本發(fā)明涉及高壓變頻器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高壓變頻器預(yù)充電裝置及方法

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，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域如冶金、石化、市政、電力等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著越來越重要的作用，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，由功率模塊串聯(lián)構(gòu)成的高壓大功率變頻器作為適合中國國情、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、用戶等的青睞。

高壓變頻器在高壓上電時，如果采用閉合高壓斷路器的方式，會對高壓電網(wǎng)產(chǎn)生有額定電流7到10倍大小的沖擊電流，影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，同時還會對變頻器本身功率單元內(nèi)的直流母線電容和整流元器件產(chǎn)生很大的沖擊電流，影響其使用壽命。目前，解決此問題的方法有以下幾種：

一種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)的高壓開關(guān)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，高壓開關(guān)處于斷開狀態(tài)，通過限流電阻對高壓變頻器進行充電，充電完成后，閉合高壓開關(guān)，充電工程結(jié)束。由于該電路屬于高壓電路，所用的器件為高壓器件，所用成本高，而且因為通過限流電阻對高壓變頻器進行充電，能耗也大。

另一種方法是通過低壓電源和限流電阻向整流變壓器的輔助繞組供電，通過變壓器在副邊繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對功率單元的直流電容進行充電。隨著充電過程的進行，逐漸用接觸器旁路掉部分限流電阻，充電完成后，斷開充電電路，閉合高壓開關(guān)。這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)用低壓電源對變頻器的充電，但也存在一定問題，主要是由于整流變壓器整機的額定容量遠(yuǎn)大于其輔助繞組的額定容量，因此通過輔助繞組激磁時，穩(wěn)態(tài)激磁電流非常大，過大的激磁電流會在限流電阻上產(chǎn)生過大的電壓降，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會對低壓電源產(chǎn)生很大的沖擊電流，同時也對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，則成本又較高；其次，如果為了節(jié)省成本，省去最后一級接觸器，在斷開充電電路前未旁路所用限流電阻，則考慮到電阻上的電壓降，預(yù)充電是不充分的，在高壓上電時仍會有沖擊電流；最后就是由于過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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種安全可靠的用于高壓變頻器的預(yù)充電裝置及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種用于高壓變頻器預(yù)充電裝置，包括預(yù)充電電路系統(tǒng)和預(yù)充電投切系統(tǒng)；

所述預(yù)充電電路系統(tǒng)包括預(yù)充電主回路單元和預(yù)充電控制回路單元；所述預(yù)充電主回路單元的輸入接口與低壓交流電源連接，所述預(yù)充電主回路單元的輸出接口與高壓變頻器直流母線電容連接；所述預(yù)充電控制回路單元用于檢測預(yù)充電主回路單元最終輸出的直流電壓，根據(jù)檢測到的直流電壓控制預(yù)充電主回路單元中的逆變器的輸出電壓；

所述預(yù)充電投切系統(tǒng)用于檢測高壓變頻器直流母線電容兩端的電壓，并將檢測信號發(fā)送給變頻器控制系統(tǒng)；變頻器控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號控制預(yù)充電電路系統(tǒng)切出、控制變頻器高壓開關(guān)閉合，或控制預(yù)充電電路系統(tǒng)切入、控制變頻器高壓開關(guān)斷開。

進一步地，所述預(yù)充電主回路單元包括三相橋式不控整流電路，單向橋式單脈沖調(diào)制逆變電路，高頻升壓變壓器和兩相半波不控整流電路；

所述三相橋式不控整流電路用于接收低壓交流電源輸出的交流電壓，對接收到的交流電壓進行整流得到直流電壓，并將直流電壓輸出給單向橋式單脈沖調(diào)制逆變電路；

所述單向橋式單脈沖調(diào)制逆變電路用于接收直流電壓，并對直流電壓調(diào)制逆變得到交流方波電壓，再將交流方波電壓輸出給高頻升壓變壓器；

所述高頻升壓變壓器用于接收交流方波電壓，并對交流方波電壓進行升壓得到交流方波高壓，再將交流方波高壓輸出給兩相半波不控整流電路；

所述兩相半波不控整流電路用于接收交流方波高壓，并對接收到的交流方波高壓進行整流的到直流電壓，最后將直流電壓輸出給高壓變頻器直流母線電容。

進一步地，所述預(yù)充電控制回路單元包括依次連接的采樣電路、補償電路、PWM控制電路以及驅(qū)動電路；所述預(yù)充電控制回路單元與所述單相橋式單脈沖調(diào)制逆變器受控連接，用于控制所述單相橋式單脈沖調(diào)制逆變器中的開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。

進一步地，在所述兩相半波不控整流電路的輸出端與所述高壓變頻器直流母線電容之間串聯(lián)有用于濾波的電感。

本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置，由于充電電壓通過電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，省去了充電電阻，在預(yù)充電過程中幾乎沒有能量損耗；利用高頻變壓器將預(yù)充電電路與變頻器主電路隔離，安全可靠，預(yù)充電電路出現(xiàn)故障也不影響到變頻器主電路安全；高頻變壓器的一次繞組側(cè)都是低壓電路，成本低廉，二次繞組側(cè)雖為高壓電路，但采用的是最簡單的不控整流橋，成本也較低；通過改變基準(zhǔn)電壓信號和變壓器一次、二次繞組匝數(shù)比，本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置可適用于不同類型及功率大小的高壓變頻器。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種用于高壓變頻器預(yù)充電方法，在低壓電源與高壓變頻器母線電容之間連接有預(yù)充電主回路單元，所述預(yù)充電主回路單元與預(yù)充電控制回路單元電連接；高壓變頻器控制系統(tǒng)與一預(yù)充電投切系統(tǒng)通訊連接；其特征在于，所述方法包括如下步驟:

步驟一、高壓變頻器在進行高壓上電時，接通預(yù)充電主回路單元和控制回路單元，通過預(yù)充電控制回路單元控制主回路單元中逆變器輸出的電壓，使逆變器輸出的電壓以一定的斜率由低到高，最終輸出直流電壓對高壓變頻器直流母線電容進行充電；

步驟二、利用預(yù)充電投切系統(tǒng)檢測高壓變頻器直流母線電容兩端的電壓，并將檢測到的電壓信號發(fā)送給高壓變頻器控制系統(tǒng)；

步驟三、高壓變頻器控制系統(tǒng)接收預(yù)充電投切系統(tǒng)發(fā)送的電壓信號，控制預(yù)充電電路系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制變頻器高壓開關(guān)斷開或閉合。

進一步地，所述步驟一具體為，對低壓交流電進行整流得到直流電壓，對直流電壓進行逆變調(diào)制得到交流方波電壓，對交流方波電壓升壓得到交流方波高壓；再對交流方波高壓進行整流濾波后，最終得到的直流電壓，用最終得到的直流電壓對高壓變頻器直流母線電容進行充電。

進一步地，所述步驟三具體為，高壓變頻器控制系統(tǒng)接收預(yù)充電投切系統(tǒng)發(fā)送的電壓信號通過一比較模塊與預(yù)設(shè)的電壓值進行比較；若檢測到的電壓信號大于或等于預(yù)設(shè)的電壓值，則高壓變頻器控制系統(tǒng)控制預(yù)充電電路切出，控制變頻器高壓開關(guān)閉合；若檢測到的電壓信號小于預(yù)設(shè)的電壓值，則高壓變頻器控制系統(tǒng)對當(dāng)前預(yù)充電電路工作狀態(tài)不作調(diào)整。

本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電方法，首先將輸入的低壓交流電源經(jīng)三相橋式不控整流電路、單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路、高頻升壓變壓器、兩相半波不控整流電路，即經(jīng)過了AC/DC-DC/AC-AC/DC的變換，最終輸出的直流電壓給變頻器直流母線電容充電；其次通過控制單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路中開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷及導(dǎo)通時間，使所述直流電壓幅值以一定的斜率由低升高，直至電容兩端電壓達(dá)到所需要的閾值；然后切斷預(yù)充電電路系統(tǒng)，再閉合變頻器高壓開關(guān)。該預(yù)充電裝置還通過檢測所述的直流電壓，進行閉環(huán)控制，確保電容兩端電壓幅值按要求升高，避免出現(xiàn)尖峰電流或電壓，造成設(shè)備損壞。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置中預(yù)充電電路系統(tǒng)的預(yù)充電主回路單元電路圖；

圖3是本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置中預(yù)充電電路系統(tǒng)的預(yù)充電控制回路單元控制系統(tǒng)框圖；

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

包括預(yù)充電電路系統(tǒng)和預(yù)充電投切系統(tǒng)；

所述預(yù)充電電路系統(tǒng)包括預(yù)充電主回路單元和預(yù)充電控制回路單元；所述預(yù)充電主回路單元的輸入接口與低壓交流電源連接，所述預(yù)充電主回路單元的輸出接口與高壓變頻器直流母線電容連接；所述預(yù)充電控制回路單元用于檢測預(yù)充電主回路單元最終輸出的直流電壓，根據(jù)檢測到的直流電壓控制預(yù)充電主回路單元中的逆變器的輸出電壓；

所述預(yù)充電投切系統(tǒng)用于檢測高壓變頻器直流母線電容兩端的電壓，并將檢測信號發(fā)送給變頻器控制系統(tǒng)；變頻器控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號控制預(yù)充電電路系統(tǒng)切出、控制變頻器高壓開關(guān)閉合，或控制預(yù)充電電路系統(tǒng)切入、控制變頻器高壓開關(guān)斷開。具體的如圖1所示，包括預(yù)充電電路系統(tǒng)以及預(yù)充電投切系統(tǒng)，其中預(yù)充電電路系統(tǒng)包含預(yù)充電主回路單元和預(yù)充電控制回路單元，而所述的預(yù)充電主回路單元又分為三相橋式不控整流電路，單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路、高頻升壓變壓器、兩相半波不控整流電路4個部分。

實施例二

結(jié)合實施例一，所述預(yù)充電主回路單元包括三相橋式不控整流電路，單向橋式單脈沖調(diào)制逆變電路，高頻升壓變壓器和兩相半波不控整流電路；

所述三相橋式不控整流電路用于接收低壓交流電源輸出的交流電壓，對接收到的交流電壓進行整流得到直流電壓，并將直流電壓輸出給單向橋式單脈沖調(diào)制逆變電路；

所述單向橋式單脈沖調(diào)制逆變電路用于接收直流電壓，并對直流電壓調(diào)制逆變得到交流方波電壓，再將交流方波電壓輸出給高頻升壓變壓器；

所述高頻升壓變壓器用于接收交流方波電壓，并對交流方波電壓進行升壓得到交流方波高壓，再將交流方波高壓輸出給兩相半波不控整流電路；

所述兩相半波不控整流電路用于接收交流方波高壓，并對接收到的交流方波高壓進行整流的到直流電壓，最后將直流電壓輸出給高壓變頻器直流母線電容。

具體如圖2所示，所述預(yù)充電主回路單元，采用低壓交流電源AC380V輸入，經(jīng)過三相橋式不控整流電路，輸出直流電壓，此直流電壓經(jīng)單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路輸出脈寬可控的交流方波V1，加在高頻升壓變壓器一次繞組N1上，二次繞組感應(yīng)生成的交流方波電壓經(jīng)兩相半波不控整流電路，得到脈寬可控、幅值為V1*N2/N1的直流方波，再經(jīng)濾波后得到直流電壓V2，用于高壓變頻器直流母線電容充電。在所述的直流電壓V2按要求達(dá)到所需要的閾值時，所述的預(yù)充電投切系統(tǒng)發(fā)出信號給變頻器控制系統(tǒng)，切斷預(yù)充電電路系統(tǒng)，然后閉合變頻器高壓開關(guān)，預(yù)充電過程完成，高壓變頻器便可以正常運轉(zhuǎn)。

實施例三

結(jié)合實施例一和實施例二，所述預(yù)充電控制回路單元包括依次連接的采樣電路、補償電路、PWM控制電路以及驅(qū)動電路；所述預(yù)充電控制回路單元與所述單相橋式單脈沖調(diào)制逆變器受控連接，用于控制所述單相橋式單脈沖調(diào)制逆變器中的開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。如圖3所示，所述預(yù)充電控制回路單元，通過控制所述單相橋式單脈沖調(diào)制逆變器輸出的交流方波，使由此交流方波經(jīng)所述的高頻升壓變壓器、兩相半波不控整流器而得到的直流電壓，其幅值可由低升高，并檢測此直流電壓，進行閉環(huán)控制。

實施例四，

作為實施例二的一個優(yōu)選方案，在所述兩相半波不控整流電路的輸出端與所述高壓變頻器直流母線電容之間串聯(lián)有用于濾波的電感。

本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置，首先將輸入的低壓交流電源經(jīng)三相橋式不控整流電路、單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路、高頻升壓變壓器、兩相半波不控整流電路，即經(jīng)過了AC/DC-DC/AC-AC/DC的變換，最終輸出的直流電壓給變頻器直流母線電容充電；其次通過控制單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路中4個開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷及導(dǎo)通時間，使所述直流電壓幅值以一定的斜率由低升高，所述斜率是指某時間段所對應(yīng)的電壓差值與該時間段的比值，直至電容兩端電壓達(dá)到所需要的閾值；然后切斷預(yù)充電電路系統(tǒng)，再閉合變頻器高壓開關(guān)。該預(yù)充電裝置還通過檢測所述的直流電壓，進行閉環(huán)控制，確保電容兩端電壓幅值按要求升高，避免出現(xiàn)尖峰電流或電壓，造成設(shè)備損壞。

本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置，由于充電電壓通過電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，省去了充電電阻，在預(yù)充電過程中幾乎沒有能量損耗；利用高頻變壓器將預(yù)充電電路與變頻器主電路隔離，安全可靠，預(yù)充電電路出現(xiàn)故障也不影響到變頻器主電路安全；本發(fā)明中高頻變壓器的一次繞組側(cè)都是低壓電路，成本低廉，二次繞組側(cè)雖為高壓電路，但采用的是最簡單的不控整流橋，成本也較低；另外，通過改變基準(zhǔn)電壓信號和變壓器一次、二次繞組匝數(shù)比，本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電裝置可適用于不同類型及功率大小的高壓變頻器。

實施例五

本發(fā)明一種用于高壓變頻器預(yù)充電方法，在低壓電源與高壓變頻器母線電容之間連接有預(yù)充電主回路單元，所述預(yù)充電主回路單元與預(yù)充電控制回路單元電連接；高壓變頻器控制系統(tǒng)與一預(yù)充電投切系統(tǒng)通訊連接；其特征在于，所述方法包括如下步驟:

步驟一、高壓變頻器在進行高壓上電時，接通預(yù)充電主回路單元和控制回路單元，通過預(yù)充電控制回路單元控制主回路單元中逆變器輸出的電壓，使逆變器輸出的電壓以一定的斜率由低到高，最終輸出直流電壓對高壓變頻器直流母線電容進行充電；

步驟二、利用預(yù)充電投切系統(tǒng)檢測高壓變頻器直流母線電容兩端的電壓，并將檢測到的電壓信號發(fā)送給高壓變頻器控制系統(tǒng)；

步驟三、高壓變頻器控制系統(tǒng)接收預(yù)充電投切系統(tǒng)發(fā)送的電壓信號，控制預(yù)充電電路系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制變頻器高壓開關(guān)斷開或閉合。

實施例六

作為實施例五的進一步方案，所述步驟一具體為，先對低壓交流電進行整流得到直流電壓，然后對直流電壓進行逆變調(diào)制得到交流方波電壓，再對交流方波電壓升壓得到交流方波高壓；再對交流方波高壓進行整流濾波后，最終得到的直流電壓，用最終得到的直流電壓對高壓變頻器直流母線電容進行充電。

實施例七

作為實施例五的進一步方案，所述步驟三具體為，高壓變頻器控制系統(tǒng)接收預(yù)充電投切系統(tǒng)發(fā)送的電壓信號通過一比較模塊與預(yù)設(shè)的電壓值進行比較；若檢測到的電壓信號大于或等于預(yù)設(shè)的電壓值，則高壓變頻器控制系統(tǒng)控制預(yù)充電電路切出，控制變頻器高壓開關(guān)閉合；若檢測到的電壓信號小于預(yù)設(shè)的電壓值，則高壓變頻器控制系統(tǒng)對當(dāng)前預(yù)充電電路工作狀態(tài)不作調(diào)整。

本發(fā)明提供的高壓變頻器預(yù)充電方法，首先將輸入的低壓交流電源經(jīng)三相橋式不控整流電路、單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路、高頻升壓變壓器、兩相半波不控整流電路，即經(jīng)過了AC/DC-DC/AC-AC/DC的變換，最終輸出的直流電壓給變頻器直流母線電容充電；其次通過控制單相橋式單脈沖調(diào)制逆變電路中4個開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷及1導(dǎo)通時間，使所述直流電壓幅值以一定的斜率由低升高，直至電容兩端電壓達(dá)到所需要的閾值；然后切斷預(yù)充電電路系統(tǒng)，再閉合變頻器高壓開關(guān)。該預(yù)充電裝置還通過檢測所述的直流電壓，進行閉環(huán)控制，確保電容兩端電壓幅值按要求升高，避免出現(xiàn)尖峰電流或電壓，造成設(shè)備損壞。

以上，僅為本發(fā)明的較佳實施例，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護范圍為準(zhǔn)。