專利名稱：基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的h橋級聯(lián)四象限變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電壓型交-直-交中壓變頻調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級 聯(lián)四象限變頻器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的電壓型H橋級聯(lián)交-直-交變頻器采用多級H橋功率單元級聯(lián)構(gòu)成，如圖I所示。這種變頻器的特點(diǎn)是輸出電壓高且諧波小，dv/dt低，可以使用普通交流電動(dòng)機(jī)；借助主電源變壓器中付方繞組間的移相，輸入電流諧波小，在中壓(I IOkV)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域得到最廣泛應(yīng)用。由于這種變頻器中H橋功率單元數(shù)量大，通常各H橋功率單元中的交-直變換(也稱整流器、或稱整流電源等)都采用二極管三相整流器，如圖2所示，這種變頻器具有簡單且變頻器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高(>0.95)的特點(diǎn)。這種整流器不允許反向功率流過，因此電動(dòng)機(jī)只能單象限(電動(dòng))工作，功率只能從電網(wǎng)經(jīng)變頻器流向電動(dòng)機(jī)，不能返回電網(wǎng)。許多應(yīng)用領(lǐng)域需要變頻器四象限運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)既能電動(dòng)工作又能再生工作，可把機(jī)械的制動(dòng)能量或重物的勢能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成電能，再經(jīng)變頻器返回電網(wǎng)，以節(jié)省能源和實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，例如提升傳動(dòng)就是如此。這就要求這類級聯(lián)型變頻器中每個(gè)H橋功率單元中的交-直變換(整流器)都允許功率雙方向流動(dòng)。為滿足四象限運(yùn)行要求，可以將H橋功率單元的交-直變換(整流器)由二極管整流電源改為PWM整流(又稱有源前端AFE)電源。它由自關(guān)斷器件IGBT (或IGCT、或IEGT)橋和交流進(jìn)線電抗構(gòu)成，采用PWM控制，是三相逆變器的逆應(yīng)用。這種電源具有良好性能雙方向功率流動(dòng)；正弦波網(wǎng)側(cè)電流(一個(gè)開關(guān)周期平均值)；功率因數(shù)可控，可以為I。這種電源存在的主要問題是需要較大進(jìn)線電抗值(>10%)，而變頻器主電源變壓器中各組付方繞組的漏抗一般不能滿足，需另外增設(shè)電抗器和濾波電容器，使H橋功率單元和變頻器主電路復(fù)雜；控制電路由直流電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)、矢量變換、及PWM調(diào)制等環(huán)節(jié)構(gòu)成，系統(tǒng)復(fù)雜且調(diào)試麻煩。由于級聯(lián)變頻器中H橋功率單元數(shù)量多，上述問題變得更加突出。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種電路簡單、調(diào)試方便且性能穩(wěn)定的基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級聯(lián)四象限變頻器。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級聯(lián)四象限變頻器，由每相多個(gè)功率單元級聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)功率單元中的整流器采用由自關(guān)斷器件構(gòu)成的整流/回饋電源，該整流/回饋電源由三相可控橋CB和三相進(jìn)線電抗器X連接構(gòu)成，該三相可控橋CB由6個(gè)電子開關(guān)S連接構(gòu)成，每個(gè)電子開關(guān)S由一個(gè)可控開關(guān)器件V及一個(gè)續(xù)流二極管D反并聯(lián)構(gòu)成。而且，所述的可控開關(guān)器件V為IGBT器件，或者為IGCT器件，或者為IEGT器件。[0010]而且，所述的電子開關(guān)S采用與交流進(jìn)線電源同步的控制方式，每個(gè)交流進(jìn)線電源周期只開通和關(guān)斷一次。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是I、本實(shí)用新型的整流器采用由自關(guān)斷器件構(gòu)成的整流/回饋電源，允許雙向功率流過，變頻器四象限運(yùn)行，電動(dòng)工作時(shí)功率從電網(wǎng)流向電動(dòng)機(jī)，再生工作時(shí)功率從電動(dòng)機(jī)返回電網(wǎng)。2、本實(shí)用新型的整流/回饋電源的進(jìn)線電抗可利用變頻器主變壓器付方繞組的漏抗實(shí)現(xiàn)，不必另外增設(shè)電抗器和濾波電容器，電路簡單。3、本實(shí)用新型的整流/回饋電源不用PWM控制，無閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制和調(diào)試特別簡單。4、本實(shí)用新型的整流/回饋電源網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)及電流諧波與二極管整流電源基本相同，因此變頻器的交流進(jìn)線功率因數(shù)及相電流諧波與普通采用二極管三相整流器的H橋級聯(lián)變頻器基本相同，功率因數(shù)>0. 95，諧波電流小，滿足國標(biāo)GB/T14549-1993。5、本實(shí)用新型在交流電源故障或進(jìn)線電壓降低過多時(shí)，可通過關(guān)斷所有IGBT (或IGCT、或IEGT)來避免逆變顛覆發(fā)生。

圖I為H橋(5級)級聯(lián)變頻器主電路圖；圖2為交-直變換(整流器)采用二極管三相整流電源構(gòu)成的H橋功率單元電路圖；圖3 (a)為本實(shí)用新型變頻器中H橋交-直變換(整流器)整流/回饋電源基本電路圖；圖3 (b)為圖3 Ca)所示電路中的電子開關(guān)S電路圖；圖4為本實(shí)用新型的H橋功率單元電路電路圖；圖5為本實(shí)用新型的整流/回饋電源電路中三相交流進(jìn)線相電壓(uiA、uiB、uiC)及6個(gè)電子開關(guān)的門極驅(qū)動(dòng)控制信號(GA1、GA2、Gbi> Gb2> Gci> Gc2)不意圖；圖6 Ca)為本實(shí)用新型的整流/回饋電源電路在空載狀態(tài)下開關(guān)Sai導(dǎo)通期間的直流母線電壓(Ud)、三相交流進(jìn)線線電壓(uiAB和uiAC;)及A相電流(iiA)波形示意圖；圖6 (b)為本實(shí)用新型的整流/回饋電源電路在整流狀態(tài)下開關(guān)Sai導(dǎo)通期間的直流母線電壓(Ud)、三相交流進(jìn)線線電壓(uiAB和uiAC;)及A相電流(iiA)波形示意圖；圖6 (c)為本實(shí)用新型的整流/回饋電源電路在回饋狀態(tài)下開關(guān)Sai導(dǎo)通期間的直流母線電壓(Ud)、三相交流進(jìn)線線電壓(uiAB和uiAC;)及A相電流(iiA)波形示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明—種基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級聯(lián)四象限變頻器，由多級H橋功率單元級聯(lián)構(gòu)成，如圖I所示。每個(gè)H橋功率單元電路均包括交-直變換(整流器)和直-交變換(逆變器)兩部分，如圖4所示，圖中，所有開關(guān)器件均為并有反向續(xù)流二極管的自開關(guān)器件IGBT (或IGCT、或IEGT)。由于本實(shí)用新型中的功率單元采用的直-交變換(逆變器)、橋間級聯(lián)電路及其控制與現(xiàn)有采用二極管三相整流電源的傳統(tǒng)單象限級聯(lián)變頻器相同，因此它們的交流輸出特性也相同輸出電壓高且諧波小，dv/dt低，可以用于普通交流電動(dòng)機(jī)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有變頻器的區(qū)別是功率單元中的交-直變換(整流器)不同，本實(shí)用新型采用由自關(guān)斷器件構(gòu)成的整流/回饋電源，允許雙向功率流，變頻器可四象限運(yùn)行，電動(dòng)工作時(shí)功率從電網(wǎng)流向電動(dòng)機(jī)，再生工作時(shí)功率從電動(dòng)機(jī)返回電網(wǎng)。由于各個(gè)功率單元的逆變器控制屬于公知技術(shù)，在此不做說明。本實(shí)用新型中的各個(gè)功率單元中的整流器均采用由自關(guān)斷器件構(gòu)成的整流/回饋電源，如圖3(a)及3(b)所示，圖中X是三相進(jìn)線電抗器;CB是由6個(gè)電子開關(guān)(SA1、SA2、Sbi> SB2, Sci, Sc2)構(gòu)成的三相可控橋，每個(gè)電子開關(guān)S由一個(gè)自開關(guān)器件V (IGBT、或IGCT、或IEGT)及一個(gè)續(xù)流二極管D反并聯(lián)構(gòu)成；Cd是直流貯能電容；Id.K和Iil分別是交-直變換(整流器)和直-交變換(逆變器)的直流電流；Ud是直流母線電壓；uiA、uiB、uiC是三相交流進(jìn)線相電壓；^八是々相相電流；該整流/回饋電源由6個(gè)電子開關(guān)S構(gòu)成的三相可控橋CB和三相進(jìn)線電抗器X兩部分連接構(gòu)成，三相可控橋CB中的每個(gè)電子開關(guān)S均由一個(gè)自控開關(guān)器件V及一個(gè)續(xù)流二極管D反并聯(lián)構(gòu)成，該可控開關(guān)器件V可以采用IGBT器件，或者`采用IGCT器件，或者采用IEGT器件。由于整流/回饋電源需要的進(jìn)線電抗值小，變頻器主電源變壓器中各組付方繞組的漏抗己能滿足，不需另外增設(shè)電抗器；三相可控橋CB的控制不采用脈寬調(diào)制(PWM)，也沒有任何閉環(huán)調(diào)節(jié)。橋中每個(gè)電子開關(guān)S被用作交流進(jìn)線電源的同步開關(guān)，每周期只開通和關(guān)斷一次，于自然換流點(diǎn)(a=0° )處開始導(dǎo)通，持續(xù)120°后關(guān)斷(如圖5所示)。由于電路中開關(guān)器件的開關(guān)頻率只有50Hz，遠(yuǎn)低于現(xiàn)在常用的PWM整流電源，開關(guān)損耗大大降低，有助于提高變換器出力。在進(jìn)線交流電壓高于直流母線電壓時(shí)，電流經(jīng)與IGBT (或IGCT、或IEGT)反并聯(lián)的續(xù)流二極管從交流電源流向直流母線——整流狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)線交流電壓低于直流母線電壓時(shí)，電流經(jīng)IGBT (或IGCT、或IEGT)從直流母線流向交流電源——回饋狀態(tài)。由自關(guān)斷器件構(gòu)成的整流器與二極管整流器不同，在電網(wǎng)線電壓瞬時(shí)值小于直流母線電壓Ud時(shí)，本實(shí)用新型的整流/回饋電源允許電流從直流母線經(jīng)開關(guān)器件和進(jìn)線電抗器流向電網(wǎng)。在空載、整流和回饋三種狀態(tài)下開關(guān)器件Sai導(dǎo)通期間的直流電壓Ud、線電壓uiAB和uiAC及A相電流iiA波形示于圖6 (a)、6 (b)、6 (c)。在這期間uiAB或uiAC與直流正母線接通，它們與Ud之差加至進(jìn)線電抗X，當(dāng)線電壓>Ud時(shí)iiA向正方向變化；當(dāng)線電壓<Ud時(shí)iiA向負(fù)方向變化?？蛰d狀態(tài)時(shí)，如圖6(a)所示，Iil=O (Iil—直流母線上逆變器側(cè)直流電流，它是本實(shí)用新型整流/回饋電源的負(fù)載電流)，直流電壓Ud=Udtl=L 35Uu (Udtl—理想空載整流電壓，Uu—電網(wǎng)線電壓有效值)，線電壓與Ud之差的正負(fù)伏-秒面積相同，iiA時(shí)正時(shí)負(fù)，平均值
=Oo整流狀態(tài)時(shí)，如圖6(b)所示，IilX),整流電壓Ud略降，小于Udtl，正伏-秒面積加大、負(fù)伏-秒面積減小，iiA正向加大、負(fù)向減小，直至無反向電流，平均值>0。由于這時(shí)線電壓>0，故功率從電網(wǎng)流向直流母線?；仞仩顟B(tài)時(shí)，如圖6(c)所示，IilCO,整流電壓Ud略升高，大于Udtl，負(fù)伏-秒面積加大、正伏-秒面積減小，iiA負(fù)向加大、正向減小，直至無正向電流，平均值〈0，由于這時(shí)線電壓>0，故功率從直流母線流向電網(wǎng)。[0033]從上述三種狀態(tài)分析知，整流和回饋狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及流過功率的大小都取決于Ud的變化，依據(jù)整流/回饋電源的負(fù)載要求(Iil值)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要任何閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制電路特別簡單。在本實(shí)用新型變頻器中Iil值由變頻器中的直-交變換(逆變器)控制。從圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)還可以看出，加在整流/回饋電源進(jìn)線電抗X上的脈動(dòng)電壓的幅值很小，故需要的進(jìn)線電抗值較小，這些值都與相應(yīng)容量的通用變壓器的漏抗值相同，因此可采用通用變壓器替代整流變壓器，不必像PWM整流電源那樣另外增設(shè)電抗器和濾波電容器或采用特殊的高漏抗變壓器。在電網(wǎng)故障、電壓突然降低過多或完全掉電時(shí)，立即關(guān)斷本整流/回饋電源中所有自關(guān)斷電力電子開關(guān)，該電源變成二極管整流橋，可有效避免逆變顛覆故障。本實(shí)用新型的H橋功率單元采用的整流/回饋電源的交流進(jìn)線功率因數(shù)及相電流諧波與二極管三相整流器基于相同，屬6脈波整流。與H橋功率單元中交-直變換(整流器)采用二極管三相整流電源的傳統(tǒng)單象限級聯(lián)變頻器一樣，借助主電源變壓器付方繞組的移 相，使變壓器原方相電流中諧波被抵消和降低，滿足國標(biāo)GB/T14549-1993，且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)>0.95。需要強(qiáng)調(diào)的是，本實(shí)用新型所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本實(shí)用新型并不限于具體實(shí)施方式
中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1.一種基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級聯(lián)四象限變頻器，由每相多個(gè)功率單元級聯(lián)構(gòu)成，其特征在于每個(gè)功率單元中的整流器采用由自關(guān)斷器件構(gòu)成的整流/回饋電源，該整流/回饋電源由三相可控橋CB和三相進(jìn)線電抗器X連接構(gòu)成，該三相可控橋CB由6個(gè)電子開關(guān)S連接構(gòu)成，每個(gè)電子開關(guān)S由一個(gè)可控開關(guān)器件V及一個(gè)續(xù)流二極管D反并聯(lián)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級聯(lián)四象限變頻器，其特征在于所述的可控開關(guān)器件V為IGBT器件，或者為IGCT器件，或者為IEGT器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級聯(lián)四象限變頻器，其特征在于所述的電子開關(guān)S采用與交流進(jìn)線電源同步的控制方式，每個(gè)交流進(jìn)線電源周期只開通和關(guān)斷一次。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于自關(guān)斷器件整流/回饋電源的H橋級聯(lián)四象限變頻器，其主要技術(shù)特點(diǎn)是功率單元中的整流器采用由自關(guān)斷器件構(gòu)成的整流/回饋電源，該整流/回饋電源由三相可控橋CB和三相進(jìn)線電抗器X連接構(gòu)成，該三相可控橋CB由6個(gè)電子開關(guān)S連接構(gòu)成，每個(gè)電子開關(guān)S由一個(gè)可控開關(guān)器件V及一個(gè)續(xù)流二極管D反并聯(lián)構(gòu)成。本實(shí)用新型采用允許功率雙向流動(dòng)的自關(guān)斷器件構(gòu)成整流/回饋電源，實(shí)現(xiàn)變頻器四象限運(yùn)行功能，具有電路結(jié)構(gòu)及控制調(diào)試簡單、性能穩(wěn)定、安全可靠的特點(diǎn)。
文檔編號H02M5/458GK202696477SQ20122031481
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者馬小亮 申請人:天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所, 天津天傳能源設(shè)備有限公司