專利名稱：一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種能量回饋器(也稱節(jié)能回饋器)主電路拓撲結(jié)構(gòu)，用于將各種變 頻器的直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟娏骱蠡仞伒诫娋W(wǎng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，變頻器已廣泛應用于生產(chǎn)、生活、交通、醫(yī)療衛(wèi)生等各個領域，以驅(qū)動電 動機運行。為節(jié)約成本，通用變頻器通常采用圖1所示的電壓型交-直-交變頻器?？梢钥?出該拓撲結(jié)構(gòu)變頻器的輸入側(cè)采用的是二極管整流器，它不能直接用于需要快速起、制動 和頻繁正反轉(zhuǎn)的調(diào)速場合。因為當電動機減速制動時，電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)，頻繁正反 轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)要求電動機能四象限運行。圖1中的能量傳輸是不可逆的(只能從左到右， 不能從右到左)，電動機產(chǎn)生的再生電能只能傳輸?shù)街绷鱾?cè)的儲能兼濾波的電容Cp C2上， 形成泵升電壓。過高的泵升電壓將擊穿IGBT等半導體功率器件和并聯(lián)在直流母線上的電 解電容C” C2，從而使變頻器損壞。為避免再生發(fā)電時變頻器主電路發(fā)生過電壓，以往的做法是在直流回路中并聯(lián)制 動單元V12，通過大功率電阻R4將再生的能量以熱的形式消耗掉。減速越快，再生的能量越 大，消耗得也越多，能量浪費就越嚴重。不但如此，該消耗掉的熱量還將造成功率電阻溫度 上升，容易帶來故障隱患。如果能夠?qū)⒃撃芰炕仞佒岭娋W(wǎng)，不僅起到低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排的作用，還可以滿 足快速制動和頻繁正反轉(zhuǎn)的運行要求，提高工作效率，并使半導體功率開關(guān)器件、電解電容 免遭過電壓擊穿，從而提高變頻器的安全性。這就是使用能量回饋器的利益所在。傳統(tǒng)能量回饋器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2下側(cè)虛框內(nèi)所示，電路結(jié)構(gòu)的連接上是將通用 變頻器的直流母線P(+)端與能量回饋器的二極管D13陽極相連接，將通用變頻器的直流母 線N(-)端與能量回饋器的N'相連接。該能量回饋器在將能量回饋到電網(wǎng)時，回饋電流的總諧波失真THD相對很大，回 饋電流波形質(zhì)量差；特別是當回饋器功率容量較大時，回饋電流波形質(zhì)量相當差，甚至發(fā)生 回饋電流的過電流故障保護，從而無法正常工作。這種過電流故障并不是真正意義上的能 量回饋器逆變電路內(nèi)部的過電流引起的，而是變頻器輸入側(cè)二極管整流橋和能量回饋器逆 變電路間的環(huán)流所造成的。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷及原理分析，本發(fā)明的目的是提出一種新型的能量 回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，以提高能量回饋器輸出電流波形的正弦度，減小總諧波失真THD ； 防止因變頻器輸入側(cè)二極管整流橋和能量回饋器逆變電路間產(chǎn)生環(huán)流，引發(fā)過電流故障保 護而無法正常工作。本發(fā)明的上述目的，將通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，包括能量回饋器及通用變頻器，所述通用變頻器輸入側(cè)的二極管整流橋與能量回饋器的逆變電路連成環(huán)路，其特征在于所述能量回饋 器接入通用變頻器的環(huán)路中設有電感Lp和電感LN，其中所述電感Lp的第一端(“*”端)與 通用變頻器的直流母線P (+)相連接，而電感Lp的第二端與二極管D13的陽極相連接；所述 電感Ln的第一端(“*”端)與通用變頻器的直流母線N(-)相連接，而電感Ln的第二端與 能量回饋器的直流母線N'相連。進一步地 ，前述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其中該電感Lp和電感Ln為在 鐵芯上以一定形式的繞線結(jié)構(gòu)，電感Lp所產(chǎn)生的磁通ΦΡ和電感Ln所產(chǎn)生的磁通ΦΝ相抵。更進一步地，前述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其中該鐵芯為E型結(jié)構(gòu)、U 型結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln可同向或反向繞制于鐵芯之上，且電感Lp的第一端為 電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端根據(jù)不同的鐵芯形狀結(jié)構(gòu)及電感 相對繞制方向同側(cè)或相對偏設。進一步地，前述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其中該能量回饋器的逆變電 路結(jié)構(gòu)為能量回饋器的直流母線P'與二極管D13的陰極、功率開關(guān)器件V” V3、V5的集電 極、二極管D' pD' 3、D' 5的陰極、電阻R4的一端、繼電器觸點J2的一端相連接；而能量 回饋器的直流母線N' 1與功率開關(guān)器件￥4、^2的發(fā)射極、二極管0' 4、D' 6、D' 2的陽 極、電容C4的負極、電阻R6的一端相連接；功率開關(guān)器件V1的發(fā)射極與二極管D'工的陽 極、功率開關(guān)器件V4的集電極、二極管D' 4的陰極及電感Lk的一端相接于接點R'；功率 開關(guān)器件V3的發(fā)射極與二極管D' 3的陽極、功率開關(guān)器件V6的集電極、二極管D' 6的陰 極及電感Ls的一端相接于接點S'；功率開關(guān)器件V5的發(fā)射極與二極管D' 5的陽極、功率 開關(guān)器件V2的集電極、二極管D' 2的陰極及電感Lt的一端相接于接點T'；電感LK、LS、LT 的另一端與電網(wǎng)的R相、S相、T相分別對應連接。本發(fā)明能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)的應用，其突出效果為通過在通用變頻器與能量回饋器逆變電路間引入兩個磁通相抵的電感Lp和電感 Ln,消除了環(huán)路造成的過電流故障，能在相同回饋電流總諧波失真THD前提下，保持更強的 電流回饋能力，提高了系統(tǒng)的響應速度，更增強了回饋電能效率。以下便結(jié)合實施例附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳述，以使本發(fā)明 技術(shù)方案更易于理解、掌握。
圖1是通用變頻器的主電路拓撲示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器與通用變頻器的接線示意圖；圖3為本發(fā)明能量回饋器與通用變頻器的接線示意圖；圖4為電感Lp和電感Ln的繞線結(jié)構(gòu)示意圖(E型鐵芯同向繞制)；圖5為電感Lp和電感Ln的繞線結(jié)構(gòu)示意圖(E型鐵芯反向繞制)；圖6為電感Lp和電感Ln的繞線結(jié)構(gòu)示意圖(U型鐵芯同向繞制)；圖7為電感Lp和電感Ln的繞線結(jié)構(gòu)示意圖(U型鐵芯反向繞制)；圖8為電感Lp和電感Ln的繞線結(jié)構(gòu)示意圖(環(huán)形鐵芯同向繞制)；圖9為電感Lp和電感Ln的繞線結(jié)構(gòu)示意圖(環(huán)形鐵芯反向繞制)；圖10為普通電網(wǎng)三相電壓的某一區(qū)間示意圖11為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器環(huán)流電流iKS的環(huán)路示意圖；圖12為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器環(huán)流電流iKT的環(huán)路示意圖；圖13為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器環(huán)流電流_iKS的環(huán)路示意圖；圖14為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器環(huán)流電流_iKT的環(huán)路示意圖；圖15為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器環(huán)流電 流(iK = iES+iET)的示意圖；圖16為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器環(huán)流電流(iK = iES+iET)的實驗波形；圖17為圖16的局部放大示意圖；圖18為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器三相環(huán)流電流的波形示意圖；圖19為現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器并網(wǎng)輸出的電流示意圖；圖20為本發(fā)明能量回饋器環(huán)流電流iKS的環(huán)路示意圖；圖21為本發(fā)明能量回饋器環(huán)流電流iKT的環(huán)路示意圖；圖22為本發(fā)明能量回饋器環(huán)流電流_iKS的環(huán)路示意圖；圖23為本發(fā)明能量回饋器環(huán)流電流_iKT的環(huán)路示意圖；圖24為本發(fā)明能量回饋器的并網(wǎng)輸出電流實驗波形示意圖。
具體實施例方式為了說明本發(fā)明的實施方式，以圖2為例，先從傳統(tǒng)能量回饋器的工作原理分析。 當電動機M減速或位能釋放時，通用變頻器的直流母線P(+)、N(_)之間的電壓會急劇上升， 導致能量回饋器的二極管D13導通，電動機M再生的能量灌入能量回饋器的直流母線P'、 N'之間，P'、N'間電壓也隨之升高。能量回饋器檢測到P'、N'間電壓高到某預定值時 就啟動V1-V6進行PWM(脈沖寬度調(diào)制)開通與關(guān)斷，將P'、N'間電壓進行逆變，經(jīng)LK、 Ls、Lt濾波后成為近似正弦波電流并注入三相電網(wǎng)的R、S、T端。問題的另一方面是，在V1 V6進行PWM(脈沖寬度調(diào)制)開通與關(guān)斷的同時，三相 電網(wǎng)電壓e (t)經(jīng)通用變頻器的輸入側(cè)二極管整流橋D1 D6及能量回饋器的V1 V6形成 了另一路的電流(環(huán)流)。以圖10為例，在60° 90°區(qū)間，相電壓UK、Us形成的環(huán)流電流iKS (如圖11所 示)。由于電感Ls的數(shù)值一般很小(0 3mH)，所以iKS很大，以至于使能量回饋器發(fā)生過 電流，從而進行過電流故障保護，能量回饋器無法繼續(xù)工作；而在90° 120°區(qū)間，相電 壓隊、仏形成的環(huán)流電流(如圖12所示)。反之，在240° 270°區(qū)間，相電壓隊、仏形 成的環(huán)流電流_iKS (如圖13所示)；而在270° 300°區(qū)間，相電壓UK、Ut形成的環(huán)流電 流-iKT(如圖14所示)。圖15是上述60° 120°和240° 300°兩個區(qū)間的結(jié)果iK，即iK = iKS+im和 iE = -iEs-iET的波形；圖16是現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器環(huán)流電流iK的實驗波形示意圖(這里iK 顯示了 5個周波，而圖15顯示的是其中一個周波)；圖17是圖16波形的局部放大示意圖， 可以看出它與圖15具有很大的相似性；圖18是現(xiàn)有技術(shù)能量回饋器三相環(huán)流電流‘“、“ 的示意圖；圖19是傳統(tǒng)能量回饋器的并網(wǎng)回饋電流，可以看出其諧波失真成分比較嚴重。本發(fā)明采用圖3所示的能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其動作原理如下與現(xiàn)有技術(shù)的能量回饋器的工作原理相同之處是當電動機M減速或位能釋放 時，通用變頻器的直流母線P(+)、N(-)之間的電壓會急劇上升，導致能量回饋器的二極管D13導通，電動機M再生的能量由直流母線P (+)經(jīng)電感Lp和二極管D13后灌入能量回饋器的 直流母線P'，直流母線N(-)經(jīng)電感Ln后與N'相連，P'、N'間電壓也隨之升高。能量回 饋器檢測到P'、N'間電壓高到某預定值時就啟動V1-V6進行PWM(脈沖寬度調(diào)制)開通 與關(guān)斷，將P'、N'間電壓進行逆變，經(jīng)LK、LS、LT濾波后成為近似正弦波的電流并注入到三 相電網(wǎng)的R、S、T端。 問題的另一方面是，在V1 V6進行PWM(脈沖寬度調(diào)制)開通與關(guān)斷的同時，三相 電網(wǎng)電壓e (t)經(jīng)通用變頻器輸入側(cè)的二極管整流橋D1 D6及能量回饋器的V1 V6也形 成了另一路的電流(環(huán)流)。以圖10為例，在60° 90°區(qū)間，相電壓UK、Us形成的環(huán)流電流iKS (如圖20所 示)。雖然電感Ls的數(shù)值一般很小(0 3mH)，但iKS還經(jīng)過電感LP，即環(huán)流回路的總電感 為LP+LN，兩者共同抵抗iKS的增大，所以能有效地抑制iKS的增大。由于Lp和Ln采用了如圖 4 圖9的繞制方法，相對于直流回路的P (+)、N(_)而言，Lp和Ln所產(chǎn)生的磁通ΦΡ和ΦΝ 是相抵的，所以Lp和Ln的電感值可以做成任意大，使之足以抵制環(huán)流電流iKS的增大。圖21 是在圖10的90° 120°區(qū)間，相電壓UK、Ut形成的環(huán)流電流‘。反之，在240° 270°區(qū)間，相電壓Uk、Us形成的環(huán)流電流_iKS (如圖22所示)； 而在270° 300°區(qū)間，相電壓隊、叫形成的環(huán)流電流-iKT(如圖23所示)。圖24是本發(fā)明能量回饋器的并網(wǎng)回饋電流，可以看出其正弦度遠比圖19所示現(xiàn) 有技術(shù)能量回饋器的并網(wǎng)回饋電流優(yōu)越，顯然其諧波失真成分也小得多。分析與比較由圖19可以看出，傳統(tǒng)能量回饋器的并網(wǎng)回饋電流正弦度很差，總諧波電流失真 THD很大，甚至滿足不了國家標準或國際標準的要求。為了解決該問題，傳統(tǒng)做法是增大濾 波電感LK、LS、LT。然而，該濾波電感值過大將限制能量回饋器的逆變輸出能力，同時電感的 重量、體積、價格都增加了。為此，有人在電感LK、LS、LT與電網(wǎng)e(t)間另加LC濾波器，這種 濾波器價格非常昂貴，無疑增加了能量回饋利用的成本。具體來看該兩個電感的連接結(jié)構(gòu)，以下簡單舉例六種可行的結(jié)構(gòu)，但該些實施結(jié) 構(gòu)對本發(fā)明電感Lp和電感Ln的接線結(jié)構(gòu)不構(gòu)成限制(一 )、鐵芯為E型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln同向繞制于鐵芯的中柱，且電感Lp的第 一端為電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端同側(cè)偏設，如圖4所示。( 二 )、鐵芯為E型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln反向繞制于鐵芯的中柱，且電感Lp的第 一端為電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端相對偏設，如圖5所示。(三)、鐵芯為U型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別同向繞制于鐵芯的兩枝，且電感Lp 的第一端為電流輸入端，朝向鐵芯中心偏設，電感Ln的第一端為電流輸出端，背向鐵芯中心 偏設，如圖6所示。(四)、鐵芯為U型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別反向繞制于鐵芯的兩枝，且電感Lp 的第一端為電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端均朝向鐵芯中心同向 偏設，如圖7所示。(五)、鐵芯為環(huán)形結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別同向繞制于鐵芯對稱的兩側(cè)環(huán)臂 上，且電感Lp的第一端為電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端以鐵芯中 心相對偏設，如圖8所示。
(六)、鐵芯為環(huán)形結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別反向繞制于鐵芯對稱的兩側(cè)環(huán)臂 上，且電感Lp的第一端為電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端相對鐵芯 中心同向偏設，如圖9所示。本發(fā)明采用 電感LP、電感Ln并按如圖4 圖9的共模接法，它對于環(huán)流電流具有 很強的抑制能力，而對于能量回饋器的并網(wǎng)回饋能力卻毫無影響，從而可大大提高能量回 饋器的輸出能力。而且該電感采用高頻鐵芯，體積小，重量輕，價格相對便宜，也不需要在電 感1^、1^、1^與電網(wǎng)e(t)間另加LC濾波器，又省去了這筆昂貴費用。
權(quán)利要求
1.一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，包括能量回饋器及通用變頻器，所述通用變頻器 輸入側(cè)的二極管整流橋與能量回饋器的逆變電路連成環(huán)路，其特征在于所述能量回饋器 接入通用變頻器的環(huán)路中設有電感Lp和電感LN，其中所述電感Lp的第一端(“*”端)與通 用變頻器的直流母線P(+)相連接，而電感Lp的第二端與二極管D13的陽極相連接；所述電 感Ln的第一端(“*”端)與通用變頻器的直流母線N(-)相連接，而電感Ln的第二端與能 量回饋器的直流母線N'相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電感Lp 和電感Ln為在鐵芯上以一定形式的繞線結(jié)構(gòu)，電感Lp所產(chǎn)生的磁通ΦΡ和電感Ln所產(chǎn)生的 磁通ΦΝ相抵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵芯為 E型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln同向繞制于鐵芯的中柱，且電感Lp的第一端為電流輸入端，電感 Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端同側(cè)偏設。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵芯為 E型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln反向繞制于鐵芯的中柱，且電感Lp的第一端為電流輸入端，電感 Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端相對偏設。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵芯為 U型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別同向繞制于鐵芯的兩枝，且電感Lp的第一端為電流輸入端， 朝向鐵芯中心偏設，電感Ln的第一端為電流輸出端，背向鐵芯中心偏設。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵芯為 U型結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別反向繞制于鐵芯的兩枝，且電感Lp的第一端為電流輸入端， 電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端均朝向鐵芯中心同向偏設。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵芯為 環(huán)形結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別同向繞制于鐵芯對稱的兩側(cè)環(huán)臂上，且電感Lp的第一端為 電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端以鐵芯中心相對偏設。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵芯為 環(huán)形結(jié)構(gòu)，電感Lp和電感Ln分別反向繞制于鐵芯對稱的兩側(cè)環(huán)臂上，且電感Lp的第一端為 電流輸入端，電感Ln的第一端為電流輸出端，兩個第一端相對鐵芯中心同向偏設。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述能量回饋 器的逆變電路結(jié)構(gòu)為能量回饋器的直流母線P'與二極管D13的陰極、功率開關(guān)器件V” V3、V5&集電極、二極管D' pD' 3、D' 5的陰極、電阻R4的一端、繼電器觸點J2的一端相連 接；而能量回饋器的直流母線N' 1與功率開關(guān)器件￥4、^2的發(fā)射極、二極管0' 4、D' 6、 D' 2的陽極、電容C4的負極、電阻R6的一端相連接；功率開關(guān)器件V1的發(fā)射極與二極管 D'工的陽極、功率開關(guān)器件V4的集電極、二極管D' 4的陰極及電感Lk的一端相接于接點 R'；功率開關(guān)器件V3的發(fā)射極與二極管D' 3的陽極、功率開關(guān)器件V6的集電極、二極管 D' 6的陰極及電感Ls的一端相接于接點S'；功率開關(guān)器件V5的發(fā)射極與二極管D' 5的 陽極、功率開關(guān)器件V2的集電極、二極管D' 2的陰極及電感Lt的一端相接于接點T'；電 感LK、Ls、Lt的另一端與電網(wǎng)的R相、S相、T相分別對應連接。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)及與之相匹配的電感線圈的繞制方法，將該拓撲結(jié)構(gòu)與電感線圈組合起來，即將兩個電感引入到通用變頻器輸入側(cè)的二極管整流橋與能量回饋器的逆變電路連成的環(huán)路中，用于將各種變頻器的直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟娏骱蠡仞伒诫娋W(wǎng)。其中電感線圈的繞接結(jié)構(gòu)具有多樣選擇性。本發(fā)明能量回饋器主電路拓撲結(jié)構(gòu)實施應用后，能有效抑制變頻器與能量回饋器間的環(huán)流電流，提高能量回饋器的輸出電流能力，輸出電流波形質(zhì)量好，總諧波失真THD小，能量回饋器體積小，重量輕，價格相對便宜。
文檔編號H02M5/44GK102044974SQ20101025040
公開日2011年5月4日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者周勤利, 王仁峰, 陳國呈, 顧紅兵 申請人:江蘇斯達工業(yè)科技有限公司