CN101119088A - 一种全可控能量回馈系统 - Google Patents

Abstract

一种全可控能量回馈系统，由有源逆变电路和回馈控制电路构成，有源逆变电路由绝缘栅双极型晶体管构成，回馈控制电路由电流调节电路、同步电路、电压监测电路和驱动电路构成，电流调节电路、同步电路、电压监测电路连接至脉冲形成电路，电流调节电路将三相电流实测值整流后与设定值比较，控制输出功率器件开通与关断，电压监测电路将直流回路中的取样电压与电压设定值比较，输出电平信号再经充电隔离器送给脉冲分配电路，脉冲形成电路将同步电路的输出信号、电流调节信号、电压监测输出信号处理后送给驱动电路，驱动电路控制有源逆变电路工作。本发明电路简单、体积小，换流时间短，实现了能量的全反馈、效率高，输出波形好，功率因数高。

Description

一种全可控能量回馈系统

技术领域

本发明涉及电工领域，尤其涉及电力制动技术，特别涉及电力制动系统中的能量优化利用方法，具体的是一种全可控能量回馈系统。

背景技术

现有技术中，在高速电梯、龙门刨床等一些需要频繁正、反转和快速起、停的调速系统中，一般采用机械制动或电力制动，与机械制动相比，电力制动具有结构简单、安装维护方便、无机械磨擦损耗、制动力矩可灵活调节等优点。电力制动的本质是将机械能转变成电能并加以吸收，如电压型交一直一交变频调速系统，电力将制动过程中的机械能转变成电能再经逆变器回送经直流回路上的储能电容中，但由于电容的储能容量有限，如果不及时吸收储能电容中的过剩能量，电容两端产生的泵升电压导致系统的过压保护动作并封锁逆变器输出，电动机即处于自由停车状态，达不到快速制动的目的。

目前中小容量系统中采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点：(1)浪费能量，降低了系统的效率。(2)电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十瓦以下的中小容量系统。传统的能量回馈系统主要由晶闸管有源逆变器组成，由于晶闸管只能控制其开通，不能控制其关断，故称该系统为半可控能量回馈系统，典型电路有两种，一种是相控有源逆变器，改变有源逆变器的逆变角相位，即可控制回馈交流电网电流的大小，另一种是固定逆变角有源逆变器加直流斩波器，控制斩波器的通断比，也可控制回馈交流电网电流的大小，但这两种电路采用的都是半可控元件，为了防止有源逆变器的颠覆，必须留有充分的换流角余度，故系统的最小逆变角βmin一般不得小于30°，由此带来了电压利用率下降、存在脉动环流、电压波形成畸变、系统工作可靠性下降等许多缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种全可控能量回馈系统，所述的这种全可控能量回馈系统要解决现有的能耗制动技术中能源浪费、控制效果不理想的技术问题。

本发明的这种全可控能量回馈系统由有源逆变电路和回馈控制电路构成，其中，所述的有源逆变电路由三对绝缘栅双极型晶体管构成，任意一对绝缘栅双极型晶体管均由一个第一绝缘栅双极型晶体管和一个第二绝缘栅双极型晶体管构成，第一绝缘栅双极型晶体管的发射极均与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，任意一个第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极之间均连接有一个二极管，三相交流输入端中的三根相线各自与一对绝缘栅双极型晶体管中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极之间的连接线连接，三对绝缘栅双极型晶体管中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极相互连接形成一个正极输出端，三对绝缘栅双极型晶体管中的第二绝缘栅双极型晶体管的发射极相互连接形成一个负极输出端，正极输出端和负极输出端之间连接有电容器，正极输出端和负极输出端之间与所述的电容器并联地连接有两个串联的电阻器，两个串联的电阻器之间连接有一个电极接线，所述的回馈控制电路由电流调节电路、同步电路、电压监测电路和驱动电路构成，所述的电流调节电路、同步电路、电压监测电路都连接至脉冲形成电路，所述的三相交流输入端中的三根相线连接至所述的电流调节电路，所述的电流调节电路将三相电流实测值经整流后与电流设定值比较，利用滞环调节器控制输出功率器件的开通与关断信号，所述的电压监测电路将直流回路中的取样电压与电压设定值比较，输出相应的电平信号再经充电隔离器送给脉冲分配电路，所述的脉冲形成电路将同步电路的输出信号、电流调节信号、电压监测输出信号处理后再整形放大传送给所述的驱动电路。

进一步的，所述的电压监测电路中的比较器为带回差的比较器。

进一步的，所述的同步电路为所述的有源逆变电路提供同步信号。

进一步的，所述的回馈控制电路设置有与上位微机的联络信号线，联络信号线将能量回馈系统的状态通知上位微机，并通过上位微机来判断回馈系统的工作状态。

本发明的工作原理是：电流调节电路将三相电流实测值经整流后与电流设定值比较，经滞环调节器来控制输出功率器件的开通与关断信号，电压监测电路将直流回路中的取样电压与电压设定值比较，输出相应的电平信号再经充电隔离器送给脉冲分配电路，以控制能量回馈系统的工作，所述的脉冲形成电路将同步电路的输出信号、电流调节信号、电压监测输出信号处理后再整形放大送给所述的驱动电路，所述的驱动电路的输出连接至一对绝缘栅双极型晶体管中的集电极，以驱动和控制有源逆变电路工作。电压监测电路将直流回路中的取样电压与电压设定值比较，输出相应的电平信号再经充电隔离器送给所述的脉冲产生电路，以控制能量回馈系统的工作与否，且所述的电压监测电路采用了带回差的比较器，可避免系统在临界工作点振荡。同步电路为所述的有源逆变电路提供同步信号。回馈控制电路设置的与上位微机的联络信号线，可将能量回馈系统的状态及时通知上位微机，并通过上位微机判断来保证回馈系统的正常工作。

本发明与已有技术相对照，其效果是积极和明显的。本发明采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。它可以克服通用变频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足，使通用变频器可在四象限运行。本发明主电路采用可关断开关元件，集有源逆变与电流控制功能于一体。本发明省略了隔离变压器、直流斩波器、电路简单、体积小；无脉动环流，换流时间短，实现了能量的全反馈、系统效率高；输出波形好，功率因数高，对电网污染小；工作十分可靠，解决了半可控能量回馈系统中存在颠覆变频器的隐患；随着可关断功率器件价格不断下降，全可控能量回馈系统的总成本已基本与传统的半可控能量回馈系统的成本相当，因而具有很大的推广价值和广阔的应用前景。

本发明的目的、特征及优点将通过实施例进行详细说明。

附图说明：

图1是本发明一种金可控能量回馈系统的一个优选实施例的功能框架示意图。

图2是本发明一种全可控能量回馈系统的一个优选实施例中的绝缘栅双极型晶体管导通特性示意图。

图3是本发明一种全可控能量回馈系统中的同步电路的信号连接示意图。

图4是本发明一种全可控能量回馈系统中的同步电路中采用的判相序电路的示意图。

图5是本发明一种全可控能量回馈系统中的同步电路中采用的判相序电路的相序波形图。

图6是有源逆变器输出给交流电网的电压波形，

图7表明本系统的输出电流也近似于正弦波，

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种全可控能量回馈系统，有源逆变电路和回馈控制电路构成，其中，所述的有源逆变电路由三对绝缘栅双极型晶体管构成，任意一对绝缘栅双极型晶体管均由一个第一绝缘栅双极型晶体管和一个第二绝缘栅双极型晶体管构成，第一绝缘栅双极型晶体管的发射极均与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，任意一个第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极之间均连接有一个二极管，三相交流输入端中的三根相线各自与一对绝缘栅双极型晶体管中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极之间的连接线连接，三对绝缘栅双极型晶体管中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极相互连接形成一个正极输出端，三对绝缘栅双极型晶体管中的第二绝缘栅双极型晶体管的发射极相互连接形成一个负极输出端，正极输出端和负极输出端之间连接有电容器，正极输出端和负极输出端之间与所述的电容器并联地连接有两个串联的电阻器，两个串联的电阻器之间连接有一个电极接线，所述的回馈控制电路由电流调节电路2、同步电路3、电压监测电路4和驱动电路5构成，所述的电流调节电路2、同步电路3、电压监测电路4都连接至脉冲形成电路6，所述的三相交流输入端中的三根相线连接至所述的电流调节电路2，所述的电流调节电路2将三相电流实测值经整流后与电流设定值比较，利用滞环调节器控制输出功率器件的开通与关断信号，所述的电压监测电路3将直流回路中的取样电压与电压设定值比较，输出相应的电平信号再经充电隔离器送给脉冲分配电路，所述的脉冲形成电路将同步电路的输出信号、电流调节信号、电压监测输出信号处理后再整形放大传送给所述的驱动电路5。

进一步的，所述的电压监测电路4中的比较器为带回差的比较器。

进一步的，所述的同步电路3为所述的有源逆变电路提供同步信号。

进一步的，所述的回馈控制电路设置有与上位微机的联络信号线，联络信号线将能量回馈系统的状态通知上位微机，并通过上位微机来判断回馈系统的工作状态。

具体的，绝缘栅双极型晶体管的通、断特性如下所述：

1.所述的绝缘栅双极型晶体管的最大导通区间为θm，则从各元件的自然换流点(R、U...)算起0＝π～5π/3，即有源逆变角β＝0，如图2所示，此时导通的功率元件所连相电势绝对值最大，其它相电势不可能通过如图1中的二极管与导通功率元件相电势构成脉动环流，由于β＝0，有源逆变输出电压波形无缺口，波形系数好且功率因数高。

2.有θm区间内，回馈电流小于设定值时，功率器件导通，回馈电流大于设定值后，功率元件关断，储存在电感中的能量通过二极管、电容构成续流回路，继续向电网回送能量，由于绝缘栅双极型晶体管开关频率很高，因此回馈电流实际值可以很准确地跟踪电流设定值。

3.根据直流回路允许的泵升电压大小确定功率元件的工作区间，考虑到电网的波动，当直流回路电压Ud＞1.1Em后，有源逆变自动投入运行，这样可减少能量回馈系统的平均功率。

具体的，同步电路3采用Δ/Y0接法的三相同步变压器输出与电网线电压同相位的ūAB、ūBC、ūCA，再经过零比较器获得方波形式的三相同步信号uAB、uBC、uCA，然后通过图3逻辑电路输出满足条件1的六个功率元件的同步信号，如图3所示，u1＝uBA·uCA与A相电压负值同区间，正好供功率元件T1使用，以此类推，以上分析假设系统进线相序正确，如反相序，则上述关系不成立，为此还需要用如图4所示的相序电路，如图5可知，当相序正确时，uBC与u1无相交区间，u0会输出高电平，允许系统工作。当反相序时uBC与u1有相交区间，u0有时输出低电平，经过自锁电路后，会输出低电平，发出封锁信号，禁止系统工作。

具体的，在电流调节电路2中，为了简化电路，三相电流的调节合用一个电流设定值和一个电流调节器，众所周知，任一时刻，三相电流仅一相电流绝对值最大，故电流设定值按三相电流的峰值设定，三相电流实测值经整流后与电流设定值比较，经滞环调节器即可控制输出功率器件的开通与关断信号，值得一提的是，只要主电路中电感L参数设计恰当，采用这种简化的电流调节电路仍可获得良好的输出电流波形。

在电压监测电路4中，由直流回路中的取样电压ur与电压设定值(满足上述第三个条件)比较，输出相应的电平信号再经充电隔离器送给脉冲分配电路，以控制能量回馈系统的工作与否，电压监测电路采用了带回差的比较器，以避免系统在临界工作点振荡。

在脉冲形成电路6中，脉冲形成电路6主要任务是将同步输出信号、电流调节信号、电压监测输出信号处理后再整形放大送给驱动电路5，驱动电路5采用了采用IGBT驱动电路，该电路性能超过EXB840，具有很高的抗共模干扰能力，及过流自保护功能，可以有效地防止IGBT损坏。另外，降栅关断功能保证在短路情况下也能有效地保护功率器件。

在本发明的一个实施例中，本系统与日本安川22KW变频器配合应用到电梯曳引机中进行了运行实验，全可控能量回馈系统工作时的电压波形和输出电流波形分别见图6、图7，图6是有源逆变器输出给交流电网的电压波形，它表明本系统输出的三相交流电压是理想的正弦波，这是因为本系统中各功率器件均是在各自然换流点换流，换流期间无电压突变，而电感L又将换流毛刺全部吸收，故输出波形良好，图7表明本系统的输出电流也近似于正弦波，电流波峰的缺口是IGBT在斩波状态时工作形成的，实测电压波形还表明，本能量回馈系统输出电压和输出电流基本同相位，系统的功率因数很高，接近于1。

当回馈电流为40A、20A、0A时，电梯曳引机制动的最短停车时间分别为0.5秒、2秒和5秒，表明回馈电流为零时(意味着无能量回馈系统)停车时间比回馈电流最大时缩短10倍，这对研制高速电梯有着十分重要的意义。此外，如果调速系统无需速度极快的制动，则可适当减少回馈电流，降低全可控能量回馈系统的成本。

从试验结果可见，与传统的可控能量回馈系统相比，本发明的全可控能量回馈系统有如下优点：省略了隔离变压器、直流斩波器、电路简单、体积小；无脉动环流，换流时间短，实现了能量的全反馈、系统效率高；输出波形好，功率因数高，对电网污染小；工作十分可靠，解决了半可控能量回馈系统中存在颠覆变频器的隐患；随着可关断功率器件价格不断下降，全可控能量回馈系统的总成本已基本与传统的半可控能量回馈系统的成本相当，因而具有很大的推广价值和广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种全可控能量回馈系统，由有源逆变电路和回馈控制电路构成，其特征在于：所述的有源逆变电路由三对绝缘栅双极型晶体管构成，任意一对绝缘栅双极型晶体管均由一个第一绝缘栅双极型晶体管和一个第二绝缘栅双极型晶体管构成，第一绝缘栅双极型晶体管的发射极均与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，任意一个第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极之间均连接有一个二极管，三相交流输入端中的三根相线各自与一对绝缘栅双极型晶体管中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极之间的连接线连接，三对绝缘栅双极型晶体管中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极相互连接形成一个正极输出端，三对绝缘栅双极型晶体管中的第二绝缘栅双极型晶体管的发射极相互连接形成一个负极输出端，正极输出端和负极输出端之间连接有电容器，正极输出端和负极输出端之间与所述的电容器并联地连接有两个串联的电阻器，两个串联的电阻器之间连接有一个电极接线，所述的回馈控制电路由电流调节电路、同步电路、电压监测电路和驱动电路构成，所述的电流调节电路、同步电路、电压监测电路都连接至脉冲形成电路，所述的三相交流输入端中的三根相线连接至所述的电流调节电路，所述的电流调节电路将三相电流实测值经整流后与电流设定值比较，利用滞环调节器控制输出功率器件的开通与关断信号，所述的电压监测电路将直流回路中的取样电压与电压设定值比较，输出相应的电平信号再经充电隔离器送给脉冲分配电路，所述的脉冲形成电路将同步电路的输出信号、电流调节信号、电压监测输出信号处理后再整形放大传送给所述的驱动电路。

2.如权利要求1所述的全可控能量回馈系统，其特征在于：所述的电压监测电路中的比较器为带回差的比较器。

3.如权利要求1所述的全可控能量回馈系统，其特征在于：所述的同步电路为所述的有源逆变电路提供同步信号。

4.如权利要求1所述的全可控能量回馈系统，其特征在于：所述的回馈控制电路设置有与上位微机的联络信号线，联络信号线将能量回馈系统的状态通知上位微机，并通过上位微机来判断回馈系统的工作状态。

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