一种中高压电力电子设备的突然掉电保护方法

摘要

一种中高压电力电子设备的突然掉电保护方法属于电力电子设备掉电保护技术领域，其特点在于：采用了能量回馈的思想，将直流侧的能量转换到控制电路和驱动电路上，既实现了能量的充分利用，又实现了电网掉电的保护功能。与采用UPS或电池进行保护的措施相比，此方法具有工作可靠，装置体积小，工作寿命长，成本低等优点。此保护方法已经在并联型有源电力滤波器中使用，其有效性得到验证。

权利要求

1.一种中高压电力电子设备的突然掉电保护方法，其特征在于：对于电压型逆变器类中高压电力电子设备，在逆变器的直流侧与逆变器中控制电路和驱动电路的直流供电端之间加一单端反激电压回馈电路，该单端反激电压回馈电路为一个DC/DC变换电路，以此利用逆变器直流侧的第一电容，在电网突然掉电时，将直流侧的电能回馈到控制电路和驱动电路的直流供电端；同时，在逆变器的交流侧与逆变器的驱动电路之间加一掉电保护判断电路，在电网突然掉电时产生保护信号截止逆变器中的功率开关器件，从而实现电网突然掉电时对所述电力电子设备的保护作用；具体实现过程如下：(1)电网正常工作时，由于由第一电容供电的DC/DC变换电路的输出电压低于第二电容电压，控制电路和驱动电路由交流电源整流后通过第二电容供电，形成交流供电电路，DC/DC变换电路没有输出；

(2)电网掉电时，掉电保护判断电路响应产生保护信号，截止逆变器中的功率开关器件，使之停止工作；由于控制电路和驱动电路的交流供电电路中有第二电容的存在，所以短时间内第二电容上的电压高于DC/DC变换电路输出电压，控制电路和驱动电路仍然由第二电容供电；

(3)当第二电容上的电压低于DC/DC变换电路输出电压时，DC/DC变换电路开始工作，将直流侧第一电容的电能回馈到控制电路和驱动电路上，由于DC/DC变换电路采用的是单端反激电压回馈电路，实现了直流侧电压的反馈以及反馈输出电压的恒定，直到第一电容的电压降下来为止。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子设备的掉电保护技术领域，特别涉及一种中高压电力电子设备的突然掉电保护方法。

背景技术

电力电子设备主要有整流器、逆变器两类。对于逆变器按照其电源类型可分为电压型和电流型两种，其拓扑结构如图1和图2所示，其中电流型逆变器的中间直流环节一般采用大电感作为储能环节，电压型逆变器中间直流环节的储能元件一般采用大电容。由于逆变器的工作原理是通过控制开关器件的开通时间来实现直流变交流的目的，所以控制电路和驱动电路是必不可少的。针对控制电路和驱动电路的供电问题，有的电压型逆变器直接利用直流侧电压给控制电路和驱动电路供电，但是有的电压型逆变器因工作原理要求，控制板和驱动板必需首先上电，所以其控制电路和驱动电路必须使用单独的供电线路。对于后者，其控制电路和驱动电路的供电可靠性，对于整个装置的安全运行起着至关重要的作用，本发明提出的中高压电力电子设备的突然掉电保护方法就是对这类逆变设备的控制电路和驱动电路的供电线路突然掉电问题提供一种保护措施。
对于电压型的电力电子装置，其储能元件为大电容，在电网突然掉电时，如果不采取保护措施，控制电路和驱动电路也相应的掉电，这时开关器件的驱动信号不能确定，可能出现上下桥臂同时导通的现象，即上下桥臂直通，在中高压的情况下，直通会造成开关管的烧坏、爆炸。目前针对控制电路和驱动电路的供电线路突然掉电的保护方法一般为：在电网突然掉电时，利用相关的储能元件继续维持控制电路和驱动电路工作，直到电容的电压降下来。
工业现场针对电网掉电或由于其它原因造成的供电线路掉电问题一般采用UPS解决，其主要工作模式为：电网正常时，UPS处于充电状态，控制电路和驱动电路由其它电路供电；电网掉电时，UPS工作对控制电路和驱动电路供电。对于中高压电力电子设备采用UPS有以下缺点：
1)UPS本身需要蓄电池，属于有源器件，对于工业现场可靠性低、维护成本高，另外蓄电池一般采用铅酸电池，其工作年限较短，装置体积较大；
2)工业用的UPS，设计时需要考虑工作现场的恶劣条件，因此成本非常高。

发明内容

本发明针对现有电压型逆变器类中高压电力电子设备电网掉电保护措施的缺点，提出了一种突然掉电的保护方法，其目的是要解决现有采用UPS或电池有源器件进行电网掉电保护所存在的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种中高压电力电子设备的突然掉电保护方法，其创新在于：对于电压型逆变器类中高压电力电子设备，在逆变器的直流侧与逆变器中控制电路和驱动电路的直流供电端之间加一单端反激电压回馈电路，该单端反激电压回馈电路为一个DC/DC变换电路，由于控制电路和驱动电路的交流供电电路中有第二电容的存在，以此利用逆变器直流侧的第一电容，在电网突然掉电时，将直流侧的电能回馈到控制电路和驱动电路的直流供电端；同时，在逆变器的交流侧与逆变器的驱动电路之间加一掉电保护判断电路，在电网突然掉电时产生保护信号截止逆变器中的功率开关器件，从而实现电网突然掉电时对所述电力电子设备的保护作用；具体实现过程如下：
(1)电网正常工作时，由于由第一电容供电的DC/DC变换电路的输出电压低于第二电容电压，控制电路和驱动电路由交流电源(电网电源)整流后通过第二电容供电，形成交流供电电路；
(2)电网掉电时，掉电保护判断电路响应产生保护信号，截止逆变器中的功率开关器件，使之停止工作；由于控制电路和驱动电路的交流供电电路中有第二电容的存在，所以短时间内(几秒钟内)第二电容上的电压高于DC/DC变换电路输出电压，控制电路和驱动电路仍然由第二电容供电；
(3)当第二电容上的电压低于DC/DC变换电路输出电压时，DC/DC变换电路开始工作，将直流侧第一电容的电能回馈到控制电路和驱动电路上，由于DC/DC变换电路采用的是单端反激电压回馈电路，实现了直流侧电压的反馈以及反馈输出电压的恒定，直到第一电容的电压降下来为止。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述“逆变器的直流侧”是指逆变器的直流输出侧，是相对交流输入侧而言的。
2、上述方案中，所述“第一电容”是指逆变器直流侧存在的电容。所述“第二电容”是指电网电源通过整流后向控制电路和驱动电路供电的交流供电电路中存在的电容。
3、上述方案中，所述“直到第一电容的电压降下来为止”是指电网掉电后，当第二电容上的电压低于第一电容上的电压时，第一电容开始放电，并通过DC/DC变换电路输出恒定的反馈电压给控制电路和驱动电路供电，直到第一电容的电压降下来后，DC/DC变换电路没有输出为止。
本发明工作原理及效果：针对现有保护措施的缺点，本发明设计了一种基于DC/DC变换的无源保护措施，其基本思想为：当电网电压突然掉电时，将直流侧第一电容的电量通过DC/DC变换的反馈给控制电路和驱动电路供电，同时掉电保护判断电路产生保护信号截止功率器件的驱动信号。该保护方法因为采用的DC/DC变换器属于无源器件，所以具有工作可靠、体积小、寿命长、成本低的特点。

附图说明

附图1为电压型电力电子设备拓扑结构图；
附图2为电流型电力电子设备拓扑结构图；
附图3为本发明电压型逆变器类中高压电力电子设备电网掉电保护系统原理框图；
附图4为本发明控制电路和驱动电路供电电路图；
附图5为本发明电网掉电保护判断电路图；
附图6为本发明DC/DC变换器电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：一种中高压电力电子设备的突然掉电保护方法
如图3所示，对于电压型逆变器类中高压电力电子设备，在逆变器的直流侧(即图3中主电路的输出Udc)与逆变器中控制电路和驱动电路的直流供电端(即图3中供电电路)之间加一单端反激电压回馈电路，该单端反激电压回馈电路为一个DC/DC变换电路，由于控制电路和驱动电路的交流供电电路中有第二电容的存在，以此利用逆变器直流侧的第一电容(指图1中的电容)，在电网突然掉电时，将直流侧的电能回馈到控制电路和驱动电路的直流供电端。同时，在逆变器的交流侧与逆变器的驱动电路之间加一掉电保护判断电路，在电网突然掉电时产生保护信号截止逆变器中的功率开关器件，从而实现电网突然掉电时对所述电力电子设备的保护作用；具体实现过程如下：
(1)电网正常工作时，由于由第一电容供电的DC/DC变换电路的输出电压低于第二电容电压，控制电路和驱动电路由交流电源(电网电源)整流后通过第二电容C1供电形成交流供电电路(如图4的供电电路)。
(2)电网掉电时，掉电保护判断电路响应产生保护信号，截止逆变器中的功率开关器件，使之停止工作；由于控制电路和驱动电路的交流供电电路中有第二电容的存在，所以短时间内(几秒钟内)第二电容上的电压高于DC/DC变换电路输出电压，控制电路和驱动电路仍然由第二电容C1供电。
(3)当第二电容上的电压低于DC/DC变换电路输出电压时，DC/DC变换电路开始工作，将直流侧第一电容的电能回馈到控制电路和驱动电路上，由于DC/DC变换电路采用的是单端反激电压回馈电路，实现了直流侧电压的反馈以及反馈输出电压的恒定，直到第一电容的电压降下来为止。
本发明掉电保护方法的工作电路主要涉及三部分：第一部分是指控制电路和驱动电路(控制板和驱动板)供电电路，如图4所示。第二部分是指掉电保护判断电路，如图5所示的采用全桥整流的电网电压判断电路。第三部分是指DC/DC变换电路，如图6所示采用UC3842的双闭环单端反激DC/DC变换电路。具体工作过程如下：电网电压正常时，由电网输入的交流电供电，此时交流电整流后的电压值大于DC/DC变换电路输出值，所以DC/DC变换电路不工作。电网电压突然掉电时，图5的掉电保护电路能够进行及时判断并且发出截至开关器件的相应信号，由于图4中第二电容C1的存在，开关电源供电端电压不会立刻低于DC/DC变换电路输出值，所以此时DC/DC变换电路也不工作。几秒后，第二电容C1端电压低于DC/DC变换电路输出值，DC/DC变换电路开始工作，一直到电容两端电压下降到安全值为止。
从图4可以看出，在正常工作时，外部交流电整流后给第二电容C1充电，由于控制电路和驱动电路正常工作时耗电相对较少，第二电容C1上的电压维持一稳定值，此值大于DC/DC变换电路输出的电压值，进而可知：正常工作时，DC/DC变换电路不会给控制电路和驱动电路供电，即没有输出。
从图5所示的采用全桥整流的电网电压判断电路可以看出，对于掉电保护判断电路，采用了三相不控整流电路，将对称的三相电网电压变为六个馒头波，然后与基准电压进行比较，一旦出现缺相或电网掉电，则整流后的电压就会低于基准电压值，发生保护动作，截止开关器件。
对于DC/DC变换电路，采用单端反激电路拓扑结构，控制芯片可以采用UC3842和SG3525等常用脉宽调制芯片。如图6所示的UC3842的双闭环单端反激DC/DC变换电路，采用直流侧电压超过一定值时，通过电阻R1给控制芯片供电，如果此时出现电网掉电现象，OUT+和OUT-有输出，控制芯片开始工作，输出驱动MOSFET的高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器两路副边没有能量输出。输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边两路二极管导通，向外提供能量。C11两端电压实现电压闭环，对输出电压脉冲进行控制，进而实现对OUT+和OUT-的控制，使OUT+和OUT-的电压稳定在要求值。
发明人将此保护方法用到30KVA的有源电力滤波器上，验证了此方法的可行性。有源电力滤波器主电路拓扑即为图1中的电压型结构，正常工作时，直流侧的电压稳定在750V左右，如果电网突然掉电，可能出现上下桥臂同时导通的现象，进而导致开关器件的烧坏甚至爆炸，此种情况发明人在实际生产中碰到过。加入保护电路后，电网突然掉电，保护电路起作用，不再出现开关器件损坏的现象。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。