軟起動裝置觸發電路供電電源的製作方法
2023-05-28 20:10:26 1
專利名稱：軟起動裝置觸發電路供電電源的製作方法
技術領域：
軟起動裝置觸發電路供電電源 技術領域 本實用新型涉及供電電源，特別是軟起動裝置觸發電路供電電源，具體是提出一種 6/10KV軟起動裝置觸發電路供電電源，主要應用於中、高壓電機軟起動控制及高壓變流 閥裝置中的晶閘管串聯元件觸發電路的隔離供電，具有一定的通用性。
技術背景 目前，國內外6/10KV軟起動裝置晶閘管變流閥觸發電路供電電源採用變壓器隔離 供電方案，通過觸發供電變壓器將控制電源隔離並轉換為觸發電路所需的電壓，接入與 主迴路連接的觸發電路，經整流、濾波、穩壓等環節形成觸發單元電源。此種方式存在 以下缺點- 1) 變壓器體積大。由於觸發電源需要足夠能量以滿足晶閘管變流閥強觸發的要求，變 壓器功率和體積均較大且數量眾多，佔用了相當大的安裝空間，設備笨重，故障率 高； 2) 變壓器製造難度大。由於該變壓器一次與二次繞組之間要求達到數萬伏絕緣強度， 變壓器結構設計困難，製造工藝複雜，難以滿足量產要求； 3) 經濟成本高。該變壓器屬非標產品，結構複雜，製造工藝要求極為嚴格，製造成本 高； 4) 接線複雜。變壓器的二次側均需要接到與主迴路直接相連的觸發電路，對連接導線 絕緣等級及行線工藝要求嚴格，難以滿足工業化量產。
隨著科學技術的進步，高壓變流裝置的應用越來越廣泛。從中、高壓電機的起動控 制、變頻調速到柔性交流輸電及高壓直流輸電等應用領域，不可避免地面臨半導體功率 元件(SCR、 MOSFET、 IGBT、 ICGT等)的觸發極控制問題。如前所述，傳統的利用變 壓器隔離的方式提供觸發電源難以滿足變流裝置向高電壓、大功率方向發展的技術和工 藝要求。
發明內容
本實用新型的目的在於提出一種軟起動裝置觸發電路供電電源，具體是提出一種 6/10KV軟起動裝置觸發電路供電電源，可以克服現有技術的不足，解決了中、高壓軟起 動及變流裝置中晶閘管變流閥串聯元件觸發電路的隔離供電問題，保證觸發電路電源穩 定、抗電強度高且體積小、製造工藝簡單、便於集成接線，主要應用於中、高壓電機軟 起動控制及高壓變流閥裝置中的晶閘管串聯元件觸發電路的隔離供電。本實用新型具有 通用性和推廣價值。
本實用新型提供的6/10KV軟起動裝置觸發電路供電電源包括 1) 高頻可調恆流電源 2) 單匝電流環 3) 耦合互感器與電壓穩定電路 高頻可調恆流電源通過高壓絕緣電纜依次穿過每一個觸發單元的耦合互感器，形成 高頻單匝電流環，將電能耦合至每一個觸發單元，經電壓穩定電路獲得穩定的觸發電源。
所述的高頻可調恆流電源包括輸入保險、PTC (正溫度係數元件)元件、AC/DC電 源電路、整流電路、濾波電容、MOSFET開關管、脈衝變壓器、驅動電路、PWM脈寬 調製電路、限壓恆流取樣環節、電壓取樣電路、電流取樣電路、頻率調節電位器、電流 調節電位器、耦合電容、高頻變壓器、無源帶通濾波器和電流互感器。其連接關係如下 自AC1、 AC2輸入的工頻交流電源經輸入保險、PTC元件接入AC/DC電源電路和整流 電路，AC/DC電源電路的輸出為DC12V供電電源，為控制迴路提供電源偏置；整流電 路的直流輸出連接由濾波電容組成的濾波電路及由MOSFET開關管組成的逆變支路，構 成半橋逆變環節；逆變環節的輸出經耦合電容連接高頻變壓器的一次側，高頻變壓器的 二次側經無源帶通濾波器連接輸出端子HF0、 HFI和HFV;帶通濾波器連接恆流輸出端 子的導線穿過電流互感器，經電流取樣電路進入限壓恆流取樣環節，電流調節電位器連 接電流取樣電路；帶通濾波器的輸出經電壓取樣電路作為限壓恆流取樣環節的第二個輸 入；限壓恆流取樣環節的輸出連接PWM脈寬調製電路的反饋輸入端；PWM脈寬調製電 路輸出兩路脈寬信號， 一路經驅動電路和脈衝變壓器連接至逆變環節高側MOSFET開關 管的門極，另一路經驅動電路和脈衝變壓器連接至逆變環節低側MOSFET開關管的門極； 頻率調節電位器連接與PWM脈寬調製電路的輸入端；外部使能控制8輸入端EN1、 EN2 連接於PWM脈寬調製電路的使能端。
所述的單匝電流環是一根依次穿過每一個觸發單元上的耦合互感器的高壓絕緣電 纜，形成高頻可調恆流電源的單匝恆流負載迴路。
所述的觸發單元耦合互感器與電壓穩定電路包括高頻互感器、 一次高頻恆流高壓絕 緣電纜、整流電路、高頻開關管、二極體、濾波電容、PWM調製電路、電壓反饋與調節 電路、定時電路與第二穩壓電路。其連接關係如下 一次高頻恆流高壓絕緣電纜穿過高 頻互感器，高頻互感器的二次輸出S1、 S2經整流電路、開關管、二極體連接至濾波電容 的正極並輸出至P+端子；電壓反饋與調節電路連接P+端子及PWM調製電路，PWM調 制電路的定時端子連接定時電路；PWM調製電路的脈寬調製輸出端連接高頻開關管的門 極。第二穩壓電路連接P+端子，其輸出連接+5V輸出端子。
本實用新型可應用於中、高壓電機軟起動控制及高壓變流閥裝置中的晶閘管串聯元 件觸發電路的隔離供電。
本實用新型提出的中、高壓軟起動裝置晶閘管變流閥觸發電路供電電源採用高頻恆 定電流環依次穿過各觸發單元耦合互感器，在互感器二次側經過電源調理，得到適合晶 閘管變流閥強觸發要求的穩定直流電源，具備以下優點
1) 體積小、重量輕。因採用了高頻技術，耦合互感器的體積和重量大幅縮小，僅 相當於傳統變壓器的1/20，且直接安裝於觸發單元的PCB電路板上，省去了背景技術 中的電源接線；
2) 製造工藝簡單，成本低廉，節省有色金屬材料。
3) 高頻電流環輸出電流及頻率可調，適合不同場合的要求。
4) 保護功能齊全。具備電壓過壓保護，輸出過流保護。
5) 穩定性高。裝置通過電流閉環控制，反應速度快，對於商用電網的電壓波動及 負載變化具有極強的適應性，輸出精度可達1%。
6) 電源能量耦合僅需一根承載高頻恆定電流高壓電纜依次穿過各觸發單元耦合互 感器，徹底解決了高壓主迴路與低壓控制迴路的抗電隔離問題；
7) 可靠性高。主要零部件和核心部件採用採用優質進口元器件，控制電路採用專 有技術，保護齊全，隔離及抗幹擾措施合理。
本實用新型徹底解決了高壓主迴路與低壓控制迴路的抗電隔離問題，保證晶閘管變 流閥觸發電路的穩定可靠，徹底解決因觸發電路不良而造成的大面積元件燒損問題，提 高設備的可靠性；同時控制迴路接線大大簡化，不但提高了高壓軟起動設備系統集成的 生產效率，而且對降低設備的製造成本，提高市場競爭力大有益處。
圖l為該供電方案概圖，描述此方案的總體思想。
圖2為觸發單元耦合互感器與電壓穩定電路原理框圖。
圖3為高頻可調恆流電源電路原理框圖。
圖4為觸發單元耦合互感器與電壓穩定電路詳細原理圖。
圖5為高頻可調恆流電源電路詳細原理圖。
具體實施方式
參見圖l。由n組(n取值範圍可以為2 15)元件串聯構成的晶閘管組件1 (對於 6KV系統，n=3;對於10KV系統，n=5)構成高壓變流閥。本實用新型提出的中、高壓 軟起動裝置晶閘管觸發電路供電電源的新型解決方案如下低壓交流電源7通過高頻可 調恆流電源2進行高頻化轉換，由依次穿過觸發單元4上的高頻互感器5的一根高壓絕 緣電纜3形成單匝電流環，經過觸發單元4上的電壓穩定電路41為一組串聯晶閘管組件 1提供觸發電源。
在圖1中，單匝電流環3是一根依次穿過每一個觸發單元4上的耦合互感器5的高 壓絕緣電纜，形成高頻可調恆流電源2的單匝恆流負載迴路。高頻可調恆流電源2輸出 的高頻恆定電流經單匝電流環3與高頻互感器5耦合至觸發單元4上的耦合互感器與電 壓穩定電路41。
圖2描述了觸發單元4上的耦合互感器與電壓穩定電路41。包括高頻互感器5、 一次高頻恆流高壓絕緣電纜3、整流電路101、高頻開關管102、 二極體103、濾波電容 104、 PWM調製電路105、電壓反饋與調節電路106、定時電路107與第二穩壓電路108。 一次高頻恆流高壓絕緣電纜3穿過高頻互感器5，高頻互感器5的二次輸出Sl、 S2經整 流電路101、開關管102、 二極體103連接至濾波電容104的正極並輸出至P+端子；電 壓反饋與調節電路106連接P+端子及PWM調製電路105， PWM調製電路105的定時端 子連接定時電路107;PWM調製電路105的脈寬調製輸出端連接高頻開關管102的門極。 第二穩壓電路108連接P+端子，其輸出連接+5V輸出端子。在圖2中， 一次高頻恆流高 壓絕緣電纜3穿過高頻互感器5，經整流電路IOI、高頻開關管102、 二極體103、濾波 電容104形成電壓提升電路，將高頻交流電流轉換為直流電壓；電壓反饋與調節電路106 是PWM調製電路105的反饋調節環節，經PWM調製電路105內的誤差放大器構成閉 環穩壓，保證P+端呈現穩定直流電壓源特性；連接於P+端的第二穩壓電路108將P+處 的電壓調整為+5V電壓，為觸發單元的控制晶片供電。總上，經過耦合互感器與電壓穩 定電路41完成了單匝電流環3向觸發板的電能傳送與高壓隔離。耦合互感器與電壓穩定 電路41的詳細電路圖參見圖4。
圖3描述了高頻可調恆流電源2。包括輸入保險200、 PTC元件201、 AC/DC電源 電路202、整流電路203、濾波電容204與205、 MOSFET開關管206與207、脈衝變壓 器208與209、驅動電路210與211、 PWM脈寬調製電路216、限壓恆流取樣環節217、 電壓取樣電路218、電流取樣電路219、頻率調節電位器220、電流調節電位器221、耦
合電容212、高頻變壓器213、無源帶通濾波器214和電流互感器215。其連接關係如下 自AC1、 AC2輸入的工頻交流電源經輸入保險200、 PTC元件201接入AC/DC電源電路 202和整流電路203， AC/DC電源電路202的輸出為DC12V供電電源，為控制迴路提供 電源偏置；整流電路203的直流輸出連接由濾波電容204與205組成的濾波電路及由 MOSFET開關管206與207組成的逆變支路，構成半橋逆變環節；逆變環節的輸出經耦 合電容212連接高頻變壓器213的一次側，高頻變壓器213的二次側經無源帶通濾波器 214連接輸出端子HF0、 HFI和HFV;帶通濾波器214連接恆流輸出端子的導線穿過電 流互感器215，經電流取樣電路219進入限壓恆流取樣環節217，電流調節電位器221連 接電流取樣電路219;帶通濾波器214的輸出經電壓取樣電路218作為限壓恆流取樣環節 217的第二個輸入；限壓恆流取樣環節217的輸出連接PWM脈寬調製電路216的反饋輸 入端；PWM脈寬調製電路216輸出兩路脈寬信號， 一路經驅動電路210和脈衝變壓器 208連接至逆變環節高側MOSFET開關管206的門極，另一路經驅動電路211和脈衝變 壓器209連接至逆變環節低側MOSFET開關管207的門極；頻率調節電位器220連接與 PWM脈寬調製電路216的輸入端；外部使能控制8輸入端EN1、 EN2連接於PWM脈寬 調製電路216的使能端。高頻可調恆流電源2的工作原理如下工頻供電由AC1、 AC2 兩個接線端子接入高頻可調恆流電源2，經輸入保險200、 PTC元件201分為兩路 一路 經AC/DC電源電路202為控制電路提供工作電源，另 一路經整流電路203 、兩隻串聯濾 波電容204與205、兩隻串聯MOSFET開關管206與207構成H半橋逆變電路，逆變回 路中的耦合電容212用於糾正高頻變壓器213的直流偏磁；在高頻變壓器213的二次側 接有LC串聯+並聯形式構成的無源帶通濾波器214,將來自高頻變壓器213的脈寬調製 波轉換為高頻正弦波輸出；高頻可調恆流電源2的三個輸出端分別標記為HF0、 HFV和 HFI，其中HFO為輸出的公共端，HFV為恆定電壓輸出端，HFI為恆定電流輸出端，在 HFI輸出端裝有高頻電流互感器215作為電流取樣前端元件；連接於HFO、 HFV的電壓 取樣電路218和連接與電流互感器215的電流取樣電路219經限壓恆流取樣環節217中 的兩隻二極體形成較大值篩選環節並作為PWM脈寬調製電路216的反饋輸入；在電流 取樣電路219中接有電流調節電位器221，用於設定輸出恆定電流的大小；經PWM脈寬 調製電路216內的誤差放大器和驅動邏輯電路輸出兩路驅動信號 一路經驅動電路210、 脈衝變壓器208作為逆變橋高側MOSFET開關管206的開關信號，另一路經驅動電路 211、脈衝變壓器209作為逆變橋高側MOSFET開關管207的開關信號，實現了閉環調 節；在PWM脈寬調製電路216中接有頻率調節電位器220，用於調節PWM開關頻率， 同時實現無源帶通濾波器214調諧；高頻可調恆流電源2的使能控制8的EN1 、 EN2連 接PWM脈寬調製電路216的使能端，用於控制高頻可調恆流電源2的運行。如圖1所 示，高頻可調恆流電源2經一根高壓絕緣電纜穿過高頻互感器5構成單匝電流環3，將電 能傳送至觸發單元。
綜上所述，該實用新型利用高頻可調恆流電源2輸出高頻恆定電流、單匝電流環3 作為能量耦合元件、耦合互感器與電壓穩定電路41實現二次穩壓，實現了非接觸式能量 耦合，解決了中、高壓設備半導體元件觸發電路的隔離供電問題。
權利要求1、一種軟起動裝置觸發電路供電電源，其特徵在於它包括1)高頻可調恆流電源2)單匝電流環3)耦合互感器與電壓穩定電路高頻可調恆流電源通過高壓絕緣電纜依次穿過每一個觸發單元的耦合互感器，形成高頻單匝電流環，將電能耦合至每一個觸發單元，經電壓穩定電路獲得穩定的觸發電源。
2、 根據權利要求1所述的軟起動裝置觸發電路供電電源，其特徵在於所述的高頻可 調恆流電源包括輸入保險(200)、 PTC元件(201)、 AC/DC電源電路(202)、整流電路(203)、濾波電容(204)與(205)、 MOSFET開關管(206)與(207)、脈衝變壓器(208) 與(209)、驅動電路(210)與(211)、 PWM脈寬調製電路(216)、限壓恆流取樣環節(217)、電壓取樣電路(218)、電流取樣電路(219)、頻率調節電位器(220)、電流調節 電位器(221)、耦合電容(212)、高頻變壓器(213)、無源帶通濾波器(214)和電流互 感器(215);其連接關係如下自AC1、 AC2輸入的工頻交流電源經輸入保險(200)、 PTC元件(201)接入AC/DC電源電路(202)和整流電路(203), AC/DC電源電路(202) 的輸出為DC12V供電電源，為控制迴路提供電源偏置；整流電路(203)的直流輸出連 接由濾波電容(204)與(205)組成的濾波電路及由MOSFET開關管(206)與(207) 組成的逆變支路，構成半橋逆變環節逆變環節的輸出經耦合電容(212)連接高頻變壓 器(213)的一次側，高頻變壓器(213)的二次側經無源帶通濾波器(214)連接輸出端 子HF0、 HFI和HFV;帶通濾波器(214)連接恆流輸出端子的導線穿過電流互感器(215), 經電流取樣電路(219)進入限壓恆流取樣環節(217)，電流調節電位器(221)連接電流 取樣電路(219);帶通濾波器(214)的輸出經電壓取樣電路218作為限壓恆流取樣環節(217)的第二個輸入；限壓恆流取樣環節(217)的輸出連接PWM脈寬調製電路216) 的反饋輸入端；PWM脈寬調製電路(216)輸出兩路脈寬信號， 一路經驅動電路(210) 和脈衝變壓器(208)連接至逆變環節髙側MOSFET開關管(206)的門極，另一路經驅 動電路(211)和脈衝變壓器(209)連接至逆變環節低側MOSFET開關管(207)的門極； 頻率調節電位器(220)連接與PWM脈寬調製電路(216)的輸入端；外部使能控制8 輸入端ENl、 EN2連接於PWM脈寬調製電路(216)的使能端。
3、 根據權利要求1所述的軟起動裝置觸發電路供電電源，其特徵在於所述的單匝電 流環是一根依次穿過每一個觸發單元上的耦合互感器的高壓絕緣電纜,形成高頻可調恆流 電源的單匝恆流負載迴路。
4、 根據權利要求1所述的軟起動裝置觸發電路供電電源，其特徵在於所述的觸發單 元耦合互感器與電壓穩定電路包括高頻互感器、 一次髙頻恆流高壓絕緣電纜、整流電路(101)、高頻開關管(102)、 二極體(103)、濾波電容(104)、 PWM調製電路(105)、 電壓反饋與調節電路(106)、定時電路(107)與第二穩壓電路(108)。其連接關係如下 一次高頻恆流高壓絕緣電纜穿過高頻互感器，髙頻互感器的二次輸出S1、 S2經整流電路(101)、開關管(102)、 二極體(103)連接至濾波電容(104)的正極並輸出至P+端子； 電壓反饋與調節電路(106)連接P+端子及PWM調製電路(105), PWM調製電路(105) 的定時端子連接定時電路(107); PWM調製電路(105)的脈寬調製輸出端連接高頻開 關管(102)的門極；第二穩壓電路(108)連接P+端子，其輸出連接+5V輸出端子。
專利摘要本實用新型涉及一種6/10KV軟起動裝置觸發電路供電電源，包括高頻可調恆流電源，單匝電流環，耦合互感器與電壓穩定電路；高頻可調恆流電源通過高壓絕緣電纜依次穿過每一個觸發單元的耦合互感器，形成高頻單匝電流環，將電能耦合至每一個觸發單元，經電壓穩定電路獲得穩定的觸發電源，解決了中、高壓軟起動及變流裝置中晶閘管變流閥串聯元件觸發電路的隔離供電問題，保證觸發電路電源穩定、抗電強度高且體積小、製造工藝簡單、便於集成接線。本實用新型可應用於中、高壓電機軟起動控制及高壓變流閥裝置中的晶閘管串聯元件觸發電路的隔離供電，具有通用性和推廣價值。
文檔編號H02P1/30GK201178378SQ20082007388
公開日2009年1月7日 申請日期2008年2月20日 優先權日2008年2月20日
發明者劉子胥, 張福民, 李佔凱 申請人:河北工業大學