電路；所述輔助繞組設(shè)置在整流變壓器的副邊側(cè)，與該原邊繞組相對(duì)應(yīng)；所述交流逆變?cè)O(shè)備串聯(lián)在輔助繞組和低壓電源之間；該交流逆變?cè)O(shè)備的輸入端與低壓電源相連，其輸出端與輔助繞組相連；電壓檢測(cè)電路用以檢測(cè)高壓電網(wǎng)電壓的頻率和相位信息，進(jìn)而控制交流逆變?cè)O(shè)備輸出。通過(guò)用交流逆變?cè)O(shè)備對(duì)變壓器進(jìn)行勵(lì)磁，并通過(guò)電壓檢測(cè)電路對(duì)其輸出進(jìn)行控制，避免了變壓器激磁電流對(duì)預(yù)充電的影響，最大限度地降低了電路損耗，提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)成本，降低了上電過(guò)程對(duì)電網(wǎng)和功率單元的沖擊。
文檔編號(hào)H02M5/42GK201774461SQ201020146439
公開(kāi)日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者馬永健 申請(qǐng)人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司