高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，前級(jí)電路包括濾波器、三相可控整流器、兩兩串聯(lián)然后再并聯(lián)的直流母線電容、電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路、直流母線電壓檢測(cè)電路、輸入電流傳感器、控制電路，還包括三個(gè)雙向開關(guān)，所述三個(gè)雙向開關(guān)的一端分別連接到可控整流器三個(gè)橋臂的中點(diǎn)，另一端都連至直流母線電容的串聯(lián)點(diǎn)；后級(jí)電路包括三相逆變器及電機(jī)。母線電壓低于設(shè)定值時(shí)，三相可控整流器的開關(guān)管都關(guān)斷，其反并二極管與三個(gè)雙向開關(guān)構(gòu)成升壓整流器，進(jìn)行功率因數(shù)校正，給后級(jí)電路供電；母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，三個(gè)雙向開關(guān)不導(dǎo)通，可控整流器以三相逆變器模式向電網(wǎng)回饋發(fā)電。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整流逆變一體化，具有功率因數(shù)高，效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量回饋系統(tǒng)，特別是使用三相供電的整流逆變一體化的電力電子系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在全球發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、倡導(dǎo)低碳生活的趨勢(shì)下，節(jié)能環(huán)保低碳產(chǎn)業(yè)是節(jié)能降耗的必然選擇。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造工程已經(jīng)成為國(guó)家節(jié)能減排的一個(gè)重點(diǎn)。
[0003]在一些電機(jī)快速起停、頻繁正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)和帶動(dòng)位能性負(fù)載下降時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。會(huì)向電機(jī)的變頻器母線注入電流，使變頻器母線電壓上升，這種泵升電壓達(dá)到一定數(shù)值，就會(huì)擊穿變頻器的工作元件。
[0004]為了防止變頻器母線泵升電壓過高，通常在變頻器直流母線并聯(lián)能耗單元，把直流母線上接收的電能通過能耗電阻以熱的方式釋放掉。這種解決方案的能耗單元需要占用較大的空間，而且浪費(fèi)了電機(jī)發(fā)出的電量。
[0005]為了能夠利用電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的電能，通過在變頻器母線并聯(lián)能量回饋裝置的辦法，可以實(shí)現(xiàn)把回饋能量轉(zhuǎn)換為交流電送入電網(wǎng)，但是，這種方案存在以下缺點(diǎn):
(1)對(duì)于電機(jī)來說，整流和回饋是兩個(gè)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，元器件多，成本高；
(2)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常存在回饋裝置和變頻器不匹配，回饋裝置干擾變頻器，導(dǎo)致變頻器不能正常工作而無法實(shí)際應(yīng)用的情況；
(3)當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，變頻器直流母線電壓隨著降低，母線電壓降低到一定程度，電機(jī)工作性能下降，甚至無法正常工作。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)整流逆變一體化，采用三相可控整流器構(gòu)成的一體化的能量回饋電路是一種較新的方案，如圖1所示。但是這種電路工作在整流模式時(shí)，有以下缺點(diǎn):在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)較多，開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗較大；需要選用能夠承受全部直流母線電壓的開關(guān)管，高電壓開關(guān)管導(dǎo)通損耗大；整流系統(tǒng)效率不高。
[0007]因此，在有能量回饋的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，現(xiàn)有方案存在整流效率不高或者裝置復(fù)雜、成本聞、應(yīng)用范圍受:限等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種高效率整流逆變一體化的能量回饋系統(tǒng)，用來克服現(xiàn)有一體化能量回饋系統(tǒng)在整流模式時(shí)由于開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗和導(dǎo)通損耗大而使效率較低的缺點(diǎn)，提供一種能有效提高整流效率的一體化能量回饋系統(tǒng)。
[0009]一種高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，應(yīng)用在使用三相電網(wǎng)供電的具有能量反饋的電力電子系統(tǒng)中，前級(jí)電路包括濾波器、三相可控整流器、兩兩串聯(lián)然后再并聯(lián)的直流母線電容、電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路、直流母線電壓檢測(cè)電路、輸入電流傳感器、控制電路、還包括三個(gè)雙向開關(guān)，所述三個(gè)雙向開關(guān)的一端分別連接到可控整流器三個(gè)橋臂的中點(diǎn)，另一端都連至直流母線電容的串聯(lián)點(diǎn)；后級(jí)電路包括三相逆變器及電機(jī)； 所述三相可控整流器由六個(gè)開關(guān)管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6及其反并二極管構(gòu)成；
所述直流母線電壓檢測(cè)電路檢測(cè)正負(fù)直流母線電壓的大小并把檢測(cè)值送給控制電
路；
所述控制電路檢測(cè)電網(wǎng)電壓、輸入電流、直流母線電壓，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、驅(qū)動(dòng)三相可控整流器的開關(guān)管及雙向開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷；
所述濾波器由電感和電容組成。
[0010]所述三個(gè)雙向開關(guān)的功能是，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)電流正向或者反向的流通和斷開；雙向開關(guān)既可以是二極管、IGBT、MOSFET、整流橋等半導(dǎo)體器件通過正確的組合來構(gòu)成，也可以是其他適合的雙向?qū)ㄆ骷?br> [0011]所述控制電路檢測(cè)到母線電壓低于設(shè)定值時(shí)，三相可控整流器的開關(guān)管都關(guān)斷，其反并二極管與三個(gè)雙向開關(guān)(Kl，K2，K3)構(gòu)成升壓整流器，進(jìn)行功率因數(shù)校正，給后級(jí)電路供電；母線電壓高于設(shè)定值，三個(gè)雙向開關(guān)斷開，三相可控整流器以三相逆變器模式向電網(wǎng)回饋發(fā)電。進(jìn)行功率因數(shù)校正，保證了系統(tǒng)在整流狀態(tài)具有高的功率因數(shù)和低的諧波，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。
[0012]所述系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)時(shí)，雙向開關(guān)只承受一半的母線電壓值，低額定電壓值的雙向開關(guān)的導(dǎo)通損耗大大降低；系統(tǒng)中較多的二極管參與工作，二極管的開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗和導(dǎo)通損耗與相同功率等級(jí)的開關(guān)管相比得到了較大的降低。因此，系統(tǒng)的整流效率得到了提高。
[0013]所述后級(jí)電路包括三相逆變器和電機(jī)；所述三相逆變器在前級(jí)處于整流狀態(tài)時(shí)，給電機(jī)提供電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；當(dāng)電機(jī)回饋發(fā)電時(shí)，三相逆變器把電機(jī)回饋產(chǎn)生的電能通過直流母線傳送給前級(jí)電路。
[0014]所述直流母線電容，用于實(shí)現(xiàn)低頻濾波或者儲(chǔ)能穩(wěn)壓的目的。其連接方式是:電容先兩兩串聯(lián)，然后再并聯(lián)接在正負(fù)直流母線上，并把串聯(lián)點(diǎn)連接起來，形成母線電壓的中點(diǎn)。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:把功率因數(shù)校正電路、回饋逆變發(fā)電功能集成在一個(gè)電路中，實(shí)現(xiàn)了整流逆變一體化，提高了功率因數(shù)、減小了硬件復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性，而且使電路在整流模式時(shí)的效率有了較大的提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有一體化能量回饋方案原理圖。
[0017]圖2是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案原理圖。
[0018]圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例電路原理圖。
[0019]圖4是本發(fā)明的第二實(shí)施例電路原理圖。
[0020]圖5是本發(fā)明的第一實(shí)施例電路在整流模式時(shí)，輸入電流仿真波形。
[0021]圖6是本發(fā)明的回饋與整流狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容，僅僅是對(duì)本發(fā)明思想實(shí)現(xiàn)形式的有限列舉，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0023]本發(fā)明提供了一種高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，能夠克服現(xiàn)有一體化能量回饋系統(tǒng)的整流器效率不高的缺點(diǎn)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0024]圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例電路原理圖。該一體化能量回饋系統(tǒng)前級(jí)電路包括濾波器、三相可控整流器、兩兩串聯(lián)然后再并聯(lián)的直流母線電容、電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路、直流母線電壓檢測(cè)電路、輸入電流傳感器、控制電路、還包括三個(gè)雙向開關(guān)模塊，所述三個(gè)雙向開關(guān)的一端分別連接到可控整流器三個(gè)橋臂的中點(diǎn)，另一端都連至直流母線電容的串聯(lián)點(diǎn)；后級(jí)電路包括三相逆變器及電機(jī)；
所述三相可控整流器由六個(gè)IGBT開關(guān)管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6及其反并二極管構(gòu)成； 所述直流母線電壓檢測(cè)電路檢測(cè)正負(fù)直流母線電壓的大小并把檢測(cè)值送給控制電
路；
所述濾波器由電感和電容組成。
[0025]所述控制電路檢測(cè)電網(wǎng)電壓、輸入電流、正負(fù)直流母線電壓，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，在整流模式時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制雙向開關(guān)Tl和T2(或者Τ3和Τ4，或者Τ5和Τ6)的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)行母線電壓平衡控制和功率因數(shù)校正，保證了裝置在整流狀態(tài)具有高的功率因數(shù)和低的諧波，達(dá)到綠色環(huán)保的目的；在回饋發(fā)電時(shí)，電流參考信號(hào)的相位頻率與電網(wǎng)保持一致，幅值的大小根據(jù)直流母線電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)，向電網(wǎng)送入同頻率和同相位的正弦交流電。
[0026]所述三個(gè)雙向開關(guān)模塊的功能是，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)電流正向或者反向的流通和斷開；雙向開關(guān)模塊使用兩個(gè)IGBT (Tl和Τ2、Τ3和Τ4、Τ5和Τ6 )反向串聯(lián)來構(gòu)成。系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)時(shí)，雙向開關(guān)管正向?qū)ǖ碾娏髀窂绞荓4 (L5或者L6)，T1 (或者T3，或者T5)，T2 (或者Τ4，或者Τ6)的反并二極管，母線電容的串聯(lián)點(diǎn)；電流反向流通路徑是，母線電容的串聯(lián)點(diǎn)，Τ2 (或者Τ4，或者Τ6)，Τ1 (或者Τ3，或者Τ5)的反并二極管，L4 (L5或者L6)。與現(xiàn)有一體化能量回饋系統(tǒng)的整流電路相比，由于Tl，Τ2，Τ3，Τ4, Τ5，Τ6的耐壓值是母線電壓的一半，所以導(dǎo)通損耗大大降低；電路中有較多的二極管參與工作，使整流電路的開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗得到了較大的降低。
[0027]所述控制電路在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)到母線電壓，當(dāng)母線電壓值低于設(shè)定值730V時(shí)，系統(tǒng)工作在整流用電狀態(tài)，三相可控整流器的開關(guān)管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)都關(guān)斷，其反并二極管與三個(gè)雙向開關(guān)模塊(Tl和Τ2、Τ3和Τ4、Τ5和Τ6 )構(gòu)成升壓整流器，進(jìn)行功率因數(shù)校正，給后級(jí)電路供電；當(dāng)母線電壓高于設(shè)定值730V時(shí)，系統(tǒng)工作在回饋發(fā)電狀態(tài)，三個(gè)雙向開關(guān)模塊斷開，三相可控整流器以三相逆變器模式把回饋到母線上的能量轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓同頻率同相位的交流電注入電網(wǎng)。
[0028]所述后級(jí)電路包括三相逆變器和電機(jī)；所述三相逆變器在前級(jí)處于整流狀態(tài)時(shí)，給電機(jī)提供電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；當(dāng)電機(jī)回饋發(fā)電時(shí)，三相逆變器把電機(jī)回饋產(chǎn)生的電能通過直流母線傳送給前級(jí)電路。`
[0029]所述的多組串聯(lián)的電容，用于實(shí)現(xiàn)低頻濾波或者儲(chǔ)能穩(wěn)壓的目的。其連接方式是:由電容C4，…，Cn先兩兩串聯(lián)，然后再并聯(lián)接在正負(fù)直流母線上，并把串聯(lián)點(diǎn)連接起來，形成母線電壓的中點(diǎn)。
[0030]圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例電路原理圖。與圖3相比，區(qū)別主要是雙向開關(guān)的構(gòu)成形式不同，圖4的雙向開關(guān)用四個(gè)整流二極管連成一個(gè)整流橋，然后把一個(gè)IGBT并聯(lián)在整流橋中間組合實(shí)現(xiàn)。由于雙向開關(guān)模塊中只有一個(gè)IGBT，所以系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)減少了。雙向開關(guān)模塊的正向電流路徑是，L4 (L5或者L6)，D1 (或者D5，或者D9)，Tl (或者T2，或者T3)，D4 (或者D8，或者D12)，母線電容的串聯(lián)點(diǎn)；反向路徑是，母線電容的串聯(lián)點(diǎn)，D3 (或者D7，或者D11)，Tl (或者T2，或者T3)，D2 (或者D6，或者D10)，L4 (L5或者L6)。
[0031]圖5是本發(fā)明的第一實(shí)施例電路在整流模式時(shí)，輸入電流仿真波形。從仿真波形看出，本能量回饋一體化系統(tǒng)在整流模式時(shí)具有較好的輸入電流波形。
【權(quán)利要求】
1.一種高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，應(yīng)用在使用三相電網(wǎng)供電并且具有能量雙向流動(dòng)的電力電子系統(tǒng)中，前級(jí)電路包括濾波器、三相可控整流器、兩兩串聯(lián)然后再并聯(lián)的直流母線電容、電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路、直流母線電壓檢測(cè)電路、輸入電流傳感器、控制電路、還包括三個(gè)雙向開關(guān)，所述三個(gè)雙向開關(guān)的一端分別連接到可控整流器三個(gè)橋臂的中點(diǎn)，另一端都連至直流母線電容的串聯(lián)點(diǎn)；后級(jí)電路包括三相逆變器及電機(jī)； 所述三相可控整流器由六個(gè)開關(guān)管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6及其反并二極管構(gòu)成； 所述直流母線電壓檢測(cè)電路檢測(cè)正負(fù)直流母線電壓的大小并把檢測(cè)值送給控制電路； 所述控制電路檢測(cè)電網(wǎng)電壓、輸入電流、正負(fù)直流母線電壓，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、驅(qū)動(dòng)三相可控整流器的開關(guān)管及雙向開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷； 所述濾波器由電感和電容組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，其特征是，所述雙向開關(guān)的功能是，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制能夠按照要求實(shí)現(xiàn)電流正向或者反向的流通和斷開，采用能完成此功能的器件來實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，其特征是，所述雙向開關(guān)采用二極管、IGBT, MOSFET、整流橋等半導(dǎo)體器件通過正確的組合來構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，其特征是，所述的直流母線電容的實(shí)現(xiàn)方法是:電容先兩兩串聯(lián)，然后再并聯(lián)接在正負(fù)直流母線上，并把串聯(lián)點(diǎn)連接起來，形成母線電壓的中點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，其特征是，所述控制電路檢測(cè)到母線電壓低于設(shè)定值時(shí)，三相可控整流器的開關(guān)管都關(guān)斷，其反并二極管與三個(gè)雙向開關(guān)(Kl，K2，K3)構(gòu)成升壓整流器，進(jìn)行功率因數(shù)校正，給后級(jí)電路供電；母線電壓高于設(shè)定值，三個(gè)雙向開關(guān)都斷開，三相可控整流器以三相逆變器模式向電網(wǎng)回饋發(fā)電。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者5所述的高效率整流逆變一體化能量回饋系統(tǒng)，其特征是，所述后級(jí)電路包括三相逆變器和電機(jī)；所述三相逆變器在前級(jí)處于整流狀態(tài)時(shí)，給電機(jī)提供電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；當(dāng)電機(jī)回饋發(fā)電時(shí)，三相逆變器把電機(jī)回饋產(chǎn)生的電能通過直流母線傳送給前級(jí)電路。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK103515978SQ201310090036
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月21日
【發(fā)明者】王林兵 申請(qǐng)人:王林兵