專利名稱：三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電壓控制發(fā)生器，具體是一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微處理器、電力電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在國家大力倡導節(jié)能減排的背景下，電力電子裝置被大規(guī)模運用于電力系統(tǒng)及工業(yè)生產(chǎn)中，如變流器、電力有源濾波器、靜止無功補償裝置等的應(yīng)用。在上述電力電子裝置的運行過程中，實際電網(wǎng)不平衡現(xiàn)象常有發(fā)生，此時，在電網(wǎng)平衡條件下設(shè)計的控制策略，會使電力電子裝置出現(xiàn)不正常運行狀況，容易產(chǎn)生非特征諧波，且三相電流不平衡、損耗增大等，進而會使電力電子裝置運行性能下降，嚴重時會使電力電子裝置發(fā)生故障，甚至燒壞電力電子裝置等。因此，通常需要對電力電子裝置在電網(wǎng)電壓不平衡控制條件下的運行狀況及控制策略進行研究，需要一種電壓不平衡發(fā)生器在實驗室條件下進行電網(wǎng)不平衡現(xiàn)象的模擬。目前，常規(guī)的電壓不平衡發(fā)生器的主體結(jié)構(gòu)為變流器，以“交-直-交”的形式實現(xiàn)，價格昂貴，控制復雜。通常，采用兩電平PWM變流器實現(xiàn)交流電壓變化時，功率開關(guān)器件數(shù)量為十二個，成本較高，同時需要對變流器的整流及逆變部分分別進行控制，控制系統(tǒng)較為復雜，并且任何一個功率開關(guān)器件發(fā)生故障，直接導致電壓不平衡發(fā)生器無法輸出可靠的三相電壓，甚至無法輸出無電壓不平衡現(xiàn)象的正常電壓。
發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實用新型提供一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，適合在電力電子裝置測試不平衡實驗時模擬三相電壓不平衡現(xiàn)象，特別是變流器裝置、電力有源濾波器、靜止無功補償裝置的不平衡實驗的測試。本實用新型的目的是克服現(xiàn)有電壓不平衡發(fā)生器的不足，提出了一種新的電壓不平衡發(fā)生器。本實用新型采用三相獨立的二極管H橋電路和功率 開關(guān)器件及其保護電路，結(jié)構(gòu)簡單，所用功率開關(guān)器件數(shù)量少，成本大幅減少；同時控制簡單，實時性能好，并且可實現(xiàn)三相電壓的獨立控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的單相、多相變化，是一種有效且可靠的電壓不平衡發(fā)生器設(shè)計方案。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，包括正常輸出電路、不平衡輸出電路、隔離變壓器、控制電路、上位機；正常輸出電路的三相交流輸入端與三相電網(wǎng)連接，其三相交流輸出端與隔離變壓器的輸入端相連，經(jīng)隔離變壓器后輸出電網(wǎng)電壓，不平衡輸出電路的三相交流輸入端與三相電網(wǎng)連接，不平衡輸出電路的三相交流輸出端與隔離變壓器的輸入端連接；控制電路采樣電壓傳感器傳輸?shù)碾妷盒盘枺ㄟ^上位機操作正常輸出電路和不平衡輸出電路的工作狀態(tài)，控制電路輸出觸發(fā)信號，通過正常輸出電路和不平衡輸出電路來控制接通狀態(tài)，改變電網(wǎng)電壓。正常輸出電路包括三相獨立的二極管H橋電路和功率開關(guān)器件及其保護電路。在三相正常輸出電路的單相拓撲結(jié)構(gòu)中，二極管H橋電路和功率開關(guān)器件及其保護電路并聯(lián)；單相二極管H橋電路由四個功率二極管組成，兩個功率二極管(Dal、Da2)串聯(lián)與串聯(lián)的功率二極管(Da3、Da4)并聯(lián)，形成H橋拓撲結(jié)構(gòu)，快恢復二極管Dl與電阻Rl和電容Cl依次串聯(lián)，并于功率開關(guān)器件Sal兩端，形成功率開關(guān)器件及其保護電路。不平衡輸出電路包括可獨立控制的三相二極管H橋電路、功率開關(guān)器件及其保護電路和調(diào)壓器，三相二極管H橋電路的輸入端為不平衡輸出電路的交流輸入端，三相二極管H橋電路的輸出端與調(diào)壓器的輸入端相連，調(diào)壓器的輸出端為不平衡輸出電路的交流輸出端；單相不平衡輸出電路中，二極管H橋電路和功率開關(guān)器件及其保護電路并聯(lián)；單相二極管H橋電路由四個功率二極管組成，兩個功率二極管(Dla、D2a)串聯(lián)與串聯(lián)的功率二極管(D3a、D4a)并聯(lián)，形成H橋拓撲結(jié)構(gòu)，快恢復二極管Da與電阻Ra和電容Ca依次串聯(lián)，并聯(lián)于功率開關(guān)器件Sla兩端，形成功率開關(guān)器件及其保護電路。本實用新型正常輸出電路和不平衡輸出電路的控制均通過控制電路實現(xiàn)，在控制電路中，電壓傳感器采集三相交流輸入電壓及三相交流輸出電壓經(jīng)AD采樣芯片輸入至FPGA/CPLD進行邏輯處理轉(zhuǎn)換，得到的信息數(shù)據(jù)傳遞給DSP處理器。DSP處理器將三相電網(wǎng)電壓和功率器件的開關(guān)狀態(tài)的信息綜合并經(jīng)RS232或USB結(jié)口傳遞給上位機，上位機根據(jù)綜合信息對DSP處理器進行參數(shù)設(shè)定。DSP處理器接收設(shè)定數(shù)據(jù)后，發(fā)出開通或者關(guān)斷指令，經(jīng)FPGA/CPLD處理轉(zhuǎn)換產(chǎn)生功率開關(guān)器件及其保護電路中功率開關(guān)器件工作所需觸發(fā)信號，觸發(fā)信號由光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為光信號控制功率開關(guān)器件工作，從而實現(xiàn)對三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器的遠程實時控制。本實用新型可以實現(xiàn)輸出電網(wǎng)電壓瞬時變化的模擬，滿足電力電子裝置控制算法測試研究的實時性及可行性，同時，選擇不同功率等級的功率二極管及功率開關(guān)器件，可滿足不同功率條件下的電網(wǎng)不平衡要求。調(diào)壓器的數(shù)值決定了輸出電壓的數(shù)值，設(shè)置調(diào)壓器的數(shù)值，可以輸出不同的電壓，實現(xiàn)了模擬電網(wǎng)不平衡電壓的寬范圍。本實用新型的有益效果是:優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，控制系統(tǒng)簡單可靠；可實現(xiàn)三相電壓的遠程 獨立控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的單相、多相變化，具備良好的瞬態(tài)模擬能力；采用DSP處理器及FPGA/CPLD，控制電路計算精度高，處理速度快；引入光電轉(zhuǎn)換，光信號觸發(fā)功率開關(guān)器件，抗干擾能力強。本實用新型可滿足電力電子裝置在測試電網(wǎng)不平衡條件適應(yīng)性時對電壓不平衡發(fā)生器的需求，具有廣闊的市場及應(yīng)用前景。

圖1是三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器原理圖；圖2是正常輸出電路結(jié)構(gòu)圖，其中:(a)三相正常輸出電路結(jié)構(gòu)圖；(b)單相正常輸出電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是不平衡輸出電路結(jié)構(gòu)圖，其中:(a)三相不平衡輸出電路結(jié)構(gòu)圖；(b)單相不平衡輸出電路結(jié)構(gòu)圖；圖4是控制電路結(jié)構(gòu)框圖；圖中:1、正常輸出電路，2、不平衡輸出電路，3、隔離變壓器，4、控制電路，5、上位機，6、二極管H橋電路，7、功率開關(guān)器件及其保護電路，8、調(diào)壓器，9、DSP處理器，10、FPGA/CPLD, 11、AD采樣芯片，12、光電轉(zhuǎn)換電路，13、電壓傳感器，D1、快恢復二極管，RURa電阻，Cl、Ca、電容，Sal、Sla功率開關(guān)器件，Dal Da4、Dla D4a、功率二極管。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型做進一步說明。如圖1所示，一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器原理圖。本實用新型包括正常輸出電路1、不平衡輸出電路2、隔離變壓器3、控制電路4、上位機5。正常輸出電路I的三相交流輸 入端與三相電網(wǎng)連接，其三相交流輸出端與隔離變壓器3的輸入端相連后輸出電網(wǎng)電壓，不平衡輸出電路2的三相交流輸入端與三相電網(wǎng)連接，不平衡輸出電路2的三相交流輸出端與隔離變壓器3的輸入端連接；控制電路4采樣電壓傳感器傳輸?shù)碾妷盒盘?，通過上位機5決定正常輸出電路I和不平衡輸出電路2的工作狀態(tài)，控制電路4輸出觸發(fā)信號，通過正常輸出電路I和不平衡輸出電路2來控制電路的接通狀態(tài)，改變電網(wǎng)電壓。如圖2所示，本實用新型的正常輸出電路I包括三相獨立的二極管H橋電路6和功率開關(guān)器件及其保護電路7。在單相正常輸出電路I中，二極管H橋電路6和功率開關(guān)器件及其保護電路7并聯(lián)；單相二極管H橋電路6由四個功率二極管(Dal Da4)組成，串聯(lián)的兩個功率二極管(Dal、Da2 )與串聯(lián)的功率二極管(Da3、Da4)并聯(lián)，形成H橋拓撲結(jié)構(gòu)，快恢復二極管Dl與電阻Rl和電容Cl依次串聯(lián)，并于功率開關(guān)器件Sal兩端，形成功率開關(guān)器件及其保護電路7。如圖3所示，本實用新型的不平衡輸出電路2包括三相獨立的二極管H橋電路6、功率開關(guān)器件及其保護電路7和調(diào)壓器8，三相二極管H橋電路6的輸入端為不平衡輸出電路2的交流輸入端，三相二極管H橋電路6的輸出端與調(diào)壓器8的輸入端相連，調(diào)壓器8的輸出端為不平衡輸出電路2的交流輸出端。在單相不平衡輸出電路2中，二極管H橋電路6和功率開關(guān)器件及其保護電路7并聯(lián)；單相二極管H橋電路6由四個功率二極管(Dla D4a)組成，串聯(lián)的兩個功率二極管(Dla、D2a)與串聯(lián)的功率二極管(D3a、D4a)并聯(lián)，形成H橋拓撲結(jié)構(gòu)，快恢復二極管Da與電阻Ra和電容Ca依次串聯(lián)，并聯(lián)于功率開關(guān)器件Sla兩端，形成功率開關(guān)器件及其保護電路7。如圖4所示，控制電路4的結(jié)構(gòu)框圖。本實用新型的控制電路4由DSP處理器9，F(xiàn)PGA/CPLD 10，AD采樣芯片11，光電轉(zhuǎn)換電路12、電壓傳感器13組成；電壓傳感器13采集三相交流輸入電壓及三相交流輸出電壓經(jīng)AD采樣芯片11輸入至FPGA/CPLD 10進行邏輯處理轉(zhuǎn)換，得到的信息數(shù)據(jù)傳遞給DSP處理器9 ；DSP處理器9發(fā)出開通或關(guān)斷指令，經(jīng)FPGA/CPLD 10處理轉(zhuǎn)換產(chǎn)生功率開關(guān)器件及其保護電路7中功率開關(guān)器件工作所需觸發(fā)信號，觸發(fā)信號由光電轉(zhuǎn)換電路12轉(zhuǎn)換為光信號控制功率開關(guān)器件工作；DSP處理器9將三相電網(wǎng)電壓和功率器件的開關(guān)狀態(tài)的信息綜合經(jīng)RS232或USB結(jié)口傳遞給上位機5，上位機5根據(jù)綜合信息對DSP處理器9進行參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)對三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器的遠程實時控制。本實用新型的具體實施流程如下:首先操作人員根據(jù)所需電壓不平衡信息調(diào)節(jié)不平衡輸出電路2中的調(diào)壓器8，之后通過上位機5輸入正常輸出電壓控制指令，控制電路4中的DSP處理器9接收到控制指令后，產(chǎn)生控制信號，F(xiàn)PGA/CPLD 10將控制信號處理產(chǎn)生驅(qū)動正常輸出電路I中功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路12轉(zhuǎn)換為光信號觸發(fā)功率開關(guān)器件導通，輸出正常三相交流電壓；在需要產(chǎn)生不平衡電壓時刻，操作人員通過上位機輸入相關(guān)控制指令，控制電路4中DSP處理器9接收到控制指令后，產(chǎn)生控制信號，F(xiàn)PGA/CPLD 10將控制信號處理產(chǎn)生驅(qū)動正常輸出電路I中功率開關(guān)器件的關(guān)斷及不平衡輸出電路2中相關(guān)功率開關(guān)器件導通的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路12轉(zhuǎn)換為光信號觸發(fā)功率開關(guān)器件關(guān)斷和導通，輸出不平衡的三相交流電壓；在以上過程中，電壓傳感器13實時采集輸入及輸出的三相交流電壓信息，經(jīng)控制電路4處理后傳輸給上位機5，便于操作人員 觀察判 斷。
權(quán)利要求1.一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，其特征在于包括正常輸出電路(I)、不平衡輸出電路(2)、隔離變壓器(3)、控制電路(4)、上位機(5);正常輸出電路(I)由三相二極管H橋電路(6)和功率開關(guān)器件及其保護電路(7)構(gòu)成，不平衡輸出電路(2)包括三相二極管H橋電路(6)、功率開關(guān)器件及其保護電路(7)和調(diào)壓器(8)構(gòu)成，正常輸出電路(I)的三相交流輸入端與三相電網(wǎng)連接，其三相交流輸出端與隔離變壓器(3)的輸入端相連后輸出電網(wǎng)電壓，不平衡輸出電路(2)的三相交流輸入端與三相電網(wǎng)連接，不平衡輸出電路(2)的三相交流輸出端與隔離變壓器(3)的輸入端連接；控制電路(4)采樣電壓傳感器傳輸?shù)碾妷盒盘?，通過上位機(5)決定正常輸出電路(I)和不平衡輸出電路(2)的工作狀態(tài)，控制電路(4)輸出觸發(fā)信號，通過正常輸出電路(I)和不平衡輸出電路(2)來控制調(diào)壓器的接通狀態(tài)，改變電網(wǎng)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，其特征在于，所述的正常輸出電路(I)包括可獨立控制的三相二極管H橋電路(6)和功率開關(guān)器件及其保護電路(7)，單相正常輸出電路(I)中，二極管H橋電路(6)和功率開關(guān)器件及其保護電路(7)并聯(lián)；單相二極管H橋電路(6)由四個功率二極管組成，兩個功率二極管(Dal、Da2)串聯(lián)后與串聯(lián)的功率二極管(Da3、Da4 )并聯(lián)，形成H橋拓撲結(jié)構(gòu)，快恢復二極管DI與電阻Rl和電容Cl依次串聯(lián)，并于功率開關(guān)器件Sal兩端，形成功率開關(guān)器件及其保護電路(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，其特征在于，所述的正常輸出電路(I)中三相二極管H橋電路(6)的輸入端為正常輸出電路(I)的交流輸入端，三相二極管H橋電路(6)輸出端為正常輸出電路(I)的交流輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，其特征在于，所述的不平衡輸出電路(2 )包括可獨立控制的三相二極管H橋電路(6 )、功率開關(guān)器件及其保護電路(7)和調(diào)壓器(8)，三相二極管H橋電路(6)的輸入端為不平衡輸出電路(2)的交流輸入端，三相二極管H橋電路(6)的輸出端與調(diào)壓器(8)的輸入端相連，調(diào)壓器(8)的輸出端為不平衡輸出電路(2)的交流輸出端；單相不平衡輸出電路(2)中，二極管H橋電路(6)和功率開關(guān)器件及其保護電路(7)并聯(lián)；單相二極管H橋電路(6)由四個功率二極管組成，兩個功率二極管(Dla、D2a)串聯(lián)后與串聯(lián)的功率二極管(D3a、D4a)并聯(lián)，形成H橋拓撲結(jié)構(gòu)，快恢復二極管Da與電阻Ra和電容Ca依次串聯(lián)，并于功率開關(guān)器件Sla兩端，形成功率開關(guān)器件及其保護電路(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，其特征在于，所述的控制電路(4)由DSP處理器(9)，F(xiàn)PGA/CPLD(10)，AD采樣芯片(11)，光電轉(zhuǎn)換電路(12)、電壓傳感器(13)組成；電壓傳感器(13)采集三相交流輸入電壓及三相交流輸出電壓經(jīng)AD采樣芯片(11)輸入至FPGA/CPLD (10)進行邏輯處理轉(zhuǎn)換，得到的信息數(shù)據(jù)傳遞給DSP處理器(9) ；DSP處理器(9)發(fā)出開通或關(guān)斷指令，經(jīng)FPGA/CPLD(10)處理轉(zhuǎn)換產(chǎn)生功率開關(guān)器件及其保護電路(7)中功率開關(guān)器件工作所需觸發(fā)信號，觸發(fā)信號由光電轉(zhuǎn)換電路(12)轉(zhuǎn)換為光信號控制功率開關(guān)器件工作；DSP處理器(9)將三相電網(wǎng)電壓和功率器件的開關(guān)狀態(tài)的信息綜合經(jīng)RS232或USB結(jié)口傳遞給上位機(5)，上位機(5)根據(jù)綜合信息對DSP處理器(9 )進行參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)對三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器的遠程實時控制。
專利摘要本實用新型公開了一種三相獨立控制的電壓不平衡發(fā)生器，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，包括正常輸出電路，不平衡輸出電路，隔離變壓器，控制電路，上位機。正常輸出電路由二極管H橋電路，功率開關(guān)器件及其保護電路構(gòu)成，不平衡輸出電路結(jié)構(gòu)包括二極管H橋電路，功率開關(guān)器件及其保護電路和調(diào)壓器?？刂齐娐凡杉妷翰黄胶獍l(fā)生器的輸入及隔離變壓器的輸出端電壓，通過上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的人機交換，同時根據(jù)輸出電壓的需要，通過上位機對控制電路發(fā)出指令，控制電路輸出各功率開關(guān)器件的開通或關(guān)斷的觸發(fā)信號，驅(qū)動正常輸出電路和不平衡輸出電路工作，實現(xiàn)正常電壓或不平衡電壓的實時輸出。有益效果是優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低了成本，具有操作簡單、安全可靠、實時性好等特點，能夠有效實現(xiàn)三相獨立控制，模擬多種不平衡電壓及其瞬間變化現(xiàn)象，適用于變頻器乃至電機在電壓不平衡條件下實驗的測試和研究。
文檔編號H02J3/00GK203103953SQ201320131158
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者劉毅, 何鳳有, 楊光輝, 葉宗彬 申請人:中國礦業(yè)大學