專利名稱：電網電源轉換穩壓裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電工領域的電力轉換技術，是一種把國內電網電源轉換成國際上其它不同制式電源，且在負載變化時保持電壓穩定的裝置。
背景技術：
在大型港口或碼頭，熙熙攘攘的船只在帶來經濟效益的同時也帶來了巨大的污染。船只停靠碼頭一般可采用岸電供電，但由于國內外電網制式不同，例如日本電源為 100V，歐洲電源有127V、230V等，因此存在著匹配問題，目前各國的船只仍用柴油作為主要能源，靠自帶發電機發電，因此柴油排放物對港口的污染尤為嚴重。隨著對環境保護越來越重視，使用清潔能源為船只提供動力成為了唯一的解決途徑。因各種清潔能源最終都轉化成電能輸出，而由于各國交流電工頻不盡相同，來往于港口的各國船只也可能使用不同頻率、不同電壓的交流電，要為這些船只供電，就需要一種將國內工頻交流電轉換為其他頻率和電壓的裝置。目前國內外普遍采用的方法是將標準工頻交流電整流成直流電，再將直流電逆變成目標頻率、電壓的交流電。這種方法有兩個缺點一是整流過程會產生高次諧波，容易引起用電設備的干擾問題，并且變頻器對輸入的直流電的穩定性要求較高，諧波問題容易導致變頻器工作狀況不佳；二是變頻器在高電壓、大電流情況下內部器件工作狀況難以確定， 大量散熱容易燒毀器件，并且轉換效率也難以提高。此外，大型船只上的用電設備負載較大，極容易使發電機輸出電壓產生波動，電壓不穩將導致安全隱患。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種電網電源轉換穩壓裝置，以解決已有的采用變頻器來進行電網電源轉換的方法存在的電網污染、成本高、轉換效率低等問題。本發明解決其技術問題采用的技術方案是包括變壓器、電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路、手動控制電路、主控制器、多個IGBT驅動電路及模塊、 相加器、顯示系統、遠程監控系統。其中變壓器把三相發電機輸出電壓等比變換成兩路低壓輸出，第一路輸出經電壓幅度檢測電路后到主控制器，第二路輸出經電壓頻率檢測電路后到主控制器；負載回路經過負載電流檢測電路與主控制器連接；手動控制電路與主控制器連接；主控制器輸出三路PWM波給IGBT驅動電路去驅動IGBT模塊，IGBT模塊輸出勵磁電流經過相加器后共同激勵發電機；顯示系統直接與主控制器連接顯示系統實時工況，遠程監控系統對系統的運行狀況進行遠程實時監控。所述的變壓器，把三相發電機接負載回路輸出的數百伏電壓等比降低到幾十伏， 這樣不僅可以使檢測精度提高，而且安全性更高。。所述變壓器的第一路輸出經過幅度檢測電路輸入到主控制器的電路中，通過A/D 變換后由主控制器判斷得出電壓的幅度，并由主控制器編程輸出具有自動負反饋作用的第一路PWM波到第一個IGBT驅動電路去驅動該IGBT的模塊；通過負載電流檢測電路的輸出經A/D變換后由主控制器判斷得出負載回路電流大小，并由主控制器編程輸出具有自動正反饋作用的第二路PWM波到第二個IGBT驅動電路去驅動該IGBT的模塊，若負載變化使回路電流增大，則反饋輸出的PWM波占空比增大，使勵磁電流增大。兩路自動調節輸出并聯作用，從而使發電機輸出的電壓基本保持不變。所述變壓器的第二路輸出經過電壓頻率檢測電路輸入到主控制器后，通過A/D變換再由主控制器判斷得出所測電壓的頻率。所述手動控制電路使主控制器輸出相應占空比的第三路PWM波到第三個IGBT驅動電路去驅動該IGBT的模塊，其強制調節輸出可以控制三相發電機勵磁線圈中的勵磁電流大小來改變發電機電壓。上述三個IGBT模塊輸出通過相加器并聯，共同控制三相發電機勵磁線圈中的勵磁電流。所述顯示系統由主控制器控制實時顯示三相發電機的輸出電壓幅度與頻率、變壓器的輸出電壓幅度與頻率、負載回路電流大小及主控制器輸出的PWM波的頻率和占空比。所述遠程監控系統和主控制器的通信信道是有線信道或無線信道，并且通過網頁、應用程序或移動終端對系統的運行狀況進行遠程實時監控。所述轉換穩壓裝置采用IGBT模塊控制發電機勵磁線圈中電流大小，屬于強電控制部分，而電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路、主控制器、手動控制電路、顯示系統是弱電部分，裝置中對強弱電進行隔離是采用光電耦合器、電流互感器實現的。本發明提供的上述電網電源轉換穩壓裝置，其由24V蓄電池電源變換出四組獨立的低壓電源。電源獨立，減少了各電路相互之間的干擾，增加了系統的安全性。本發明提供的轉換穩壓裝置，其與現有技術相比具有以下的主要優點
1.可實現國內工頻交流電向各國常用頻率交流電的轉換，輸出功率可達 300KW-500KW。2.具有穩壓效果良好的輸出，當輸出所接負載變化時，可以保證輸出電壓恒定在一定的電平范圍。3.具有極高的轉換效率，將能量浪費控制在最小范圍。4.采用變壓器耦合和光電耦合的方法，可將發電機輸出電壓進行隔離檢測和控制，使精度更高、安全性更好。5.可實時對系統工作情況以及各輸出量進行采樣測量，并以各種形式的顯示方式展示在用戶控制面板上。6.可實現遠程監控管理，其形式可以是網頁、應用程序、移動終端。總之，本發明提供的轉換穩壓裝置，具有實用性強，具有轉換效率高、結構簡單、體積小、成本低、安全性好、利于推廣應用等優點。


圖1是本發明電網電源轉換穩壓裝置的結構框圖。圖2是本發明的電壓幅度自動控制結構圖。圖3是本發明的電流反饋自動控制結構圖。
圖4是本發明的電壓幅度手動控制結構圖。圖5是本發明的電壓頻率檢測結構圖。圖6是本發明的低壓電源結構圖。
具體實施例方式本發明提供的電網電源轉換穩壓裝置，其用于把國內電網電源轉換成國際上其它不同制式電源，且在負載變化時保持電壓穩定。由電網電源給電動機供電，電動機與三相交流發電機通過聯軸器連接實現電網電源轉換，負載變化時通過本裝置控制發電機勵磁線圈中的勵磁電流大小，以此對負載所引起的發電機輸出電壓變化進行補償。所述電網電源轉換穩壓裝置包括變壓器、電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路、手動控制電路、主控制器、IGBT驅動電路及其模塊、相加器電路、顯示系統、遠程監控系統。本發明轉換效率高，輸出電源的電壓穩定，并可遠程監控，安全性高、實用性強，易于在港口超大功率電網電源轉換電站中推廣應用。下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明，但并不局限于下面所述內容。本發明提供的電網電源轉換穩壓裝置，其主控制器對三相發電機輸出電壓的頻率和幅度、負載回路電流進行檢測，根據電壓幅度大小一方面由主控制器編程輸出具有負反饋作用的第一路PWM波驅動第一個IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)模塊，控制IGBT模塊1對發電機勵磁線圈中的勵磁電流進行自動負反饋調整，另一方面根據負載回路電流大小由主控制器編程輸出具有正反饋作用的第二路PWM波驅動第二個IGBT模塊，控制IGBT模塊2 對發電機勵磁線圈中的勵磁電流進行自動正反饋調整，同時可由手動控制電路控制主控制器輸出相應占空比的第三路PWM波驅動第三個IGBT模塊，三個IGBT模塊的輸出通過相加器電路共同控制三相發電機勵磁線圈中電流使負載發生變化時發電機輸出電壓也能保持穩定。本發明提供的電網電源轉換穩壓裝置，其結構如圖1所示，包括變壓器、電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路、手動控制電路、主控制器、相加器電路、 顯示系統、遠程監控系統，以及IGBT1、IGBT 2和IGBT 3模塊及其驅動電路。其中變壓器把發電機輸出電壓等比變換成兩路低壓輸出，第一路輸出經電壓幅度檢測電路后到主控制器，第二路輸出經電壓頻率檢測電路后到主控制器；負載回路經過負載電流檢測電路與主控制器電路連接；手動控制電路與主控制器電路連接；主控制器電路輸出三路PWM波給 IGBT驅動電路1、IGBT驅動電路2和IGBT驅動電路3分別去驅動三個IGBT模塊；三個IGBT 模塊的輸出經過相加器電路后控制勵磁電流共同激勵發電機；顯示系統直接與主控制器連接顯示系統實時工況，遠程監控系統對系統的運行狀況進行遠程實時監控。所述主控制器可選用ATMEL公司的AVR系列單片機ATMEGA128，當電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路和手動控制電路的模擬輸出到主控制器后，經過主控制器自帶的A/D轉換器變成數字控制信號，控制主控制器編程輸出相應占空比的PWM 波形。所述IGBT及其驅動電路由IGBT驅動電路和三個IGBT模塊組成，其中IGBT模塊選用英飛凌公司的BSM400GA120DN2，其驅動電路選用三菱公司的IGBT專用驅動芯片 M57962和光電耦合器4N25組成。
所述顯示系統選用液晶模塊12864。所述電壓幅度檢測電路，其自動控制結構如圖2所示，包括變壓器、全波整流器、 幅度調節電路1、光電耦合器、緩沖電路、幅度調節電路2、主控制器、IGBTl驅動電路、IGBT 模塊1、顯示系統，其中變壓器的第一路交流輸出首先經過全波整流器把正弦波變為方波，再經過光電耦合器進行光電隔離放大，然后經過緩沖電路后輸入到主控制器的A/D端口，A/D轉換后由主控制器對采樣數據進行判斷處理。其中全波整流器可采用DF06，光電耦合器可采用4N25，緩沖電路可采用三極管9013構成的射極跟隨電路。由于光電耦合器對輸入電壓進行耦合隔離時還有放大作用，因此需要對電路進行調節，在光電耦合器前和緩沖電路后分別加入幅度調節1和2，可采用電位器對輸入電壓和輸出電壓分別進行調整，使主控制器采集到的數據更精確。主控制器在采集到電壓幅度檢測電路的數據后，編程輸出第一路具有負反饋功能的PWM波，即若所測電壓幅度減小(負載變大)，則PWM波的占空比增大，反之若所測電壓幅度增大(負載變小)，PWM波的占空比減小。PWM波輸入到IGBT專用驅動電路中去驅動IGBT模塊1。變壓器的輸入電壓(即三相發電機接負載的輸出電壓)的幅度、變壓器的輸出電壓的幅度及微控制器輸出的第一路PWM波的頻率和占空比可由顯示系統實時顯示出來。變壓器的第一路輸出經過幅度檢測電路輸入到主控制器電路，通過A/D變換后由主控制器判斷得出發電機輸出電壓的幅度，并由主控制器編程輸出有自動負反饋作用的 PWM波1到IGBTl驅動電路去驅動IGBT模塊1，即負載變化時使發電機端電壓下降得越多， 則負反饋后PWM波的占空比越大，使勵磁線圈中勵磁電流越大，故使發電機的端電壓升高而對負載引起的電壓波動進行補償；通過負載電流檢測電路的輸出經A/D變換后由主控制器判斷得出負載回路電流大小，并由主控制器編程輸出具有自動正反饋作用的PWM波2到 IGBT2驅動電路去驅動IGBT模塊2，若負載變化使回路電流增大，則反饋輸出的PWM波占空比增大，使勵磁電流增大。兩路自動調節輸出并聯作用使得發電機輸出電壓基本保持穩定， 而且負載回路中電流波動比電壓波動更大，電流正反饋作用更為明顯。顯示系統實時顯示出發電機輸出電壓幅度、變壓器輸出電壓幅度、負載回路電流大小和兩路PWM波的頻率和占空比。變壓器的第二路輸出經過頻率檢測電路輸入到主控制器，通過A/D變換后由主控制器判斷得出發電機輸出電壓的頻率，并由顯示系統實時顯示出來。所述電流反饋自動控制電路如圖3所示，包括負載電流檢測電路、主控制器、 IGBT2驅動電路、IGBT模塊2、顯示系統。所述負載電流檢測電路可選用LMKI—0. 5型電流互感器，其檢測值輸出到主控制器的A/D端口，A/D轉換后由主控制器對采樣數據進行判斷處理，并由顯示系統實時顯示出電流值。主控制器根據電流大小編程輸出第二路具有正反饋功能的PWM波去驅動IGBT模塊2。所述電壓幅度檢測電路，其手動控制如圖4所示，包括手動控制電路、主控制器、 IGBT3驅動電路、IGBT模塊3、顯示系統。手動控制電路由電位器組成，該電位器的一端接 5V電源，一端接地，中端調節。調節電位器可改變輸入到主控制器的A/D端口的電壓，A/D 轉換后由主控制器對采樣數據進行判斷處理，編程輸出第三路相應占空比的PWM波到IGBT 專用驅動電路中去驅動IGBT模塊3。手動控制電路輸出電壓、PWM波的頻率和占空比可由顯示系統實時顯示出來。
所述電壓頻率檢測電路的結構如圖5所示，包括變壓器、光電耦合電路、波形整形電路、主控制器、顯示系統。由于三相發電機的輸出電壓頻率由電動機的轉速控制，因此本裝置只對頻率進行檢測顯示。頻率檢測相當于檢測時間，因此只需檢測半波即可，變壓器的第二路交流輸出經過光電耦合器4N25后變為半波，再經過波形整形電路變為方波輸入到主控制器的A/D端ロ，A/D轉換后由主控制器對采樣數據進行判斷處理，并由顯示系統實時顯示出頻率值。所述顯示系統和遠程監控系統對整個裝置的運行狀況進行現場實時監察和遠程實時監控。遠程監控系統的形式是多樣的，可以是網頁、應用程序、移動終端等，遠程監控系統和主控制器電路的通信信道可以是有線信道也可以是無線信道，可靈活地對本裝置的運行狀況進行遠程實時監控。所述低壓電源如圖6所示，24V蓄電池電源經過DC/DC變換得到四組低壓電源，第一組電源提供+15V和-5V電源給IGBT模塊1及其驅動電路，第二組電源提供+15V和-5V 電源給IGBT模塊2及其驅動電路，第三組電源提供+15V和-5V電源給IGBT模塊2及其驅動電路，第四組電源提供+5V電源給裝置中其余電路，電源獨立，減少各電路相互之間的干擾。其中DC/DC1和DC/DC2、DC/DC3可選用電源模塊YND5-MD15，DC/DC4可選用電源模塊 YND5-MS05，三端穩壓器1和2可選用7905。本裝置通過變壓器把三相發電機接負載回路輸出的數百伏電壓等比降低到十伏左右，可采用輸入為400V，輸出為12V、12V，功率為2VA的變壓器，變壓器的兩路輸出分別接電壓幅度檢測電路和電壓頻率檢測電路，這樣不僅可以使檢測精度提高，而且安全性更好。所述轉換穩壓裝置對強、弱電部分使用光電耦合器和電流互感器隔離，并且各個模塊電路采取獨立電源供電，既增強了系統電路的安全性，又減少了相互之間的干擾。以上所述，僅為本發明的較佳實施例，并非對本發明的結構作任何形式上的限制， 凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均仍屬于本發明的技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種電網電源轉換穩壓裝置，其特征是包括變壓器、電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路、手動控制電路、主控制器、多個IGBT驅動電路及模塊、相加器、 顯示系統、遠程監控系統，其中變壓器把三相發電機輸出電壓等比變換成兩路低壓輸出， 第一路輸出經電壓幅度檢測電路后到主控制器，第二路輸出經電壓頻率檢測電路后到主控制器；負載回路經過負載電流檢測電路與主控制器連接；手動控制電路與主控制器連接； 主控制器輸出三路PWM波給IGBT驅動電路去驅動IGBT模塊，IGBT模塊輸出勵磁電流經過相加器后共同激勵發電機；顯示系統直接與主控制器連接顯示系統實時工況，遠程監控系統對系統的運行狀況進行遠程實時監控。
2.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征在于變壓器把三相發電機接負載回路輸出的數百伏電壓等比降低到幾十伏，這樣不僅可以使檢測精度提高，而且安全性更高。
3.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是所述變壓器的第一路輸出經過幅度檢測電路輸入到主控制器的電路中，通過A/D變換后由主控制器判斷得出電壓的幅度，并由主控制器編程輸出具有自動負反饋作用的第一路PWM波到第一個IGBT驅動電路去驅動該IGBT的模塊；通過負載電流檢測電路的輸出經A/D變換后由主控制器判斷得出負載回路電流大小，并由主控制器編程輸出具有自動正反饋作用的第二路PWM波到第二個 IGBT驅動電路去驅動該IGBT的模塊，兩個IGBT模塊的自動調節，使三相發電機勵磁線圈中勵磁電流受控，從而使該發電機輸出的電壓基本保持不變。
4.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是所述變壓器的第二路輸出經過電壓頻率檢測電路輸入到主控制器后，通過A/D變換再由主控制器判斷得出所測電壓的頻率。
5.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是所述手動控制電路使主控制器輸出相應占空比的第三路PWM波到第三個IGBT驅動電路去驅動該IGBT的模塊，其強制調節輸出控制三相發電機勵磁線圈中的勵磁電流大小來改變發電機電壓。
6.根據權利要求3或5所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是所述三個IGBT模塊輸出通過相加器并聯，共同控制三相發電機勵磁線圈中的勵磁電流。
7.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是所述顯示系統由主控制器控制實時顯示三相發電機的輸出電壓幅度與頻率、變壓器的輸出電壓幅度與頻率、負載回路電流大小及主控制器輸出的PWM波的頻率和占空比。
8.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是所述遠程監控系統和主控制器的通信信道是有線信道或無線信道，并且通過網頁、應用程序或移動終端對系統的運行狀況進行遠程實時監控。
9.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是所述電網電源轉換穩壓裝置采用IGBT模塊控制發電機勵磁線圈中電流大小，屬于強電控制部分，而電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路、主控制器、手動控制電路、顯示系統是弱電部分，該裝置中對強弱電進行隔離是采用光電耦合器、電流互感器實現的。
10.根據權利要求1所述的電網電源轉換穩壓裝置，其特征是該電網電源轉換穩壓裝置由24V蓄電池電源變換出四組獨立的低壓電源。
全文摘要
本發明涉及一種電網電源轉換穩壓裝置，用于把國內電網電源轉換成國際上其它不同制式電源，且在負載變化時保持電壓穩定。由電網電源給電動機供電，電動機與三相交流發電機通過聯軸器連接實現電網電源轉換，負載變化時通過本裝置控制發電機勵磁線圈中的勵磁電流大小，以此對負載所引起的發電機輸出電壓變化進行補償。所述電網電源轉換穩壓裝置包括變壓器、電壓幅度檢測電路、電壓頻率檢測電路、負載電流檢測電路、手動控制電路、主控制器、IGBT驅動電路及其模塊、相加器電路、顯示系統、遠程監控系統。本發明轉換效率高，輸出電源的電壓穩定，并可遠程監控，安全性高、實用性強，易于在港口超大功率電網電源轉換電站中推廣應用。
文檔編號H02P9/38GK102570953SQ20121000240
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者唐靜, 程全紅, 覃途遠, 陳永安, 陳永泰 申請人:中國長江航運集團紅光港機廠, 武漢理工大學