CN102355125B - 变流器的软启动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变流器的软启动电路，其主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、DC/AC变换电路和并网开关，DC/DC变换电路包括一条或多条相互独立的直流通道，至少一条所述直流通道为其上设有直流斩波电路的斩波直流通道，所述直流通道的输入端为负载连接端，输出端设有用于形成其输出端电压的直流母线电容，所述负载连接端与并网开关的电源连接端之间连接有一条或多条设有软启开关的软启支路，所述一条或多条软启支路中至少有一条设有软启电阻，且至少一条设置了软启电阻的所述软启支路与所述斩波直流通道相对应。采用本发明，软启动电流小，散热设计较为容易，并网冲击电流小，可广泛用于直流负载的充电过程。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域中变流器的软启动电路，特别涉及一种含有DC/DC和DC/AC两次变换的变流器的软启动电路，可广泛用于充电器、适配器、开关电源、蓄电池等设备的充放电测试电路中。
背景技术
针对现有的包含DC/DC和DC/AC两次变换的变流器，对应其充电工作时的软启动电路通常具有如下特点：并网开关两端并联有软启电阻，当要启动时先让电流流过软启电阻，软启电阻的阻值越大，则软启电流越小，从而实现减小软启电流的目的。
但是在并网的瞬间，由于并网开关两侧的压差较大，因此冲击电流也较大，另外，如果选用阻值较小的软启电阻，由于电网侧交流滤波电容和隔离变压器的存在，则软启电流较大，对软启电阻的散热要求相应较高；如果选用较大功率的软启电阻，尽管可以减小软启电流，但增加了电路的体积和成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种变流器的软启动电路，既实现了较小的启动电流，使得散热设计较为容易，又实现了较小的并网冲击电流，可广泛用于直流负载的充电过程，减小对直流负载的冲击。
本发明所采用的主要技术方案是：
一种变流器的软启动电路，包括主电路，所述主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、DC/AC变换电路和并网开关，所述DC/DC变换电路包括一条或多条相互独立的直流通道，至少一条所述直流通道为其上设有直流斩波电路的斩波直流通道，所述直流通道的输入端为负载连接端，输出端设有用于形成其输出端电压的直流母线电容，输出端连接所述DC/AC变换电路的DC端，所述并网开关的一端连接所述DC/AC变换电路的AC端，另一端构成与电网或交流电源连接的电源连接端，还包括一条或多条设有软启开关的软启支路，所述软启支路的一端连接所述并网开关的电源连接端，另一端连接所述负载连接端，所述多条软启支路中不同的软启支路分别与不同的直流通道对应，所述一条或多条软启支路中至少有一条设有软启电阻，且至少一条设置了软启电阻的所述软启支路与所述斩波直流通道相对应。
所述DC/AC变换电路自DC端到AC端依次设有逆变桥和隔离变压器。
所述直流斩波电路优选由直流通道滤波电路和电子开关组件构成，所述直流通道滤波电路为L、CL、LC或LCL滤波电路，所述电子开关组件由第一功率开关管和第二功率开关管组成，所述第一功率开关管的集电极连接直流母线电容的正极端，发射极连接所述第二功率开关管的集电极和所述直流通道滤波电路的正极输出端，所述第二功率开关管的发射极连接直流母线电容的负极端。
所述变流器的软启动电路还可以设有用于调节所述逆变桥的输出电压幅值和相位的数字控制单元。
前述任一一种所述变流器的软启动电路中，所述直流斩波电路的输出优选通过所述数字控制单元采用PWM方式调节。
对于上述任意一种变流器的软启动电路，至少一条设置了软启电阻的所述软启支路上还并联有一条或多条由相互串联的旁路电阻和旁路开关组成的软启旁路，且至少一条所述斩波直流通道所对应的软启支路为设有所述软启旁路的软启支路。
本发明的有益效果：
由于设置了软启支路，可以在并网之前先通过软启电阻将所述直流通道的输入端接入所述交流电网，并利用交流电网对所述直流母线电容充电，一方面减小了启动电流，相应降低了散热要求，另一方面，在并网前实现了对直流母线电容的充电，为进一步要解决的减小并网时的冲击电流问题作了必要的准备，设置多个软启支路有助于对启动过程的优化控制。
由于设置了设有直流斩波电路的斩波直流通道，可充分利用直流斩波电路的电压变换功能改变直流母线电容电压的大小，通常是升高直流母线电容的电压，以尽可能地使并网开关闭合瞬间并网开关内侧电压可以与并网开关外侧的电压在大小上达到匹配。
由于所述DC/AC变换电路上设有逆变桥，可以充分利用逆变桥的变换功能使得并网开关内侧的电压与外侧的电压同幅同相或基本同幅同相，即达到同步，以减小甚至消除并网开关闭合瞬间的电流冲击。
由于设置了软启旁路，并采用升压隔离变压器，在先闭合软启开关对直流母线电容充电以后，可以再闭合旁路开关进一步升高直流母线电容电压，即使不通过数字控制调节所述直流斩波电路的输出电压，只要旁路电阻的阻值选取合适，仍然可以实现直流母线电容电压至少不小于升压隔离变压器的内侧线电压的峰值，因此可以简化系统结构、提高系统可靠性。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为软启动电路的第一个实施例的原理图；
图3为软启动电路的第二个实施例的原理图；
图4为软启动电路的第三个实施例的原理图；
图5为软启动电路的第四个实施例的原理图；
图6为一条直流通道组成boost升压电路的一个实施例的电路图；
图7为两条直流通道组成boost升压电路的一个实施例的电路图；
图8为三条直流通道组成boost升压电路的一个实施例的电路图；
图9为交流接触器接线方式示意图；
图10为设置软启旁路的软启动电路的一个实施例的原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种变流器的软启动电路，包括主电路，所述主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、DC/AC变换电路和并网开关，即该变流器内部采用DC/DC和DC/AC两步变换。电能可以在直流负载与交流电网间双向流动，当电能由直流负载向交流电网流动时，所述变流器处于放电工作状态，反之则处于充电工作状态。所述DC/DC变换电路包括一条或多条相互独立的直流通道，至少一条所述直流通道为其上设有直流斩波电路的斩波直流通道，所述直流通道的输入端为负载连接端，如蓄电池、电子负载等，输出端设有用于形成其输出端电压的直流母线电容，直流母线电容可用于暂时存储来自负载或交流电网侧的电能，还可用于直流滤波。输出端连接所述DC/AC变换电路的DC端，所述并网开关的一端连接所述DC/AC变换电路的AC端，另一端构成与电网或交流电源连接的电源连接端。
所述变流器的软启动还包括一条或多条设有软启开关的软启支路，所述软启支路的一端连接所述并网开关的电源连接端，另一端连接所述负载连接端，所述多条软启支路中不同的软启支路分别与不同的直流通道对应，所述一条或多条软启支路中至少有一条设有软启电阻，且至少一条设置了软启电阻的所述软启支路与所述斩波直流通道相对应。
所述DC/AC变换电路自DC端到AC端依次设有逆变桥和隔离变压器，所述逆变桥是实现DC/AC变换的核心部分，所述隔离变压器可以是升压、降压或1:1隔离变压器，所述并网开关用于控制所述变流器的主电路是否接入所述交流电网。
启动所述变流器时，先闭合所述软启开关MC，交流电网输出的电能经由软启电阻和DC/DC变换电路，给直流母线电容充电，由于并网开关处于断开状态，且所述主电路具有一定的调节输出的能力，使得并网开关内侧电压一定程度上相对独立于并网开关的外侧电压（即交流电网电压），使得调节并网开关内侧电压达到与交流电网电压同幅同相或基本同幅同相成为可能，软启电阻的存在明显减小了启动电流。所谓基本同幅同相是指两幅值（或两相位）之间的差值在基于并网要求的相应差值容限之内。
利用所述DC/DC变换电路的电压变换功能，可以容易地改变直流母线电容的电压的大小，通常是升高直流母线电容的电压使得并网开关闭合瞬间并网开关内侧电压可以与其外侧电压在大小上达到匹配，最好是将直流母线电容电压升高到隔离变压器内侧线电压的峰值以上。
对于即定的所述逆变桥，在使用过程中通常不调节所述隔离变压器的变比，而是优选调节所述逆变桥的交流输出，改变其输出的电压幅值和相位，由于所述逆变桥的输出电压与并网开关的内侧电压存在确定的定量关系，因此调节所述逆变桥的输出相当于间接地改变并网开关的内侧电压的幅值和相位，因此可以实现并网开关内外侧电压的同幅同相或基本同幅同相。
可见，通过设置软启支路作为启动过程的临时通路，配合DC/DC变换升高直流母线电容电压缩小并网开关内外侧电压幅值的差距，并调节逆变桥的输出电压的幅值和相位进一步使得并网开关内外侧电压同幅同相或基本同幅同相，可以使并网开关闭合瞬间其内外侧的平稳对接，以此实现同步并网，从而减小甚至消除并网开关闭合瞬间的电流冲击。
如图6所示，要实现上述的DC/DC变换主要是通过调节所述直流斩波电路的输出实现的，所述直流斩波电路优选由直流通道滤波电路FLT和电子开关组件（即图中所示的桥臂）BR构成，所述直流通道滤波电路可以为L、CL、LC或LCL滤波电路，优选为LCL-T型滤波电路，单端接负载，在蓄电池充放电电路正常工作状态下，可较好地降低负载一侧直流电流的纹波水平。所述电子开关组件由第一功率开关管（如图6中的S1）和第二功率开关管（如图6中的S2）组成，所述第一功率开关管的集电极连接直流母线电容的正极端，发射极连接所述第二功率开关管的集电极和所述直流通道滤波电路的正极输出端（即储能电感的输出端），所述第二功率开关管的发射极连接直流母线电容的负极端。所述功率开关管可以是MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT等可控型功率开关器件，所构成的所述直流斩波电路为升压式直流斩波电路。所述第一、第二功率开关管的控制端（即门极端）连接控制单元的相应控制线路，由此可通过脉宽调制等方式控制功率开关管的工作状态和方式，调节斩波电路参数，在直流母线电容上形成所需要的输出。
除了所述斩波直流通道之外的其他直流通道上均设有所述电子开关组件，其中第一功率开关管S1和第二功率开关管S2相连接的点构成其所在直流通道的负载连接端，所述电子开关组件的输出端构成其所在直流通道的输出端，为了便于表达，把这种直流通道称为基础直流通道（参见图4的第二条直流通道）。
所述变流器的软启动电路还优选设有用于调节所述逆变桥（一般为三相逆变桥）的输出电压幅值和相位的数字控制单元，通过数字控制技术对所述逆变桥进行控制，提高了并网同步的精度。
对于前述任一种所述的变流器的软启动电路来说，所述升压式直流斩波电路的输出优选通过所述数字控制单元采用PWM方式调节。通过改变所述电子开关组件中的功率开关管的导通时间，改变所述升压式直流斩波电路输出电压的平均值，从而改变所述直流母线电容电压的值，实际应用中至少不小于隔离变压器内侧线电压的峰值。
各个直流通道之间在DC/DC变换上是完全独立的，因此各直流通道可以各自单独工作，即实际应用中允许部分直流通道工作而部分直流通道停止。
优选地，所述直流通道为一条、两条或三条，如前所述，当有一条直流通道时，其为所述斩波直流通道，其电路构成单相半桥boost升压电路（参见图6）；当设有两条直流通道时，全部为所述斩波直流通道，或者一条是所述斩波直流通道，另一条是所述基础直流通道，优选为前者，构成单相全桥（或称H桥）boost升压电路（参见图7），对于设有两条直流通道的情况，至少一条直流通道上应设有带软启电阻的软启支路；当设有三条直流通道时，全部为所述斩波直流通道，或者其中两条是所述斩波直流通道，一条是所述基础直流通道，优选为前者，构成三相半桥boost升压电路（参见图8），相比图7所示电路，其升压速度更快，对于设有三条直流通道的情况，其中至少两条直流通道上应设有带软启电阻的软启支路。
当设有更多条直流通道时，实际应用中只需要选择其中的1-3条直流通道并组成上述的任何一种boost升压电路即可。
所述变流器的软启动电路可以有多种具体的实现形式，以设有两条直流通道的情况为例，软启电阻和软启开关的相对位置可以相互调换（参见图2和3）、部分直流通道上可以不设置滤波器（参见图4）、部分软启支路上可以不设置软启电阻（参见图5），只要对于变流器整体而言，直流母线电容的电压能够升高到规定值即可。
所述隔离变压器的初级端或次级端还可以连接有交流通道滤波电路，用于所述DC/AC变换电路交流侧的滤波。
作为电路启动条件之一，所述DC/AC变换电路的AC端自所述交流电网进行交流取电的方式可以为三相三线制或三相四线制中的任意两相线电压、三相四线制中的任意一相相电压或单独的市电输入电压，取电较为方便。
上述各种所述变流器软启电路的工作过程是：
（1）闭合软启开关，交流电流经过软启电阻对直流母线电容进行充电。
（2）通过数字控制技术对boost升压电路进行控制，使直流母线电容电压进一步升高，直流母线电容电压至少应不小于隔离变压器内侧线电压峰值。
（3）三相逆变桥对直流电压进行DC/AC变换，使得并网开关内侧的电压与并网开关外侧的交流电网电压同幅同相或基本同幅同相。
（4）闭合并网开关，断开软启开关，完成整个软启动过程。
对于前述的任意一种变流器软启电路来说，至少一条设置了软启电阻的所述软启支路上还并联有一条或多条由相互串联的旁路电阻和旁路开关组成的软启旁路，且至少一条所述斩波直流通道所对应的软启支路为设有所述软启旁路的软启支路。当设有两条所述直流通道时，设置软启旁路的电路结构可参见图10，在这种情况下，可以采用数字控制技术控制所述直流斩波电路的输出，也可以不对所述直流斩波电路的输出进行调节，前提是通过其他手段可以使母线电容电压升高到规定值。
设置了所述软启旁路的所述变流器软启电路的工作过程是：
（1）闭合软启开关，交流电流经过软启电阻对直流母线电容进行充电。
（2）闭合旁路开关，直流母线电容电压进一步升高，使得直流母线电容电压至少不小于升压隔离变压器内侧线电压峰值。
（3）三相逆变桥对直流电压进行DC/AC变换，使得并网开关内侧的电压与并网开关外侧的交流电网电压同幅同相或基本同幅同相。
（4）闭合并网开关，断开软启开关，完成整个软启动过程。
其中，所述隔离变压器优选为升压隔离变压器，对应同一所述直流通道的所述软启电阻的阻值优选大于所述旁路电阻的阻值，所述软启电阻的阻值较大，使得直流母线电容充电时的软启电流（软启动过程中流过直流通道的电流即为相应直流通道的软启电流）较小，所述旁路电阻的阻值较小，使得直流母线电容的电压进一步提高，使得直流母线电压至少不小于升压隔离变压器内侧线电压峰值。选用合适阻值的旁路电阻可以实现直流母线电容电压至少不小于升压隔离变压器内侧线电压的峰值；同时由于隔离变压器是升压变压器，直流母线电容电压可以通过增加并联的旁路电阻实现进一步升高，无需进行数字控制，即可使得无冲击软启动实现起来较为容易，提高了系统的可靠性。
所述软启开关和/或旁路开关可以是现有技术下的各类可控开关，本发明中优选采用交流接触器。由于通常情况下负载端与交流电网侧压差较大，常规的交流接触器难以承受，因此选用设有相互串联的多对主触点的交流接触器，使处于最远端的两个所述主触点接入相应的软启支路或软启旁路（参见图9所示的含有三对主触点相互串联形成的S型交流接触器，相当于提高了交流接触器的耐压能力。
本文针对所述变流器的主电路、软启支路和软启旁路所称的“输入”、“输出”是针对所述变流器处于放电工作状态时所述变流器主电路中的电能流动方向而言的，而实际上电能可以在变流器中双向流动，因此上述表达并不构成对电能实际流动方向的限定。所称的“内侧”是靠近负载的一侧，“外侧”为靠近交流电网的一侧。
Claims (12)
1.一种变流器的软启动电路，包括主电路，所述主电路包括依次连接的DC/DC变换电路、DC/AC变换电路和并网开关，所述DC/DC变换电路包括一条或多条相互独立的直流通道，至少一条所述直流通道为其上设有直流斩波电路的斩波直流通道，所述直流通道的输入端为负载连接端，输出端设有用于形成其输出端电压的直流母线电容，输出端连接所述DC/AC变换电路的DC端，所述并网开关的一端连接所述DC/AC变换电路的AC端，另一端构成与电网或交流电源连接的电源连接端，其特征在于还包括一条或多条设有软启开关的软启支路，所述软启支路的一端连接所述并网开关的电源连接端，另一端连接所述负载连接端，所述多条软启支路中不同的软启支路分别与不同的直流通道对应，所述一条或多条软启支路中至少有一条设有软启电阻，且至少一条设置了软启电阻的所述软启支路与所述斩波直流通道相对应。
2.根据权利要求1所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述DC/AC变换电路自DC端到AC端依次设有逆变桥和隔离变压器。
3.根据权利要求2所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述直流斩波电路由直流通道滤波电路和电子开关组件构成，所述直流通道滤波电路为L、CL、LC或LCL滤波电路，所述电子开关组件由第一功率开关管和第二功率开关管组成，所述第一功率开关管的集电极连接直流母线电容的正极端，发射极连接所述第二功率开关管的集电极和所述直流通道滤波电路的正极输出端，所述第二功率开关管的发射极连接直流母线电容的负极端。
4.根据权利要求3所述的变流器的软启动电路，其特征在于还设有用于调节所述逆变桥的输出电压幅值和相位的数字控制单元。
5.根据权利要求4所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述直流斩波电路的输出通过所述数字控制单元采用PWM方式调节。
6.根据权利要求5所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述隔离变压器的初级端或次级端还连接有交流通道滤波电路。
7.根据权利要求6所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述直流通道为一条、两条或三条，当有两条时，其中至少有一条是所述斩波直流通道，当有三条时，其中至少有两条是所述斩波直流通道。
8.根据权利要求3-7中任一权利要求所述的变流器的软启动电路，其特征在于至少一条设置了软启电阻的所述软启支路上还并联有一条或多条由相互串联的旁路电阻和旁路开关组成的软启旁路，且至少一条所述斩波直流通道所对应的软启支路为设有所述软启旁路的软启支路。
9.根据权利要求3-7中任一权利要求所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述隔离变压器为升压隔离变压器。
10.根据权利要求9所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述软启开关和/或旁路开关采用设有相互串联的多对主触点的交流接触器。
11.根据权利要求3-7中任一权利要求所述的变流器的软启动电路，其特征在于至少一条设置了软启电阻的所述软启支路上还并联有一条或多条由相互串联的旁路电阻和旁路开关组成的软启旁路，且至少一条所述斩波直流通道所对应的软启支路为设有所述软启旁路的软启支路，所述隔离变压器为升压隔离变压器。
12.根据权利要求11所述的变流器的软启动电路，其特征在于所述软启开关和/或旁路开关采用设有相互串联的多对主触点的交流接触器。
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2011
- 2011-09-09 CN CN201110267458.XA patent/CN102355125B/zh active Active
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