專利名稱：無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高壓變頻器能量回饋裝置，尤指一種無諧波污染的、針對(duì)功率單元串聯(lián)多電平式高壓變頻器的能量回饋裝置。
高壓交流變頻器的功率一般都在300KW以上。它的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能顯著，改善工況特性明顯，但是，它在應(yīng)用的過程中最主要的問題是當(dāng)負(fù)載制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的能量，如何處理、或利用這部分能量，一直是一個(gè)棘手的問題。
對(duì)于低壓交流變頻器，人們通常是通過大電阻釋放掉這部分制動(dòng)能量。對(duì)于高壓變頻器就不能靠這種簡(jiǎn)單的利用電阻的方法耗散掉，一般是將其回饋到電網(wǎng)，將制動(dòng)能量再利用，但是，如何實(shí)現(xiàn)這種能量的回饋，并且對(duì)交流電網(wǎng)無諧波污染，一直困擾著業(yè)內(nèi)人士。
目前，高壓交流變頻裝置主要分為電壓源型和電流源型兩種類型。電流源型變頻裝置可自然實(shí)現(xiàn)能量回饋，但是存在功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)的諧波污染大等缺點(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)合受到很大的限制。電壓源型高壓變頻裝置主要有以下幾種類型1、高低方式高壓變頻器。這種裝置是將電網(wǎng)的高壓通過變壓器變?yōu)榈蛪?，利用低壓變頻器和低壓電機(jī)的組合實(shí)現(xiàn)變頻。
2、高低高方式高壓變頻器。與上述高低方式變頻器的不同是它在低壓變頻器的輸出側(cè)又加了一變壓器，可使用高壓電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
3、三電平方式高壓變頻器。它是利用高壓器件的串聯(lián)解決耐壓?jiǎn)栴}。
4、功率單元串聯(lián)多電平式高壓變頻器。它利用低壓功率單元的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓，同時(shí)利用移相變壓器技術(shù)解決對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，采用二極管整流，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較高。
第1種和第2種類型的電壓源型變頻器屬于過渡技術(shù)，已趨于淘汰，由于成本較低，在小功率場(chǎng)合仍有少量應(yīng)用。第3種類型的電壓源型變頻器是新技術(shù)，但是受器件制約，目前最高電壓只能做到4160V，不適用于國(guó)內(nèi)6KV、10KV的主流電網(wǎng)，應(yīng)用受到限制；為了解決能量回饋和對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，需要采用所謂“有源前端”技術(shù)，整流橋采用與逆變橋相同的電路結(jié)構(gòu)，使控制復(fù)雜，成本很高。第4種類型的電壓源型變頻器屬于技術(shù)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越的技術(shù)方案，但其能量回饋問題，目前一直沒有解決方案。因此，本實(shí)用新型的目的就是提供一種針對(duì)這種普遍使用的功率單元串聯(lián)多電平式高壓變頻器的能量回饋裝置及其方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，它包括多個(gè)反饋橋和反饋橋控制電路；所述反饋橋的數(shù)量與構(gòu)成變頻器的功率單元的數(shù)量相一致，即在每一個(gè)功率單元整流橋旁反并聯(lián)一反饋橋；所述反饋橋控制電路包括用于控制反饋橋?qū)ㄅc關(guān)斷的能量回饋工況判斷電路和用于觸發(fā)反饋橋器件導(dǎo)通的反饋橋觸發(fā)電路；能量回饋工況判斷電路的信號(hào)輸出端與反饋橋觸發(fā)電路的控制端相連，觸發(fā)電路的六路輸出端分別與反饋橋器件相連。
所述能量回饋工況判斷電路主要由功率單元整流橋整流電壓峰值檢測(cè)電路、功率單元直流母線電壓檢測(cè)電路和比較/判斷電路構(gòu)成；整流橋整流電壓峰值檢測(cè)電路用于檢測(cè)整流橋整流后電壓的峰值，并作為比較/判斷電路的一個(gè)輸入端；直流母線電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)功率單元直流母線P、N之間的電壓，并作為比較/判斷電路的另一個(gè)輸入端；比較/判斷電路對(duì)這兩個(gè)檢測(cè)電壓進(jìn)行比較、判斷，并輸出控制信號(hào)，控制反饋橋的導(dǎo)通或關(guān)斷。
所述反饋橋觸發(fā)電路采用6脈沖控制方式；它由電壓檢測(cè)電路和抗干擾電路組成；該電壓檢測(cè)電路采用比較器和選擇器，對(duì)于反饋橋上橋臂的三個(gè)器件，選擇電壓最高的一只給出觸發(fā)信號(hào)；對(duì)于反饋橋下橋臂的三個(gè)器件，選擇電壓最低的一只給出觸發(fā)信號(hào)。
所述反饋橋觸發(fā)電路還可以用鑒相器，采用過零檢測(cè)電路或鎖相環(huán)電路，跟蹤輸入電壓的相位，任何時(shí)刻只給出兩個(gè)反饋橋器件的導(dǎo)通控制信號(hào)，對(duì)于上橋臂的三個(gè)器件，選擇R、S、T電壓瞬時(shí)值最高的一個(gè)給出導(dǎo)通信號(hào)；對(duì)于下橋臂的三個(gè)器件，選擇R、S、T電壓瞬時(shí)值最低的一個(gè)給出導(dǎo)通信號(hào)。
由于本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案，即在每一功率單元的整流橋旁反并聯(lián)一反饋橋和控制電路，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回饋、再利用。由于本實(shí)用新型反饋橋由滿足功率單元內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)的低壓器件構(gòu)成，故成本低；另外，控制部分的實(shí)現(xiàn)也非常方便，只需附加相應(yīng)的電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)和電壓比較器即可，技術(shù)可行性好；在控制上，省去了復(fù)雜的PWM計(jì)算等，降低了控制電路的負(fù)擔(dān)，同時(shí)，由于開關(guān)方式為六脈沖，使開關(guān)損耗降到最低。更重要的是，雖然本實(shí)用新型功率單元內(nèi)普通二極管整流橋的電流波形中含有大量的諧波成分，以及反饋橋中還有的大量諧波成分，但是可通過移相變壓器，使諧波成分互相抵消，從而減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。


圖1為現(xiàn)有功率單元串聯(lián)多電平式高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖圖2為現(xiàn)有功率單元電路圖圖3為本實(shí)用新型能量回饋裝置中反饋橋部分電路圖圖4為本實(shí)用新型能量回饋裝置中能量回饋工況判別電路原理框圖圖5為本實(shí)用新型能量回饋裝置中反饋橋觸發(fā)電路原理框圖圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中反饋橋部分具體電路圖圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中能量回饋工況判別電路具體電路圖圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例中反饋橋觸發(fā)電路具體電路圖功率單元串聯(lián)多電平式高壓變頻器使用過程中，當(dāng)負(fù)載制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的能量。為了將這部分能量回饋到電網(wǎng)，再利用，本實(shí)用新型在功率單元整流橋旁反并聯(lián)了一反饋橋，通過控制電路控制反饋橋的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而使制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)。
如圖3、圖4、圖5所示，本實(shí)用新型能量回饋裝置主要由多個(gè)反饋橋1和控制電路2構(gòu)成；控制電路2又是由能量回饋工況判斷電路21和反饋橋觸發(fā)電路22構(gòu)成。反饋橋1的數(shù)量與構(gòu)成變頻器的功率單元的數(shù)量相一致，即在每一個(gè)功率單元3整流橋31旁反并聯(lián)一反饋橋1(如圖3所示)。在變頻器正常運(yùn)行時(shí)，反饋橋1是關(guān)斷的，電路其它部分的工作與沒有此反饋橋時(shí)是一樣的。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，能量通過功率單元逆變橋33回饋到直流母線電容32中，導(dǎo)致電容電壓升高，當(dāng)電容電壓高于二極管整流橋31的整流電壓峰值時(shí)，二極管整流橋關(guān)斷，此時(shí)可以有選擇的使反饋橋1的器件導(dǎo)通，將電容器中的能量通過反饋橋、移相整流變壓器反饋回電網(wǎng)。
為了控制反饋橋1的導(dǎo)通與關(guān)斷，本實(shí)用新型能量回饋裝置設(shè)計(jì)有能量回饋工況判斷電路21(如圖4所示)和反饋橋觸發(fā)電路22(如圖5所示)。
如圖4所示，能量回饋工況判斷電路21主要由功率單元整流橋整流電壓峰值檢測(cè)電路211、功率單元直流母線電壓檢測(cè)電路212和比較/判斷電路213構(gòu)成。整流橋整流電壓峰值檢測(cè)電路211用于檢測(cè)整流橋整流后電壓的峰值V1，并作為比較/判斷電路213的一個(gè)輸入端；直流母線電壓檢測(cè)電路212用于檢測(cè)功率單元直流母線P、N之間的電壓V2，并作為比較/判斷電路213的另一個(gè)輸入端；比較/判斷電路213對(duì)這兩個(gè)檢測(cè)電壓進(jìn)行比較、判斷。當(dāng)直流母線電壓V2大于整流橋整流后電壓的峰值V1時(shí)，比較/判斷電路輸出控制信號(hào)，開始控制反饋橋的導(dǎo)通；反之，關(guān)斷反饋橋。
為了使反饋橋1導(dǎo)通，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了反饋橋觸發(fā)電路22，該觸發(fā)電路采用6脈沖控制方式，如圖5所示。任何時(shí)刻只給出兩個(gè)反饋橋器件的導(dǎo)通控制信號(hào)，對(duì)于上橋臂的三個(gè)器件，選擇R、S、T電壓瞬時(shí)值最高的一個(gè)給出導(dǎo)通信號(hào)；對(duì)于下橋臂的三個(gè)器件，選擇R、S、T電壓瞬時(shí)值最低的一個(gè)給出導(dǎo)通信號(hào)。這樣使反饋橋工作在與二極管橋相同的狀態(tài)下，只是電流和能量流動(dòng)的方向相反。如圖5所示，圖5(a)是采用直接電壓檢測(cè)法，對(duì)于上橋臂的三個(gè)器件，選擇電壓最高的一只給出觸發(fā)信號(hào)；對(duì)于下橋臂的三個(gè)器件，選擇電壓最低的一只給出觸發(fā)信號(hào)；電壓檢測(cè)可以采用比較器和選擇器，同時(shí)必須有抗干擾的濾波措施。另外一種方法為圖5(b)所示的采用鑒相器的方法，眾所周知，交流三相電源每120度相位內(nèi)就有一相處于電壓最高，每120度相位內(nèi)有一相處于電壓最低，這種關(guān)系非常的固定，因此，可以采用過零檢測(cè)或鎖相環(huán)等常用方法，跟蹤輸入電壓的相位給出控制脈沖，兩種方法達(dá)到的效果是一致的。
圖6、圖7、圖8為本實(shí)用新型具體實(shí)施例圖。如圖6所示，本實(shí)用新型反饋橋1由6個(gè)IGBT大功率晶體管G1～G6組成，反并聯(lián)在功率單元整流橋31旁。本實(shí)用新型采用IGBT構(gòu)成反饋橋，也可以采用其它開關(guān)元件如GTO、可控硅等構(gòu)成反饋橋。
圖7為本實(shí)用新型能量回饋工況判斷電路具體電路圖。如圖所示，本實(shí)用新型先通過電壓互感器4將功率單元R、S、T處的電壓轉(zhuǎn)化為控制電路可以接受的電壓R1、S1、T1；然后，經(jīng)過整流橋5整流；取其電壓作為整流橋整流后電壓的峰值V1。V2為經(jīng)過電氣隔離6的直流母線P、N之間的電壓。經(jīng)過比較器U7、邏輯門U8的比較/判斷，當(dāng)V2＞V1時(shí)，輸出控制信號(hào)EN2允許反饋橋觸發(fā)電路工作。圖中，EN1為系統(tǒng)允許能量回饋裝置工作的指令，因?yàn)樵谀承┣闆r下，可以通過人為設(shè)定不允許系統(tǒng)反饋電路工作，EN2為反饋控制允許邏輯，EN2有效時(shí)反饋橋觸發(fā)電路開始工作(參見圖8)。
圖8為本實(shí)用新型反饋橋觸發(fā)電路具體電路圖。如圖所示，它由比較器U9～U11、譯碼器U12和邏輯門U13～U18構(gòu)成。比較器U9～U11首先對(duì)三相電壓進(jìn)行比較，得到三個(gè)比較信號(hào)COMP1～COMP3，如果反饋控制條件具備(EN2＝1)，則可將比較情況的6種可能，通過譯碼器U12(74138)譯出來(一共有8種狀態(tài)，其中兩種狀態(tài)物理上不可能)，然后根據(jù)這些狀態(tài)，通過簡(jiǎn)單的邏輯電路U13～U18，可以得到反饋橋器件G1～G6的觸發(fā)信號(hào)。
當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)上述控制措施，還需要其它的輔助電路，如IGBT的驅(qū)動(dòng)電路等；如果使用可控硅構(gòu)成反饋橋，還需要可控硅強(qiáng)迫關(guān)斷電路、可控硅脈沖變壓器觸發(fā)電路等，但這些屬本領(lǐng)域一般技術(shù)，在此不一一列出。
以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型，很明顯本實(shí)用新型并不受這些實(shí)施例的限制。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員任何基于本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)內(nèi)容的修改、變形或等同替換，均涵蓋在本實(shí)用新型權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，其特征在于它包括多個(gè)反饋橋和反饋橋控制電路；所述反饋橋的數(shù)量與構(gòu)成變頻器的功率單元的數(shù)量相一致，即在每一個(gè)功率單元整流橋旁反并聯(lián)一反饋橋；所述反饋橋控制電路包括用于控制反饋橋?qū)ㄅc關(guān)斷的能量回饋工況判斷電路和用于觸發(fā)反饋橋器件導(dǎo)通的反饋橋觸發(fā)電路；能量回饋工況判斷電路的信號(hào)輸出端與反饋橋觸發(fā)電路的控制端相連，觸發(fā)電路的六路輸出端分別與反饋橋器件相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，其特征在于所述能量回饋工況判斷電路主要由功率單元整流橋整流電壓峰值檢測(cè)電路、功率單元直流母線電壓檢測(cè)電路和比較/判斷電路構(gòu)成；整流橋整流電壓峰值檢測(cè)電路用于檢測(cè)整流橋整流后電壓的峰值，并作為比較/判斷電路的一個(gè)輸入端；直流母線電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)功率單元直流母線P、N之間的電壓，并作為比較/判斷電路的另一個(gè)輸入端；比較/判斷電路對(duì)這兩個(gè)檢測(cè)電壓進(jìn)行比較、判斷，并輸出控制信號(hào)，控制反饋橋的導(dǎo)通或關(guān)斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，其特征在于所述反饋橋觸發(fā)電路采用6脈沖控制方式；它由電壓檢測(cè)電路和抗干擾電路組成；該電壓檢測(cè)電路采用比較器和選擇器，對(duì)于反饋橋上橋臂的三個(gè)器件，選擇電壓最高的一只給出觸發(fā)信號(hào)；對(duì)于反饋橋下橋臂的三個(gè)器件，選擇電壓最低的一只給出觸發(fā)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，其特征在于所述反饋橋觸發(fā)電路采用鑒相器的方法，采用過零檢測(cè)電路或鎖相環(huán)電路，跟蹤輸入電壓的相位，任何時(shí)刻只給出兩個(gè)反饋橋器件的導(dǎo)通控制信號(hào)，對(duì)于上橋臂的三個(gè)器件，選擇R、S、T電壓瞬時(shí)值最高的一個(gè)給出導(dǎo)通信號(hào)；對(duì)于下橋臂的三個(gè)器件，選擇R、S、T電壓瞬時(shí)值最低的一個(gè)給出導(dǎo)通信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，其特征在于所述能量回饋工況判斷電路主要由電壓互感器、二極管整流橋、電氣隔離電路和比較器構(gòu)成；功率單元交流側(cè)電壓經(jīng)電壓互感器、整流橋整流后，取其電壓作為整流橋整流后電壓的峰值，并與比較器的一個(gè)輸入端相連；功率單元直流母線P、N之間的電壓經(jīng)電氣隔離電路后與比較器的另一個(gè)輸入端相連；比較器的信號(hào)輸出端與反饋橋觸發(fā)電路的控制端相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無諧波污染高壓變頻器能量回饋裝置，其特征在于所述反饋橋觸發(fā)電路由比較器、譯碼器和邏輯電路構(gòu)成；比較器的輸入端分別與三相交流電壓相連，對(duì)其進(jìn)行比較；比較器的輸出端通過譯碼器與邏輯電路相連，邏輯電路的輸出端與反饋橋器件的觸發(fā)端相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種針對(duì)功率單元串聯(lián)型高壓變頻器實(shí)現(xiàn)能量回饋的裝置。它由與每個(gè)功率單元整流橋反并聯(lián)的反饋橋及其觸發(fā)、控制電路構(gòu)成。采用6脈沖控制方式，通過檢測(cè)、比較直流母線電壓和R、S、T的電壓給出反饋橋?qū)ㄅc關(guān)斷的控制信號(hào)，從而使負(fù)載制動(dòng)能量反饋回交流電網(wǎng)。這種裝置充分利用了裝置中移相變壓器對(duì)諧波的抵消作用，具有對(duì)電網(wǎng)無諧波污染、功率因數(shù)高、控制簡(jiǎn)單、損耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M5/44GK2567866SQ0220558
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者倚鵬 申請(qǐng)人:北京利德華福技術(shù)有限公司