專利名稱：新型智能高頻開關(guān)直流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電站電源設(shè)備，特別是涉及通過高頻斬波器提供整流電源的電源設(shè)備。
直流電源設(shè)備是發(fā)電廠、水電站及各類變電站必須配備的裝置。傳統(tǒng)的直流電源設(shè)備為晶閘管相控整流直流電源，主要由工頻輸入降壓變壓器、晶閘管相控整流及相應(yīng)的控制電路單元、濾波單元、蓄電池組、動力母線及硅鏈降壓單元和控制母線組成，其結(jié)構(gòu)如附

圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的電源設(shè)備其不足之處在于，工頻三相全控橋的失控時間較長(平均為3.3ms)，動態(tài)響應(yīng)較差即控制性能較差；要組成N+1冗余系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)將過于復(fù)雜，因此這類直流電源設(shè)備都沒有采用冗余結(jié)構(gòu)，設(shè)備的可靠性低；降壓單元損耗大，調(diào)壓精度差，很難滿足后端設(shè)備使用的需要，特別是難以滿足閥控式密封鋁酸蓄電池組對充電的要求，這類電源設(shè)備由于上述諸多不足，已逐漸被淘汰出局。
逆變式高頻開關(guān)電源設(shè)備是近幾年開發(fā)出來的一種新型的直流電源設(shè)備，主要由智能交流配電單元、逆變式開關(guān)電源模塊、微機監(jiān)控模塊、蓄電池組、降壓裝置、動力母線和控制母線構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。這種電源設(shè)備，主要采取的技術(shù)措施是用完全逆變式高頻開關(guān)電源模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)電源設(shè)備中的工頻變壓器和相控制整流橋，由于開關(guān)電源模塊中起隔離和降壓作用的變壓器與輸出濾波單元工作于高頻，動態(tài)相應(yīng)快，即控制性能好，又由于開關(guān)電源模塊比較容易實現(xiàn)并聯(lián)工作，可很方便地組成N+1冗余系統(tǒng)，因此這種電源設(shè)備的工作可靠性高。但這種電源設(shè)備也有些明顯不足的地方首先，逆變式高頻開關(guān)中橋臂上下開關(guān)管可能出現(xiàn)直通故障；輸出高頻變壓器的磁芯會出現(xiàn)階梯式趨向飽和瞬時飽和現(xiàn)象(目前，也出現(xiàn)了一些針對措施，但這使得電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜；而且，這些措施也并不是非常有效)，在某些瞬態(tài)過程(如負載突變、暫態(tài)短路、參數(shù)漂移等)中，可能使模塊工作不穩(wěn)定甚至損壞。而對直流電源柜這種電源設(shè)備來說，由于其工作的重要性和特殊性，除了要具備高的性能指標外，最重要的還是要求有很高的工作可靠性，因此從可靠性的觀點來看，不能不說這種系統(tǒng)還存一些不足。
其次，對于逆變式開關(guān)電源，由于器件等多種因素的限制，其單體電源模塊的輸出只有10A/230VDC，個別的也只能作到15A/230VDC。要組成上百安輸出電流的直流電源，就需十個或十幾個這樣的模塊并聯(lián)工作。太多的模塊并聯(lián)工作，使系統(tǒng)過于復(fù)雜，可靠性降低，同時也會降低系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。
第三，因為在中國的城市近效或農(nóng)村中電壓的不穩(wěn)或過高，使逆變式高頻開關(guān)電源模塊的隔離降壓功能很難實現(xiàn)，在很多時候須添加外部的工頻變壓器，造成用戶使用更大的不方便。
第四，逆變式高頻電源模塊會產(chǎn)生較大的尖峰沖擊電流，直接并聯(lián)在電網(wǎng)上會對電網(wǎng)上其他用電設(shè)備產(chǎn)生較大的電磁干擾。同時，電網(wǎng)上其他用電設(shè)備產(chǎn)生的尖峰干擾也會對直流系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，因此，逆變式高頻開關(guān)電源模塊組成的直流系統(tǒng)電磁兼容性能差。
此外，由于逆變式開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品性能較難保證，而且其價格較高，成為目前普及使用的一大難題。
本實用新型針對電源設(shè)備工作的特點，要求具有很高的工作可靠性，而設(shè)計出了一種既能保持逆變式高頻開關(guān)電源控制性能好，又具有更高的工作可靠性，使用方便，價格較低，結(jié)構(gòu)簡單，特別是對于大容量的N+1冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單的新型智能高頻開關(guān)電源。
根據(jù)上述實用新型的目的，本實用新型設(shè)計出了一種新型智能高頻開關(guān)電源，包括能使來自市網(wǎng)的交流電主電源與備用電源自動進行切換互鎖的配電單元，將配電單元輸出的電壓轉(zhuǎn)換成電源裝置所需電壓的降壓變壓器，將變壓器輸出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電并濾去直流電中殘存交流成份的整流濾波模塊，通過串聯(lián)高頻斬波方式，為控制負荷與動力負荷提供直流電的高頻開關(guān)電源模塊，對高頻開關(guān)電源模塊工作狀況實施監(jiān)控的微機監(jiān)控模塊，以及在電源裝置斷電的情況可提供直流電的蓄電池組。其中所說的高頻開關(guān)電源模塊為串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊，分為兩組，一組為控制負荷提供直流電源，另一組為蓄電池組充電和動力負荷提供直流電，所說的蓄電池組的輸出端同時與動力負荷母線和通過二極管與為控制負荷提供直流電的一組串聯(lián)式高頻開關(guān)的輸入端連接。
為了更好地實現(xiàn)本實用新型的目的，本實用新型還進一步采取了以下技術(shù)措施所說的整流過濾模塊可設(shè)計成兩組，分別與兩組串聯(lián)式高頻開關(guān)相配置，兩組整流濾波模塊的輸入端分別與變壓器的兩個不同的副邊繞組具有不同輸出電壓的電壓點連接。
所說的兩組串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊均可設(shè)計成由不少于2個相互并聯(lián)的單體串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊構(gòu)成，并且使每一組串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊提供的電荷負荷比所需的電負荷多一個單體串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊所能提供的電負荷。
所說的微機監(jiān)控模塊還可與遠離電源的監(jiān)控室中的后臺機信號聯(lián)接，以便實現(xiàn)現(xiàn)場無人操作。
本實用新型還采取了其他一些技術(shù)措施。
附圖1是傳統(tǒng)的晶閘管相控整流直流電源模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是逆變式高頻開關(guān)電源模塊式直流電源模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3是本實用新型一個實施例的模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4是串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊的工作原理圖。
附圖5是微機監(jiān)控模塊的工作原理圖。
以下結(jié)合附圖3的說明給出本實用新型的一個實施例，并結(jié)合實施例對本實用新型進行進一步的詳細描述。
根據(jù)本實用新型所揭示的思想設(shè)計出一種新型智能高頻開關(guān)直流電源，由配電單元、變壓器、整流濾波模塊、串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊、微機監(jiān)控模塊、蓄電池組、控制負荷母線和動力負荷母線構(gòu)成。配電單元使來自市網(wǎng)的主電源AC1路與備用電源AC2路自動切換互鎖，以保證電源設(shè)備正常供電。變壓器為三繞組變壓器，將來自配電單元的市網(wǎng)電壓降壓變壓，轉(zhuǎn)換成電源設(shè)備所的電壓。整流濾波模塊為兩個，模塊中的整流電路為橋式整流電路，兩個模塊的輸入端分別與變壓器的兩個不同的副邊且具有不同輸出電壓的電壓點連接，其中為控制負荷提供直流電源的整流濾波模塊連接較低的電壓點，為蓄電池組充電和合閘負荷提供直流電源的整流濾波模塊連接較高的電壓點。高頻開關(guān)電源模塊為串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊，分為兩組，一組為控制負荷提供直流電源，另一組為向蓄電池組充電和動力負荷提供直流電源，兩組的輸入端分別與各自配置的整流濾波模塊的輸出端連接。兩組串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊的主電路均采用了高頻開關(guān)斬波器。兩組串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊均由N+1個單體串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)構(gòu)成，其N個單體串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)輸出的電負荷容量為所需的負荷容量，另一個單體串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊為系統(tǒng)備用模塊，以提高設(shè)備工作的可靠性。微機監(jiān)控模塊的主機采用單片機。由于配電單元、變壓器、整流濾波模塊的工作可靠性較高，且不需進行調(diào)整，因此微機監(jiān)控模塊只對串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊的工作狀況進行監(jiān)控。微機監(jiān)控模塊還與遠離現(xiàn)場的監(jiān)控室后臺機信號連接，以實現(xiàn)現(xiàn)場無人操作。蓄電池組的正極與動力負荷母線連接，同時通過二極管與為控制負荷提供直流電源的一組串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊的輸入端連接。
串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊的工作原理如附圖4所示。R1和熔斷器組成模塊的預(yù)充電電路，對電容進行預(yù)充電，使電容兩端電壓上升到合適大小再將開關(guān)合上。C3和E1構(gòu)成模塊的輸入濾波電路，對輸入電流中的高頻分量和低頻分量諧波進行濾波。以IGBT為中心結(jié)合R4、R5、R6、D01、D02、D04、Z1、Z2、C1和INDUCTOR構(gòu)成模塊的斬波電路。E2和C2構(gòu)成模塊的輸出濾波電路。在輸出的電流電路中，利用傳感器和電阻R7分壓，將電流取樣值和電壓取樣值送入主控板，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后，調(diào)制PWM控制波形，在模塊內(nèi)部利用單片機組成的主控制板對模塊實行自主監(jiān)控，處理模塊內(nèi)部的所用信號并通過內(nèi)部的通訊接口將本模塊的工作狀態(tài)傳送到主控器，完成對模塊的完整監(jiān)控功能。
微機監(jiān)控模塊的工作原理如附圖5所示。微機監(jiān)控模塊主要由蓄電池巡檢單元，交直流檢測單元和控制單元三部分組成。蓄電池巡檢單元的功能a，檢測電池電壓、電流、溫度和單節(jié)(組)電池電壓；b，對電池過溫、電池電壓過低(LVD)、單節(jié)(組)電池電壓過低報警，交直流檢測單元功能a，測量交流電壓、交流電流、控制母線電壓、控制母線電流、動力母線電壓；b，監(jiān)測交流接觸器、控制回路直流開關(guān)、動力回路直流開關(guān)等設(shè)備的狀態(tài)；c，對停電、缺相、控制母線電壓過低欠壓、交流電壓過低欠壓、絕緣異常等進行報警；d，顯示本單元測量信息和報警狀態(tài)信息?？刂茊卧δ躠，完成設(shè)定功能，可設(shè)定充電電壓值和限流值；b，對蓄電池充電進行管理；c，通過RS485口與模塊通訊，從而遙控模塊工作狀況；d，可以通過RS232或RS485口與后臺通訊。接收上級監(jiān)控的命令，發(fā)送上級監(jiān)控所要求的各種訊息。e，顯示當前工作狀態(tài)。
本實用新型與已有技術(shù)相比具有以下比較突出的特點特點一，本實用新型采用了工頻降壓變壓器。當有交流中輸入時，一副邊繞組的輸出電壓經(jīng)橋式整流和濾波后，為串聯(lián)式高頻開關(guān)式模塊提供公共直流電源，再經(jīng)過這些模塊(以下稱穩(wěn)壓模塊)穩(wěn)壓后，供給控制母線以穩(wěn)定的直流電壓，當無交流輸入時，穩(wěn)壓模塊的輸入端會自動地使用蓄電池組電力，且不會給系統(tǒng)造成任何擾動，保證控制負荷的可靠性。變壓器另一副邊繞組則同樣地經(jīng)過整流濾波為要求具有不同電壓等級的另一組高頻開關(guān)式模塊(以下簡稱充電模塊)提供公用直流電源，充電模塊可以在微機監(jiān)控模塊的控制下，實現(xiàn)均衡充電與浮充電，即使當監(jiān)控模塊出現(xiàn)偶然故障而退出工作時，充電模塊仍能根據(jù)蓄電池的當前狀態(tài)自動進行均衡充電與浮充電。采用本變壓設(shè)備可以帶來一系列的積極效果1．工頻變壓設(shè)備的工作可靠性遠比電源柜中任何電子器件的可靠性都要高得多；2．由于變壓及降壓后模塊中的開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力比逆變式開關(guān)電源直接由380VAC整流時所承受的電壓應(yīng)力要小許多，而且在相同的開關(guān)頻率下，開關(guān)器件的開關(guān)損耗也比逆變式開關(guān)電源小，這就提高了開關(guān)器件的工作可靠性；3．工頻變壓器本身就是一個低通濾波器，它可以有效的將交流電網(wǎng)與直流系統(tǒng)隔離?？梢远糁平涣麟娋W(wǎng)中的尖峰脈沖對直流系統(tǒng)工作的干擾，同時也能減小系統(tǒng)的高頻電流對交流電網(wǎng)的影響，具有良好的電磁兼容特性。
特點二，本實用新型中的穩(wěn)壓模塊和充電模塊的主電路都是采用了高頻開關(guān)斬波器，開關(guān)頻率可以作到比逆變式開關(guān)電源的頻率還高，因此它的控制性能(如控制精度、動態(tài)響應(yīng)等)都不弱于逆變式開關(guān)電源。由于不存在逆變式開關(guān)電源中逆變橋臂直通和高頻輸出變壓器偏磁等缺點，本系統(tǒng)的工作可靠性就比逆變式開關(guān)電源要高得多。
特點三，本實用新型的穩(wěn)壓模塊、充電模塊與逆變式開關(guān)電源一樣，都能實現(xiàn)模塊的并聯(lián)工作和N+1冗余備份。
特點三，本實用新型的單體穩(wěn)壓模塊和充電模塊可以根據(jù)需要，作到比逆變式開關(guān)電源單體模塊有更大輸出電流的能力，這有利于組成穩(wěn)定可靠的大容量的直流電源。
特點三，本實用新型采用單片機組成監(jiān)控器實現(xiàn)對直流電源的全面監(jiān)控及與上位機的通訊，當監(jiān)控制模塊因偶然故障退出工作時，直流電源除了發(fā)出報警信號以外，仍能按默認設(shè)定值自動進行充電和穩(wěn)壓工作，而無需人為干予，因此這種直流電源非常利于無人值守的場合。
本實用新型的結(jié)構(gòu)不限于實施例所描述的結(jié)構(gòu)形式。
權(quán)利要求1．一種新型智能高頻開關(guān)直流電源，包括能使來自市網(wǎng)的主電源與備用電源自動進行切換互鎖的配電單元，為控制負荷和動力負荷提供直流電源的高頻開關(guān)電源模塊，對高頻開關(guān)電源模塊工作狀況實施監(jiān)控的微機監(jiān)控模塊和在斷電狀況下可提供直流電源的蓄電池組，其特征是還設(shè)置有將配電單元輸出的電壓轉(zhuǎn)換成電源裝置所需電壓的降壓變壓器，以及將變壓器輸出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電并濾去直流電中殘存交流成份的整流濾波模塊，所說的高頻開關(guān)電源模塊為串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊，其輸入端與整流濾波模塊輸出端相連接，分為兩組，一組為控制負荷提供直流電源，另一組為蓄電池組充電和動力負荷提供直流電源，所說的蓄電池組的輸出端與動力負荷母線，以及通過二極管與為控制負荷提供直流電源的一組串聯(lián)式高頻開關(guān)的輸入端連接。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型智能高頻開關(guān)直流電源，其特征是整流濾波模塊有兩組，分別與兩組串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊相配置，兩組整流濾波模塊的輸入端分別與變壓器的兩個不同的副邊繞組具有不同輸出電壓的電壓點連接。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型智能高頻開關(guān)直流電源，其特征是兩組直流負荷(控制負荷和動力負荷)均由不少于2個相互并聯(lián)的單體串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊供電，并且使每一組串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊提供的電源負荷比所需的電源負荷多一個單體串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊所能提供的負荷。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型智能高頻開關(guān)直流電源，其特征是微機監(jiān)控模塊可與遠離電源的監(jiān)控室中的后臺機信號連接。
專利摘要本實用新型是一種新型智能高頻開關(guān)直流電源,主要包括交流電配電單元、變壓器、整流濾波模塊、串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊、微機監(jiān)控模塊和蓄電池組,串聯(lián)式高頻開關(guān)電源模塊分為兩組,一組為控制負荷提供直流電源,另一組為動力負荷和對蓄電池組充電提供直流電源。本實用新型與已有技術(shù)相比,電源裝置的工作可靠性高,設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡單,性能價格比高,特別是對于大容量的電源設(shè)備,相對于完全逆變式高頻開關(guān)直流電源裝置,其結(jié)構(gòu)更為簡單。
文檔編號H02J7/34GK2459807SQ00259859
公開日2001年11月14日 申請日期2000年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月19日
發(fā)明者陳磊, 劉欣濤, 青云, 劉慧君, 龍宇, 管志偉, 唐海波, 徐如臻, 萬琳君 申請人:立牌(成都)科技有限公司