CN202261004U - 一种直流母线电容均压电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流母线电容均压电路，各电容串联，每个电容上均并联有相应的均压电阻，各均压电阻阻值相同；所述各均压电阻均串联有相应的可控开关，均压电阻与可控开关构成的可投切电阻均压电路并联在对应的均压电阻两端；所述各可控开关为常开、且在各电容承受电压差值超过设定值时同时闭合、在各电容承受电压恢复在设定值以内时同时断开的开关。均压电阻串联一个可控开关，可控开关正常情况下处于常开状态，在电容电压承受压差过大时，各个可控开关会全部导通，投入均压电阻，起到均压作用。这样使得均压电阻的功耗只占到普通均压电阻电路功耗的很小一部分，极大地提高了电路的效率。

Description

一种直流母线电容均压电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体是一种均压电路，特别是一种适用于风电变桨驱动器功率控制模块的母线电容均压的均压电路。

背景技术

在风电变桨驱动器中，整流后的母线电压较高，母线电容需要用多个功率和型号相同的电容串联使用，母线电容一旦损坏就会导致母线电压不稳，因此它起着非常重要的作用。但是电容在出厂和使用的过程中，很难保证参数完全一致，很小的容值和漏电流差异都会导致各电容承受的电压不一致，如果各个母线电容承受的电压严重不均衡，就会大大缩短电容寿命，严重时会导致电容烧毁，甚至会烧毁与电容并联的其它电路。因此，母线电容均压是很有必要的，均压不仅保护了电容，也间接保护了周边相关电路。现有的均压电路种类是很多的，它广泛应用于母线电容的保护里，下面先列举两种常见的均压电路。

1，  直接并联均压电阻，如图1所示，电容C1，C2分别并联电阻R1，R2，这种方法简单易行，但缺点是显而易见的，首先是功率损耗大，不管什么时候并联电阻始终在工作状态，而且当母线电压升高到一定值时仍然可能导致电容损坏。

2，  采用箝位电路，如图2所示，电容C1，C2分别并联稳压管D1，D2（稳压管D1，D2分别串联一个电阻R1，R2），这种方法虽然有效限制了母线电容承受电压的最大值，使母线电容不至于因为过压而损坏，但它只有在母线电压较高时才起作用，在母线电容未达到限定峰值时，图2中的电容C1和C2是得不到均压的，这也会降低电容使用寿命，而一旦电容损坏，驱动器就无法正常工作，风机一般都安装较高，维修非常麻烦。

上述两种方法无论采取哪种方法用在变桨驱动器里都是不合适的，不管是什么原因导致了母线电容电压的不均衡，采用直接并电阻和箝位电路都有很大的弊端，因此需要寻求更加合理的均压电路。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种母线电容均压电路，用以解决现有均压方式不能有效解决直流母线电容的均衡问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案是：一种直流母线电容均压电路，各电容串联，每个电容上均并联有相应的均压电阻，各均压电阻阻值相同；所述各均压电阻均串联有相应的可控开关，均压电阻与可控开关构成的可投切电阻均压电路并联在对应的均压电阻两端；所述各可控开关为常开、且在各电容承受电压差值超过设定值时同时闭合、在各电容承受电压恢复在设定值以内时同时断开的开关。

所述各可控开关的控制端均连接到一个控制器的输出控制端，该控制器设有对应各电容两端的输入采样端，每个输入采样端通过相应检测电路连接各电容的两端。

所述可控开关为继电器的触头，所述控制器的输出控制端通过光耦连接继电器线圈。

所述每个电容上还并联有稳压管箝位均压电路，所述稳压管箝位均压电路包括串联的稳压管及限流电阻。

所述限流电阻为随温度升高而增大阻值的热敏电阻。

所述稳压管箝位均压电路还包括与稳压管串联的报警二极管，报警二极管上反向并联有保护二极管。

均压电阻串联一个可控开关，可控开关正常情况下处于常开状态，在电容电压承受压差过大时，各个可控开关会全部导通，投入均压电阻，起到均压作用。这样使得均压电阻的功耗只占到普通均压电阻电路功耗的很小一部分，极大地提高了电路的效率。

进一步的，在电容两端再并联一个稳压管箝位电路，能够保证在母线电压过大时，稳压管箝位，起到保护母线电容的作用。从而增加了电路的可靠性，最大限度地延长了电容的使用寿命，保证了变桨驱动器的稳定运行；由于电路只采用很少的功率器件，从成本上看，该电路价格低廉，相对于整个驱动器来说，基本上不增加额外的成本，既经济又实用。

附图说明

图1是直接并联电阻的均压电路；

图2是采用箝位电路的均压电路；

图3是实施例1的电路原理图；

图4是实施例2的均压电路原理图a；

图6是实施例2的均压电路原理图b；

图6是实施例2母线电容均压过程曲线；

图7是实施例2的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例1

如图3所示为本实用新型的一种均压方案，仅在原来的均压电阻型均压电路中，为每个均压电阻增加一个串联的可控开关，各可控开关为常开，并在各电容承受电压差值超过设定值时同时闭合，在各电容承受电压恢复在设定值以内时同时断开。这种可控开关可采用的实现方式很多，比如继电器，开关管等方式，如采用开关管，可将两开关管的阴阳极分别串入对应均压电阻电路，然后将控制极连接在一起，并增加检测电路跟踪母线电容变化造成的两电容的压差，将检测电路输出连接到开关管的控制极。

实施例2

如图4所示为风电变桨驱动器的一个交直逆变电路，两母线电容C1，C2串联后联在母线上，母线连接一个由IGBT模块构成的三相逆变桥。

电容C1，C2上均并联有可控投切电阻均压电路和稳压管箝位均压电路，电容C1的可控投切电阻均压电路由串联的可控开关与均压电阻R1构成，电容C2的可控投切电阻均压电路由串联的可控开关与均压电阻R2构成；电容C1的稳压管箝位均压电路包括串联的稳压管TVS1及限流电阻PTC1，电容C2的稳压管箝位均压电路包括串联的稳压管TVS2及限流电阻PTC2。两个可控开关的作用是：正常情况下断开，在电容C1，C2承受电压差值超过设定值时同时闭合、在电容C1，C2承受电压恢复在设定值以内时再次断开。

这种可控开关的实现方式很多，下面给出一种实现方式：如图4、5所示，可控开关为继电器的触头，一个控制器设有对应各电容两端的输入采样端，每个输入采样端通过相应检测电路连接各电容的两端，控制器的输出控制端通过光耦分别连接继电器Relay1，Relay2线圈。

本实用新型的技术方案的要点是：用控制器来控制均压电阻R1，R2的切入，在控制器检测到母线电容电压状态异常后，将均压电阻R1，R2同时切入，切入通过控制器闭合继电器Relay1和Relay2来实现。继电器并非每个异常状态下都闭合，母线电容电压的异常包括：电容C1和C2承受的电压值相差较大(差值达到多大开始动作继电器由系统预先设定)，电容C1和C2承受的电压值其中一个或全部超过最大警戒值(该值系统预先设定)。如果母线电容电压超过最大临界警戒值，这时候控制器不会把继电器Relay1和Relay2闭合，后面的稳压管箝位电路将起到保护电容的目的，由于R1和R2的切出，功耗大大降低。在实际设计中，考虑到均压只是为了保护电容这一目的，可以将R1和R2选得稍微大些，这样均压效果会差些，但可以有效将电容承受电压差值限定在可接受范围内，这样的好处是可以降低功耗，阻值越大均流越小，功耗也就越小。

在驱动器上电后，母线电压直接加到了均压电容C1，C2上，这时候由于电容自身参数的差异导致C1和C2承受的电压不一致，如果两者有了较大差距，势必会导致承受电压较大的电容过压损坏或者加速其毁坏的过程。因为在驱动器上电的同时，检测装置会实时检测电容端电压并反馈到控制器，因此母线电容电压是得到实时跟踪的，在跟踪过程中，如果C1与C2承受电压差值超过设定值(比如为100V)，控制器将输出高电平并通过光耦隔离后施加到网络节点CON_PIO1和CON_PIO2上，这时继电器Relay1和Relay2将闭合，此时相当于在母线电容C1和C2两端分别并联了电阻R1和R2，由于R1和R2阻值相等，会迅速将电容C1和C2两端因为各种原因导致的电压不均衡箝位至两者近似相等(因为阻值选取偏大，不会将C1和C2电压箝位到完全相等，但会将差值限定在可接受范围内)，起到实时保护电容的作用。随着电容C1和C2两端电压逐渐均衡直至差值在可接受范围后，此时如果继电器Relay1和Relay2继续闭合，势必会增加损耗，虽然R1和R2的值选取偏大功耗本身就很低，但在电容电压均衡后还继续切入就显得不合时宜，因此，在检测到电容两端电压逐渐均衡后控制器会将继电器再次断开，这样电阻R1和R2的损耗又会不存在了，大大降低了功耗。

在母线电容电压低于额定值较多时(此时可能跟母线欠压有关)，母线电容是不会有危险的，但如果此时也出现了电容C1和C2承受电压差值超过限定值的情况，依然要做均压处理，这是因为如果驱动器控制电机马上进行回馈制动，或者由于其它原因导致母线电压瞬间回升，这时候会有较大的瞬间电压加在母线上，由于此前电容电压的不均衡，承受电压较大的电容电压再上升可能会导致其损坏，因此这种情况下电阻R1和R2构成的均压网络是要切入的。如果母线电容承受电压接近其所能承受的最大值，这时候靠闭合继电器切入均压电阻是不行的，因为切入均压电阻后依然会导致电容过压而损坏。考虑到这种情况，在每个母线电容两端还并联了TVS管箝位保护电路，该箝位电路由TVS管和PTC电阻组成，在母线电压高于警戒值时(比如为700V)，这时候箝位保护电路起了作用，一旦箝位电路起作用那么R1和R2构成的均压网络就会切出。需要注意的是，这里母线电压高于警戒值，并不代表母线电容C1和C2承受的电压均超过警戒值，可能为其中一个电容电压超过警戒值，另一个电容电压低于所能承受的警戒值，这时其中一个箝位电路导通，另一路继续保持关断状态，如果TVS1管所在支路导通，那么C2的漏电流就由TVS1支路电流和C1的漏电流共同决定，同时C1的电压也得到了箝位。一般情况下，箝位电路是不会同时起作用的，而一旦两个箝位电路同时工作就说明母线电压已经达到足以损坏其它元件的条件，这种情况发生概率极小，因为驱动器在检测到母线电压超过一定值时会做停机处理。之所以TVS管要串接PTC电阻，一是为了防止箝位电路起作用时有较大的分流流过电阻，一旦分流长时间过大对电阻和TVS管都是不利的，PTC电阻随着发热增加阻值增大，有效限制了分流电流；另外PTC的作用还在于可以降低功耗，因为PTC随着TVS的导通时间延长其发热量越来越大，阻值也会越来越大，根据功率计算公式可知其功耗也会越来越低。

本实施例的电路中，稳压管箝位电路中还串设有发光二极管LED1和LED2，发光二极管LED1和LED2的作用是为了方便调试和维修时使用的，实际在驱动器正常工作的过程中，因为它安装在近百米高的风机塔筒上，因此是看不见这两个管发光的，但在地面调试或者到现场维修时这两个发光管就有很大作用。调试的时候可以知道母线电压加大到多大值时箝位电路会起作用，不仅可以知道箝位电路的稳压管选型是否有问题，而且根据LED1和LED2的亮灭还可以知道两个母线电容的参数差异。现场维修时，因为母线电容属于易损坏元件，因此在未拆卸驱动器之前先对母线缓缓施加一高压，如果超过警戒值(该电压不足以让两个箝位管TVS1和TVS2同时导通)后发光管LED1或LED2仍未亮，就可以初步判断是母线电容或者是检测电路出了问题，极大地缩减了维修时间。在LED1和LED2上分别并联反向二极管D1，D2，这个是为了保护发光管反向击穿设置的，一般情况下该保护电路不会起作用。

图6为本实施例母线电容均压过程曲线图，其中的即为设定的母线电容电压差值下限，达到或超过该值时由R1和R2构成的均压网络开始起作用，而在母线电容电压超过警戒之后(该警戒值设定的值是比电容能够承受的额定电压要小的)，箝位电路自动起到了保护作用，因为箝位的作用，使得母线电容电压不会超过其最大承受的电压，因此母线电容得到了很好的保护。此外，当电容电压从警戒值处开始回落时，由于此前R1和R2已经切出网络，这时控制器会再次根据前文所述判断母线电容承受电压的差值来决定是否切入电阻均压网络，整个过程是循环执行的。需要指出的是无论是均压电阻网络还是箝位电路都不是长时间工作的，因为驱动器的实时跟踪性，母线过压或欠压会作停机处理，正常工作时均压电阻网络也不会一直切入，只有在严重不均压时才起作用，而且时间是很短的，从功耗角度看该电路损耗是很小的，为了更直观了解整个电路的工作过程，图7给出了母线电容均压全过程的流程图。

通过以上分析表明，本实用新型电路有较大的实用意义，不仅可应用在变桨驱动器，也可以用在其他类似的需要均压的电路中。

Claims (6)

1.一种直流母线电容均压电路，各电容串联，每个电容上均并联有相应的均压电阻，各均压电阻阻值相同；其特征在于，所述各均压电阻均串联有相应的可控开关，均压电阻与可控开关构成的可投切电阻均压电路并联在对应的均压电阻两端；所述各可控开关为常开、且在各电容承受电压差值超过设定值时同时闭合、在各电容承受电压恢复在设定值以内时同时断开的开关。

2.根据权利要求1所述的一种直流母线电容均压电路，其特征在于，所述各可控开关的控制端均连接到一个控制器的输出控制端，该控制器设有对应各电容两端的输入采样端，每个输入采样端通过相应检测电路连接各电容的两端。

3.根据权利要求2所述的一种直流母线电容均压电路，其特征在于，所述可控开关为继电器的触头，所述控制器的输出控制端通过光耦连接继电器线圈。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种直流母线电容均压电路，其特征在于，所述每个电容上还并联有稳压管箝位均压电路，所述稳压管箝位均压电路包括串联的稳压管及限流电阻。

5.根据权利要求4所述的一种直流母线电容均压电路，其特征在于，所述限流电阻为随温度升高而增大阻值的热敏电阻。

6.根据权利要求4所述的一种直流母线电容均压电路，其特征在于，所述稳压管箝位均压电路还包括与稳压管串联的报警二极管，报警二极管上反向并联有保护二极管。

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