一种变频启动方法、变频启动装置以及蓄电池电源

摘要

本发明涉及一种变频启动方法、变频启动装置以及蓄电池电源，在负载启动产生超大启动电流时，通过将升压逆变电路的输出电压和输出频率均设置为满足负载启动最低要求的电压和频率的方式，使负载电流缓慢、小幅上升，直至达到负载平稳运行时的额定电压和额定频率，限制启动时的负载电流的增幅使之不会超过安全范围，保护电路中的功率器件。由于起跳电压刚刚可以满足负载的启动需要，而且起跳电压相比于负载运行时的稳态电压低得多，在负载阻值一定的情况下可以降低启动时的负载电流；且由起跳电压计算的起跳频率也较低，负载的电机定子和转子之间的相对运动由急速上升变为缓慢上升，电机的输出功率降低，可知负载电流随即减小，这样从两个方面达到限制超大启动电流的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种清洁能源供电方法及系统，具体涉及一种变频启动方法、变频启动装置 以及蓄电池电源。

背景技术

当前偏远山区或牧区的无电户使用控制逆变一体机发电来满足用电需要，如风力控制逆 变一体机或光伏控制逆变一体机等。将控制逆变一体机发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池 输出的直流电经过逆变器转换成交流电后，向电器供电。目前的冰箱和空调的压缩机、微波 炉的电机等负载由静止状态启动时，要克服静摩擦力和冰箱的压缩机驱动线圈的冲击。在负 载启动的一瞬间，由于电机定子和转子之间相对运动的速度几乎为0，即没有切割磁场的运 动，就不会在电路中产生反电动势；当蓄电池的输出电压不变时，忽略线圈自感的作用，几 乎所有的输出电压都加在了电路的电阻上，因此启动电流很大，为正常运行电流的7～8倍。

如图1所示，若蓄电池仍对负载按照稳态电压1和稳态频率2输出，负载电流3将会形 成额定负载电流7～8倍的超大启动电流导致与蓄电池连接的逆变器启动过流保护，引起蓄电 池的输出电压瞬时跌落，又导致逆变器启动低压保护，频繁启动的过流保护和低压保护最终 导致整个供电系统的可用性降低。

现有技术中对超大启动电流的限制方法主要包括：1、热敏电阻法，如发明专利申请-瞬 态电流缓冲抑制器（公开号：CN101335451）就是通过在电路中串联热敏电阻，在负载由静 止到启动的瞬间如果有较大的超大启动电流产生，热敏电阻能将超大启动电流限制在额定范 围之内；但是热敏电阻法的缺点在于，启动时热敏电阻需要一定时间才能到达工作状态电阻 值，关闭时热敏电阻还需要一定冷却时间将阻值升高到常温态以备下一次启动，这样如果电 机关闭后马上开启，热敏电阻还没有变冷这对超大启动电流就失去了限制作用。

2、工频变压器法，在控制逆变一体机与用电器之间串联一个工频电压器，当电路中的 压缩机、电机启动产生超大启动电流时，工频变压器使输出电压下降，但输出频率保持不变。 虽然相对于稳态电压的情况下的超大启动电流有所减小，但是并未改变电机性负载的速度， 因而超大启动电流仍然比较大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种能有效抑制负载由静止到启动的瞬间产生的超 大启动电流，保护电源以及功率器件，避免频繁启动的过流保护和低压保护的变频启动方法， 根据该方法构建的变频启动装置，以及使用该变频启动装置的蓄电池电源。

本发明的技术方案如下：

一种变频启动方法，其步骤包括：

1）在蓄电池的输出端设置升压逆变电路；

2）检测所述升压逆变电路输出端的负载电流，并将检测信号输入信号处理器中，做为调 整所述升压逆变电路的输出电压和输出频率的反馈要素；

3）当检测到负载启动时，所述信号处理器将给定电压设置为所述负载的起跳电压，并实 时计算所述给定电压对应的给定频率和指令信号；根据所述指令信号驱动所述升压逆变电路， 使所述升压逆变电路输出随所述给定电压变化的输出电压和输出频率；

4）按照预设的线性关系，逐渐抬升所述给定电压，并实时计算所述给定电压对应的给定 频率和指令信号；

5）当所述给定电压达到所述负载的稳态电压范围，将所述给定电压保持为所述负载的额 定电压，并实时计算所述给定电压对应的给定频率和指令信号。

所述控制信号包含用于驱动功率器件的占空比。

所述升压逆变电路包括升压全桥和逆变桥，所述指令信号输入所述升压全桥和逆变桥的 功率器件中。

所述信号处理器还对所述升压逆变电路输入端的输入电压和输入电流、所述升压逆变电 路输出端的输出电压进行检测，之后对所述升压逆变电路进行反馈控制，用以保证所述升压 逆变电路的输出电压和输出频率满足所述负载正常运行的需要。

一种变频启动装置，其特征在于：它包括信号处理器、信号采集模块和驱动电路，其中 所述信号采集模块检测输出电路的负载电流，并将检测信号输入所述信号处理器；所述信号 处理器根据所述负载电流设置给定电压，之后根据所述给定电压计算给定频率和指令信号， 并将所述指令信号输入所述驱动电路；所述驱动电路根据所述指令信号驱动输出电路中的功 率器件，使所述输出电路输出与所述给定电压和给定频率匹配的输出电压和输出频率；

当所述负载启动时，所述输出电压和输出频率缓慢升高，直至所述输出电压维持在所述 负载的额定电压。

所述信号处理器对所述给定电压的设置方法包括：

A）将所述信号采集模块输入的检测信号做为调整所述升压逆变电路的输出电压和输出 频率的反馈要素；

B）当检测到所述负载启动时，将所述给定电压设置为所述负载的起跳电压，并实时计算 所述给定电压对应的给定频率和指令信号；

C）按照预设的线性关系，逐渐抬升所述给定电压，并实时计算所述给定电压对应的给定 频率和指令信号；

D）当所述给定电压达到所述负载的稳态电压范围，将所述定电压保持为所述负载的额定 电压，并实时计算所述给定电压对应的给定频率和指令信号。

所述信号处理器为数字信号处理器或专用集成电路。

一种使用上述变频启动装置的蓄电池电源，其特征在于：它还包括串联的蓄电池、升压 逆变电路，所述升压逆变电路包括依次连接的升压全桥、高频变压桥、整流桥和逆变桥；所 述变频启动装置的驱动电路驱动所述升压全桥和逆变桥中的功率器件，所述变频启动装置的 信号采集模块采集所述升压逆变电路输入端和输出端的电压和电流信号。

所述逆变桥的输出端连接一滤波电路，所述信号采集模块采集所述滤波电路输出端的电 压和电流信号。

所述功率器件包括CMOS管和/或IGBT管。

本发明的技术效果如下：

本发明的抗冲击性电流调节方法在负载启动产生超大启动电流时，通过将升压逆变电路 的输出电压和输出频率均设置为满足负载启动最低要求的电压和频率的方式，使负载电流缓 慢、小幅上升，直至达到负载平稳运行时的额定电压和额定频率，限制启动时的负载电流的 增幅使之不会超过安全范围，保护电路中的功率器件。

由于起跳电压刚刚可以满足负载的启动需要，而且起跳电压相比于负载运行时的稳态电 压低得多，在负载阻值一定的情况下可以降低启动时的负载电流；且由起跳电压计算的起跳 频率也较低，负载的电机定子和转子之间的相对运动由急速上升变为缓慢上升，电机的输出 功率降低，可知负载电流随即减小，这样从两个方面达到限制超大启动电流的目的。

由于对输出电压和输出频率的调整是通过具有数字处理功能的信号处理器通过调整用于 驱动功率器件的占空比来是实现的，因而具有响应迅速、限制效果好、保护功率器件的特点。

本发明的变频启动装置由于采用上述方法设置，相比于现有的热敏电阻法，具有可对启 动时间间隔短、反复启动的负载产生的超大启动电流进行有效限制的优点。相比于现有的工 频变压器法，由于缺省了体积巨大的变压器设备，使整个调节器的体积明显压缩，且响应速 度更加迅速。

附图说明

图1是负载由静止到启动时的输出电压、输出频率和负载电流的状态示意图

图2是本发明的装置结构示意图

图3是经过本发明的方法和装置调整后的产生冲击性电流时的输出电压、输出频率和负 载电流的状态示意图

图4是冰箱正常工作时的输出电压和负载电流波形

图5是冰箱启动时不改变给定电压U_ref和给定频率f_ref，输出电压和负载电流波形

图6是冰箱启动时改变给定电压U_ref和给定频率f_ref，输出电压和负载电流波形

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的变频启动装置4包括信号处理器5、信号采集模块6和驱动电路7， 信号处理器5的输入连接信号采集模块6的输出，输出分别连接一驱动电路7的输入和另一 驱动电路7的输入；其中信号处理器5可以是数字信号处理(DSP)或专用集成电路（ASIC） 等。蓄电池电源包括变频启动装置4、蓄电池8、升压逆变电路、负载端口10，蓄电池8、升 压逆变电路、负载端口10依次连接；升压逆变电路中包括依次连接的升压全桥91、高频变 压桥92、整流桥93、逆变桥94和滤波电路95。一驱动电路7的输出驱动升压全桥91中的 功率器件，另一驱动电路7的输出驱动逆变桥94中的功率器件，功率器件包括CMOS管、 IGBT管等。信号采集模块6分别采集蓄电池8输出端的电压和电流信号、整流桥93和逆变 桥94之间的母线电压和电流信号、滤波电路95输出端的电压和电流信号。

信号采集模块6将采集到的电压和电流信号输入信号处理器5进行判断，一方面判断负 载的静止状态和启动状态，通过缓慢增加输出电压和输出频率的方式限制负载启动时产生的 超大启动电流；另一方面判断蓄电池8的输出电压是否达到蓄电池8的额定输出电压、整流 桥93与逆变桥94之间的直流母线电流是否达到额定直流电流、滤波电路95输出的输出电压 是否达到整个蓄电池电源的额定输出电压，通过反馈控制的方式保证蓄电池电源的正常运行。

当信号采集模块6在滤波电路95处采集的输出电压U_out低于负载运行的最小电压U_min， 或负载由静止状态启动时。信号处理器5设定相应的给定电压U_ref，再根据当前给定电压U_ref计算当前给定频率f_ref，f_ref=kU_ref+b，其中k、b为常数。信号处理器5调节指令信号中的 占空比使之与当前给定电压U_ref对应，驱动电路7根据占空比驱动升压全桥91和逆变桥94 的功率器件，实现对升压逆变电路的输出电压U_out和输出频率f_out的调整，f_out=k*U_out+b， 其中k、b为常数。使输出电压U_out和输出频率f_out随着给定电压U_ref和给定频率f_ref变化而变 化，最终达到输出电压U_out=给定电压U_ref，输出频率f_out=给定频率f_ref。

由上可知，当负载刚刚由静止状态启动，电机定子和转子之间相对运动的速度几乎为0时， 信号处理器5将给定电压U_ref设置为负载的起跳电压U_trip，并根据起跳电压U_trip计算起跳频率 f_trip。由于起跳电压U_trip刚刚可以满足负载的启动需要，而且起跳电压U_trip相比于额定电压U_rv低得多，在负载阻值一定的情况下可以降低启动时的负载电流I_rlC；且由起跳电压U_trip计算的 起跳频率f_trip也较低，使得升压逆变电路9的输出频率f_out也较低，负载的电机定子和转子之 间的相对运动由急速上升变为缓慢上升，使得静摩擦力相比额定频率时减少，电机的输出频 率P降低，由P=I_rlc²R可知负载电流I_rlc随即减小。以上两方面的作用叠加起来可将负载启动 时的超大启动电流降到额定的2～3倍，蓄电池8受到的冲击也会降低。

如图3所示，基于上述原理，信号处理器5的调制方法包括：

1）信号采集模块6检测某一时刻升压逆变电路9输出端的负载电流I_rlc，并将该检测信 号输入信号处理器5中进行判断；

2）当信号处理器5检测到负载启动时，信号处理器5将给定电压U_ref设置为负载的起跳 电压U_trip，并实时计算给定电压U_ref对应的给定频率f_ref和指令信号，给定频率f_ref=起跳频率 f_trip；根据指令信号驱动升压逆变电路9，使升压逆变电路9输出随给定电压U_ref和给定频率 f_ref变化的输出电压U_out和输出频率f_out；当输出电压U_out和输出频率f_out均降低时，负载启动 时的负载电流I_rlc随之降低；

3）按照预设的线性关系，逐渐抬升给定电压U_ref，并实时计算给定电压U_ref对应的给定 频率f_ref和指令信号；由图3可见，启动产生的超大启动电流被明显拉低；

5）当给定电压U_ref达到负载的稳态电压范围，将给定电压U_ref保持为负载的额定电压U_rv， 并实时计算给定电压U_ref对应的给定频率f_ref和指令信号，此时给定频率f_ref=额定频率f_rv。

下面是上述变频启动方法及装置用于无电户供电系统时，本发明相对于现有技术的显著 效果，电路参数见表1。

表1

序号电路名称器件名称规格型号 15信号处理器数字信号处理器（DSP） 26信号采集模块以运算放大器为主的信号采集模块 37驱动电路以隔离器件为主的驱动电路 48蓄电池24V/200Ah 591升压桥功率器件为MOS管 692高频变压器通用高频变压器 793整流桥功率器件为快恢复二极管 894逆变桥功率器件为IGBT 995滤波电路电感和电容的组合 1010负载端口带动型号为BC-50EN的冰箱负载

如图4所示，当冰箱正常工作时，黄色曲线表示升压逆变电路交流输出电压U_out，绿色 曲线表示升压逆变电路交流负载电流I_rlc。冰箱的正常工作电压保证在227V，正常工作电流 保证在0.584A。

如图5所示，当冰箱启动瞬间在电路中产生超大启动电流，在不改变给定电压U_ref和给 定频率f_ref的情况下，黄色曲线表示升压逆变电路交流输出电压U_out，绿色曲线表示升压逆变 电路交流负载电流I_rlc。冰箱的启动电压保证在219V，启动瞬间产生的超大启动电流为7.63A， 是正常工作电流的13.1倍。

如图6所示，当冰箱启动瞬间在电路中产生超大启动电流，经过本发明的方法和装置调 整后，在改变给定电压U_ref和给定频率f_ref的情况下，黄色曲线表示升压逆变电路交流输出电 压U_out，绿色曲线表示升压逆变电路交流负载电流I_rlc。由图可知，输出电压U_out降低到116V， 输出频率f_out降到21.55Hz。在冰箱启动瞬间超大启动电流为2.87A，相当于在不改变给定电 压U_ref和给定频率f_ref时超大启动电流的37.6%，因此有效地限制了冰箱启动瞬间产生的超大 启动电流。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造， 但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进 行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等 同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本 发明创造专利的保护范围当中。