CN205231837U - 一种基于单相逆变的电压跟踪保持器 - Google Patents

Abstract

一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，包括采样与控制模块、电源模块、逆变模块。采样与控制模块包括市电电压幅值检测采样电路、220V电网电压电流相位采样电路、负载电压电流检测电路、单片机主控单元。电源模块包括整流模块、直流降压模块、电源双向选择控制器、智能充放电电路、高频PWM发生电路、变压器推挽输出电路。逆变模块包括驱动电路和逆变器切换主电路。本实用新型采用交流采样技术实现对电网正弦电压幅值的采样及对电压电流相位的采样；采用的改进型双闭环控制算法很好的解决电压跟踪精确度问题。通过分析电压状态，触发电网电压跟踪保持器逆变输出正弦电压，保持交流接触器持续吸合，克服短时电能质量差的问题，保障了设备的连续稳定运行。

Description

一种基于单相逆变的电压跟踪保持器

技术领域

本实用新型涉及一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，属电网电压保护技术领域。

背景技术

保证接触器不脱扣，防止晃电在整个工厂运行中占相当重要的地位，良好的防晃电装置不仅可以保证负载运行的可靠性和稳定性，而且能够提高电力系统运行的经济性。

防晃电技术的提高应从两方面着手，一是晃电判断，二是电源切换电路结构。目前采用的晃电判断算法多为基于正弦函数模型的算法，如果被测波形存在少量的畸变或偏移都将导致测量误差，同时算法求解过程复杂，控制芯片运算过程中需要耗费较长时间，阈值的设定没有可靠的理论基础，对调试者的经验依靠度大，可能出现同一系统在本地使用情况良好，在其他地方误动作较多。对于电源切换电路结构，现在市场上流行的多为继电器结构的防晃电装置，但是这种类型的防晃电装置在切换过程中会出现断流状况，导致接触器脱扣。

发明内容

本实用新型的目的是，针对现有防晃电技术存在的不足，本实用新型提供一种基于单相逆变的电压跟踪保持器。

本实用新型的技术方案是，本实用新型一种基于单相逆变的电压跟踪保持器包括采样与控制模块、储能模块和逆变模块。

所述采样与控制模块，用于将220V电网交流电压转换为单片机主控单元的正向电压，将220V电网交流电压的相位以高低电平的形式输入单片机主控单元。

所述储能模块，用于实现对超级电容的充电，超级电容放电时将电流输出至高频PWM波输出电路。

逆变模块，用于双向可控硅无隙换流切换主电路再切换回220V电网供电，实现交流供电与直流供电之间的平滑切换，即无隙换流。

所述采样与控制模块包括市电电压幅值检测采样电路、220V电网电压电流相位采样电路、负载电压电流检测电路和单片机主控单元；

所述储能模块包括整流模块、直流降压模块、电源双向选择电路、电池智能充放电电路、高频PWM波发生电路和高频变压器输出电路；

所述逆变电路包括驱动电路和逆变器切换主电路。

所述市电电压幅值检测采样电路的输入端、220V电网电压电流相位采样电路的输入端、整流模块的输入端分别连接至220V电网；市电电压幅值检测采样电路的输出端连接单片机主控单元的AD采样端口；220V电网电压电流相位采样电路的输出端连接单片机主控单元的电压电流相位采样端口；整流模块的一路输出端通过直流降压模块电路连接单片机主控单元的芯片供电端口；整流模块的另一路输出端连接电源双向选择电路的输入端；电源双向选择电路的输出端连接高频变压器输出电路的输入端，另一个输入端连接电池智能充放电电路；电池智能充放电电路一端连接电池，另一端连接单片机控制端口和电池电量监测端口；电源双向选择电路的输出端连接高频PWM波发生电路，高频PWM波发生电路的输出端再连接高频变压器输出电路的输入端；高频变压器输出电路的输出端连接逆变器切换主电路的输入端；逆变器切换主电路的输出端连接驱动电路。

所述市电电压幅值检测采样电路用于将220V电网的220V正弦交流电压转换为单片机主控单元能接收的恒为正相的电压，使得220V正弦交流电压的相位为正或负时单片机主控单元均能实时监测到220V电网电压变化。

所述220V电网电压电流相位采样电路通过霍尔电流传感器将逆变器切换主电路的电流相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中，同时220V电网电压电流相位采样电路将220V电网电压的相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中。

所述单片机主控单元用于根据市电电压幅值检测采样电路的采样信号监测220V电网是否发生晃电：在220V电网发生晃电时，根据220V电网电压电流相位采样电路传来的信号判断此时电流相位，并关断逆变器切换主电路中交流可控硅晶闸管，开启与当前电流相位对应的直流可控硅晶闸管；在220V电网电压恢复正常时，关断逆变器切换主电路中的直流可控硅晶闸管，开启与当前电流相位对应的交流可控硅晶闸管。

所述负载电压电流检测电路用来采集负载上的电压电流值，从而在控制程序中设定主电路回切的时长。

所述整流模块的作用是将220V的电网电压整成电压值为5V的直流电压；所述直流降压模块电路的作用是将5V直流电压降至单片机可承受的3.3V；所述电源双向选择电路用于选择是由市电220V供电，还是由电池供电，选择控制信号由单片机发出；所述电池智能充放电电路用于给电池充电，保证电池始终处于满电状态；同时监测电池电量，当电池电量过低时发出报警信号。

所述高频PWM发生电路通过调节产生的PWM波的占空比来控制高频PWM发生电路中MOS管的导通与关断时间，形成闭环调节，使高频变压器输出电路输出稳定的V电源和具有载波性质的电源；所述高频变压器输出电路用于输出具有载波性质的直流电源VDD和V电源VEE。

所述驱动电路包括继电器开关量控制信号驱动隔离模块、双向可控硅控制信号驱动隔离模块；继电器开关量控制信号驱动隔离模块用于实现继电器开关量控制信号与单片机主控单元的驱动信号间的电气隔离，从而完成对逆变器切换主电路中继电器的驱动；双向可控硅控制信号驱动隔离模块用于驱动逆变器切换主电路中的交流可控硅晶闸管和直流可控硅晶闸管。

所述逆变器切换主电路完成220V电网与备用电源，即电源模块的切换：当单片机主控单元监测到220V电网发生晃电时，逆变器切换主电路在单片机主控单元的指令下快速完成电源切换动作，切换至备用电源为负载提供稳定电压；当220V电网恢复正常工作时，逆变器切换主电路再切换回220V电网供电，从而实现交流供电与直流供电之间的平滑切换，即无隙换流。

基于单相逆变的电压跟踪保持装置的控制方法，包括以下步骤：

（1）负载电压电流检测电路采集负载上的电压电流相位，并输入到单片机主控单元中，从而设定逆变器切换主电路回切的时长；

（2）市电电压幅值检测采样电路将220V电网的220V正弦交流电压转换为单片机主控单元能接收的恒为正相的电压，输出至单片机主控单元；

（3）220V电网电压电流相位采样电路通过霍尔电流传感器将电网电流相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中，同时220V电网电压电流相位采样电路将220V电网电压的相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中；

（4）市电220V电压通过整流模块后转换成5V直流电并送入电源双向选择电路，同时整流模块通过直流降压模块将5V直流电压降成3.3V给单片机主控单元供电，单片机主控单元控制储能电路给超级电容快速充电，当超级电容电压值达到单片机主控单元设定值时，停止充电；

（5）四个Mos管搭建全桥逆变电路，通过控制芯片输出的SPWM信号控制四个Mos管的开通与关断将高压直流逆变为正弦交流；

（6）根据市电电压幅值检测采样电路的采样信号监测220V电网是否发生晃电：若220V电网的电压低于标准电压的80%，则判定220V电网发生晃电，执行下一步；否则，返回步骤（1）；

（7）单片机主控单元根据220V电网电压电流相位采样电路传来的信号判断此时电压电流相位，给出使能信号，逆变器切换主电路能在控制器的指令下快速完成切换动作，为交流接触器提供稳定电源。为保证交流接触器不脱扣，需要该动作时间尽可能短。

本实用新型的有益效果是，本实用新型采用交流采样技术实现对电网正弦电压幅值的采样以及对电压电流相位的采样，同时将负相电压转换为正相，将幅值相应的减小至单片机主控单元可承受的范围。本实用新型采用的改进型双闭环控制算法能很好的解决电压跟踪精确度问题。通过分析电压状态，触发电网电压跟踪保持器逆变输出正弦电压，保持交流接触器持续吸合，克服短时电能质量差的问题，保障工业过程中设备的连续稳定运行。本实用新型采用旁路式结构将继电器接入电路中，不改变接触器的结构，不影响接触器的正常工作，不存在冲击问题，对任何接触器都具有通用性，降低成本且提高系统可靠性，减少了故障点。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式的单相逆变的电压跟踪保持器结构框图；

图2为本实用新型具体实施方式的主电路拓扑结构图；

图3为本实用新型具体实施方式的系统总体结构图；

图4为本实用新型具体实施方式的控制器外围电路连接示意图；

图5为本实用新型具体实施方式的整流模块电路原理图；

图6为本实用新型具体实施方式的储能控制电路原理图；

图7为本实用新型具体实施方式的直流降压模块电路原理图；

图8为本实用新型具体实施方式的全桥逆变电路原理图；

图9为本实用新型具体实施方式的继电器驱动电路原理图；

图10为本实用新型具体实施方式的切换电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。

本实施例一种基于单相逆变的电压跟踪保持器结构框图如图1所示。图中粗实线为能量流动路线，细虚线为信号线。在电网电压正常的情况下，接触器由电网直接供电保持吸合，与此同时，控制器控制整流电路和储能系统为锂电池充电，检测系统将电网电压的检测信号输入到控制器，并控制输出同步正弦信号。当控制器判断出电网电压异常时，给切换电路发出信号，由逆变器供电保持接触器连续工作。

在本实施例电网电压跟踪保持器的设计中，除控制器外，逆变桥的工作方式是电网电压跟踪保持器的另一个重要组成部分。图2为后备式电网电压跟踪保持器的主电路拓扑结构，此拓扑结构描述了后备式电网电压跟踪保持器的功率组成部分。它主要由整流桥、智能充电电路、变压器、滤波稳压电路和逆变桥组成：首先整流桥将电网交流变为直流，在智能充电电路的控制下对电池进行充放电管理；其次电池的低压直流电经过高频变压器变为400V等级的高压，经由四个整流二极管（D3、D4、D5和D6）组成的全桥整流电路变为高压直流电，电容C1对高压直流电进行滤波和稳压；最后高压直流电被四个MOS管组成的逆变桥控制输出与电网相位同步、电压相同的交流电。

与其他的电路拓扑结构相比，本电路有如下结构优势：（１）该电路拓扑结构简单，在控制方面技术相当成熟，运行稳定可靠、效率高；（２）价格便宜。图中从整流器到逆变器，在能达到技术要求的情况下，器件价格较便宜。单就MOS管逆变器而言，相较于IGBT能节省40%的价格；第三，系统体积较小。将传统的工频变压器提前，采用高频变压器对电压进行抬升，大大减少了变压器的体积，与此同时输出电压的可控性也大大提高。

本实施例一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其系统总体结构如图3所示，包括市电电压、电流检测电路，220V电网过零点检测电路，负载电压电流检测电路，单片机主控单元，整流模块，直流降压模块，储能控制电路，高频PWM发生电路，高频变压器输出电路，全桥逆变电路，驱动电路和切换主电路。

图4为本实施例的控制器外围电路连接示意图，本实用新型选用美国微芯公司的dsPIC33FJ16GS504作为核心控制器。该芯片外设丰富，具有3个16位定时器/计数器，2路16位输入捕捉，2路16位无毛刺输出比较，6路可变模式PWM输出。高达40MIPS的工作速度，改进型的哈佛结构，提高了控制器的实时控制能力。控制器丰富的外设功能以及外接引脚为系统的功能实现提供了方便。图中对控制器的引脚进行了分配。右下部分为程序烧写口，通过该端口与PC机连接，进行程序的烧写与在线调试。

图5为本实施例的整流模块电路原理图。整流模块用于将市电220V转换成5V直流电并送入电源双向选择电路同时通过智能充放电电路给电池充电。整流模块U90的L脚、N脚分别与火线LIVE、零线NEUTRAL相连；U90的VPP脚与VPP相连，VPP通过二极管D50与GND相连。220V市电经过整流模块转换成5V直流电，为电源模块供电。

图6为本实施例的储能控制电路。该电路主要由锂电池充放电专用集成芯片DW01组成。+12V电压给锂电池充电，集成芯片DW01的供电端口一方面从电池两端取电供自身工作所需，另一方面检测锂电池两端的电压水平。当电池电压超过4.35V时，DW01的OC脚输出控制信号使充电控制Mos管M2断开，锂电池立即停止充电。该电路可防止锂电池因过充而损坏。在锂电池放电过程中，若电压降到2.3V时，DW01的OD端输出控制信号关断放电回路上的Mos管M1，从而防止锂电池的过度放电。CS脚为电流检测脚，输出短路时，放电控制Mos管的导通压降剧增，CS端电压迅速升高，此时DW01输出信号，使充放电控制Mos管迅速关断，从而实现过流和短路的保护。综上所述，DW01锂电池充放电集成管理芯片，具有过充、过放、过流和短路保护的功能，其高精度的电压检测电路能有效的保护锂电池的工作，延长了电池使用寿命，减少电池损坏的风险。

图7为本实施例的直流降压电路。直流降压模块电路包括第一稳压器和第二稳压器；第一稳压器用于将市电220V转换成5V直流电，给高频PWM发生电路供电；第二稳压器用于将5V直流电转换成3.3V直流电，给单片机控制单元供电。直流降压模块电路的电路原理图如图７所示，U5的6脚与VMID相连。U5的6脚通过电感L2与U5的1脚相连。U5的5脚与U6的2脚相连。U5的5脚先后经过电阻R90、二极管D3与U5的3脚相连。U5的3脚通过二极管D3与VPP相连。U5的3脚先后经过二极管D3、电阻R94与单片机主控单元相连。U5的3脚通过电阻R91与GND相连。U5的4脚通过电阻R20与GND相连。U5的4脚通过电阻R18与VAUX相连。VAUX与GND之间连接电容C11。U6的3脚与VCC相连。VCC与GND之间连接电容C13、C14。VMID作为直流降压模块电路的输入信号与U5的6脚相连，U5的输出为5V直流电，U5的输出作为U6的输入，U6输出3.3V的直流电。直流降压模块电路为高频PWM发生电路供电。当220V电网正常工作或发生晃电时，单片机主控单元发出高电平，VPP通过二极管D3与U5的3脚相连，使能U5，使整个直流降压模块工作；只有当停电发生时，单片机主控单元才发出低电平，直流降压模块停止工作。直流降压模块工作时通过U5把经过电源双向选择电路产生的电压VMID转化为5V电压，5V电源经过U6降压为3.3V电源，生成的5V和3.3V电源分别给高频PWM发生电路和单片机主控单元供电。

本实施例的电源电路，是通过两个DC/DC稳压器得到+5V和+3.3V的电压。+3.3V用来给控制芯片及其外围设备提供稳定的工作电源，+5V用来给光耦和部分运放的工作供电。本电路采用两级降压模块，一方面提高了+3.3V电压的稳定性，保证了单片机电源的稳定，另一方面中间级产生的+5V电压可为其他设备供电。电路中发光二极管D4用来指示电源上电，电容起滤波作用。在电路中利用高频变压器产生的Vaux、Vcc电源用来给各检测器件供电。

图8为本实施例的全桥逆变电路。图中C41、D41分别为自举电容和自举二极管，C39为芯片供电电源VPP的滤波电容。假设Q16关断期间C41已充满。当芯片的PWM输入端口HIN为高电平，LIN为低电平时，内部控制开关VM1导通，VM2关断，电容C41上的电压加到Q16的门极和源极之间，则电容C41通过图中左上角的线路示意图放电，从而Q16导通。与此同时VM3关断，VM4导通，Q18门极聚集的电荷通过R78迅速对地放电，从而Q18在Q16开通器件快速关断。当HIN为低电平，LIN为高电平时，VM1关断，VM2导通，Q16门极聚集的电荷通过电阻R76迅速放电，Q16快速关断。同时，VM3导通，VM4关断，外部电源VPP通过VM3、R78加载到Q18的门极和源极之间，使得Q18开通，并且自举电容C41通过D41和Q18由电压VPP充电。经过上述过程完成了上下桥臂各一次的开通与关断。由于输入HIN与LIN端口的PWM信号互补，且已加入死区时间，故该种控制方式避免了因上下Mos管同时导通导致的短路问题。

图9为本实施例的继电器驱动电路。

图10为本实施例的切换电路。该电路负责完成市电与逆变电源的切换。当检测到市电电压状态异常时，该切换电路能在控制器的指令下快速完成切换动作，为交流接触器提供稳定电源。为保证交流接触器不脱扣，需要该动作时间尽可能短。通过参数对比，选择了爱福BRT2-SS-205D型继电器。该继电器能切换8A的电流，内部设计的灭弧装置可保证切换的安全。切换线圈的工作电压为5V，线圈功率只需0.54W。触点的切换次数高达10万次以上，触点吸合动作时间为4ms，释放动作时间为3ms。其快速的动作时间为系统在10ms内完成逆变切换提供了保证。

图10中继电器的4、5脚连接逆变器输出的交流，3、6脚连接接触器线圈，2、7脚连接市电。继电器线圈在断电情况下，触头连接市电，接触器线圈由市电供电。当控制器发出切换信号后，在继电器线圈磁力的吸引下，触头跳转到逆变输出端，完成切换动作。继电器线圈通电后，线圈中积聚了部分能量，当切换信号撤销后，继电器线圈回路中断，能量无法释放将导致继电器烧毁，因此在继电器线圈两端并联二极管D31构成释放回路。

电路中各集成芯片在功能满足设计要求的同时，工作电源严格控制在以上直流电源范围内。通过此种控制，给电路的设计和使用带来了极大的方便，降低了电路设计经济成本的同时，降低了装置的体积。

Claims (9)

1.一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述保持器包括：

采样与控制模块，用于将220V电网交流电压转换为单片机主控单元的正向电压，将220V电网交流电压的相位以高低电平的形式输入单片机主控单元；所述采样与控制模块包括市电电压幅值检测采样电路、220V电网电压电流相位采样电路、负载电压电流检测电路和单片机主控单元；

储能模块，用于实现对超级电容的充电，超级电容放电时将电流输出至高频PWM波输出电路；所述储能模块包括整流模块、直流降压模块、电源双向选择电路、电池智能充放电电路、高频PWM波发生电路和高频变压器输出电路；

逆变模块，用于双向可控硅无隙换流切换主电路再切换回220V电网供电，实现电网供电与储能交流供电之间的平滑切换，即无隙换流；所述逆变模块包括驱动电路和逆变器切换主电路；

所述市电电压幅值检测采样电路的输入端、220V电网电压电流相位采样电路的输入端、整流模块的输入端分别连接至220V电网；市电电压幅值检测采样电路的输出端连接单片机主控单元的AD采样端口；220V电网电压电流相位采样电路的输出端连接单片机主控单元的电压电流相位采样端口；整流模块的一路输出端通过直流降压模块电路连接单片机主控单元的芯片供电端口；整流模块的另一路输出端连接电源双向选择电路的输入端；电源双向选择电路的输出端连接高频变压器输出电路的输入端，另一个输入端连接电池智能充放电电路；电池智能充放电电路一端连接电池，另一端连接单片机控制端口和电池电量监测端口；电源双向选择电路的输出端连接高频PWM波发生电路，高频PWM波发生电路的输出端再连接高频变压器输出电路的输入端；高频变压器输出电路的输出端连接逆变器切换主电路的输入端；逆变器切换主电路的输出端连接驱动电路。

2.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述市电电压幅值检测采样电路用于将220V电网的220V正弦交流电压转换为单片机主控单元能接收的恒为正相的电压，使得220V正弦交流电压的相位为正或负时单片机主控单元均能实时监测到220V电网电压变化。

3.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述220V电网电压电流相位采样电路通过霍尔电流传感器将逆变器切换主电路的电流相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中，同时220V电网电压电流相位采样电路将220V电网电压的相位以高低电平的形式输入到单片机主控单元中。

4.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述单片机主控单元用于根据市电电压幅值检测采样电路的采样信号监测220V电网是否发生晃电：在220V电网发生晃电时，根据220V电网电压电流相位采样电路传来的信号判断此时电流相位，并关断逆变器切换主电路中交流可控硅晶闸管，开启与当前电流相位对应的直流可控硅晶闸管；在220V电网电压恢复正常时，关断逆变器切换主电路中的可控硅晶闸管，开启与当前电流相位对应的交流可控硅晶闸管。

5.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述负载电压电流检测电路用来采集负载上的电压电流值，从而在控制程序中设定主电路回切的时长。

6.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述整流模块的作用是将220V的电网电压整成电压值为5V的直流电压；所述直流降压模块电路的作用是将5V直流电压降至单片机可承受的3.3V；所述电源双向选择电路用于选择是由市电220V供电，还是由电池供电，选择控制信号由单片机发出；所述电池智能充放电电路用于给电池充电，保证电池始终处于满电状态；同时监测电池电量，当电池电量过低时发出报警信号。

7.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述高频PWM发生电路通过调节产生的PWM波的占空比来控制高频PWM发生电路中MOS管的导通与关断时间，形成闭环调节，使高频变压器输出电路输出稳定的V电源和具有载波性质的电源；所述高频变压器输出电路用于输出具有载波性质的直流电源VDD和V电源VEE。

8.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述驱动电路包括继电器开关量控制信号驱动隔离模块、双向可控硅控制信号驱动隔离模块；继电器开关量控制信号驱动隔离模块用于实现继电器开关量控制信号与单片机主控单元的驱动信号间的电气隔离，从而完成对逆变器切换主电路中继电器的驱动；双向可控硅控制信号驱动隔离模块用于驱动逆变器切换主电路中的交流可控硅晶闸管和可控硅晶闸管。

9.根据权利要求1所述一种基于单相逆变的电压跟踪保持器，其特征在于，所述逆变器切换主电路完成220V电网与备用电源，即电源模块的切换：当单片机主控单元监测到220V电网发生晃电时，逆变器切换主电路在单片机主控单元的指令下快速完成电源切换动作，切换至备用电源为负载提供稳定电压；当220V电网恢复正常工作时，逆变器切换主电路再切换回220V电网供电，从而实现电网交流供电与储能交流供电之间的平滑切换。